Appunti Metallurgia

DIAGRAMMI DI STATO BARELLA

[vedi libro]

SOLIDIFICAZIONE

I metalli e le leghe sono prodotti attraverso processi che avvengono a T > T fusione per poi essere raffreddati in stampi dove solidificano. La solidificazione è la prima trasformazione che determina la microstruttura di un metallo o di una lega e di conseguenza le proprietà. Nel passaggio da liquido a solido si possono ottenere due tipi di prodotti:

• Getti: Pezzi ottenuti colando il metallo in uno stampo che ne conferisce una forma semidefinitiva.
• Lingotti/Bile: pezzi che, una volta solidificati, vengono lavorati (deformazione plastica)

In entrambe le casistiche il metallo passa da una situazione di elevato disordine atomico a una situazione ordinata (reticolo cristallino).

La solidificazione possiede alcune caratteristiche:

1. È un fenomeno esotermico che mette in gioco un quantitativo di energia (calore latente)
2. Richiede la formazione di una o più fasi => formazione di interfacce fra il

La solidificazione è il processo mediante il quale un materiale passa dallo stato liquido allo stato solido. È accompagnata da una riduzione di volume. Nella pratica si attua in condizioni di non equilibrio che determinano le dimensioni del grano: più si è lontani dall'equilibrio più il sistema formerà grani a raggi piccoli. Il grado di scostamento dall'equilibrio aumenta con la velocità di solidificazione. È condizionato da fenomeni di trasporto di massa ed energia.

La solidificazione dei metalli e leghe avviene in due fasi:

• Nucleazione: Spontanea aggregazione di atomi nella massa liquida per formare nuclei
• Accrescimento: Crescita dei nuclei per progressivo apporto di altri atomi con conseguente diminuzione del liquido fino a completa solidificazione del getto.

Nucleazione

Il termine nucleazione si riferisce alla formazione dei primi cristalli di dimensione nanometrica dal metallo fuso (formazione di una seconda fase). Un metallo solidifica quando la temperatura del liquido è minore di quella di fusione.

L'energia associata alla struttura cristallina è minore dell'energia del liquido. La fase di nucleazione è responsabile di: - Struttura iniziale - Dimensione del grano - Distribuzione spaziale delle fasi Affinché possa avvenire la nucleazione, è necessario portarsi ad una temperatura di T - ΔT sottoraffreddamento raffreddamento liquidus. La nucleazione è favorita da un raffreddamento rapido, mentre l'accrescimento da un raffreddamento lento. Esiste un tipo di nucleazione detta eterogenea che si attiva su siti preferenziali quali impurezze presenti nel bagno metallico o sulle pareti dello stampo. Questi siti preferenziali abbassano l'energia libera richiesta per formare nuclei stabili. Per la solidificazione sarà dunque richiesto un minor sottoraffreddamento. Accrescimento Una volta che il nucleo è formato accresce per apporto di atomi alla superficie solida. Tale fase viene definita accrescimento.velocità di crescita dipende dalla facilità con cui un atomo può liberarsi dal liquido, attraversare l'interfaccia e formare i nuovi legami caratteristici del solido. Il nucleo accresce fino a occupare tutto lo spazio disponibile e forma il grano. Una microstruttura può essere: - Grano grosso: basso numero di grossi grani (d~200 mum) → ΔT minori - Grano fine: alto numero di piccoli grani (d~10 mum) → ΔT maggiori I grani fini sono dei grani che godono di migliori prestazioni meccaniche. Segregazione Nel diagramma di equilibrio si suppone che ci sia la possibilità per gli atomi di diffondere in modo da rendere omogenea la composizione: in realtà l'accrescimento avviene per strati contigui senza ridistribuzione del soluto; si ha dunque un'eterogeneità (non si ha tempo infinito quindi non si ha l'omogeneità) che prende il nome di segregazione. La segregazione è quindi il fenomeno.tra diverse regioni all'interno di un materiale solido. Questa segregazione si verifica a causa della distribuzione non omogenea degli elementi all'interno della soluzione solida. La microsegregazione può essere causata da vari fattori, come la velocità di raffreddamento e la presenza di inclusioni non metalliche. La presenza di segregazioni può causare problemi durante la deformazione plastica di un materiale. Questi problemi includono l'anisotropia, che è il diverso comportamento del materiale in base alla direzione in cui viene sottoposto a trazione. Esistono due tipi principali di segregazione: la macrosegregazione e la microsegregazione. La macrosegregazione si riferisce alla differenza di composizione tra il centro e la superficie di un lingotto. Quando una lega solidifica in condizioni di non equilibrio, gli elementi alliganti sono più solubili nel liquido che nel solido, quindi si ha un arricchimento degli elementi di lega nella parte che solidifica per ultima. La microsegregazione, invece, si riferisce alla differenza di composizione tra diverse regioni all'interno di un materiale solido. Questa segregazione si verifica a causa della distribuzione non omogenea degli elementi all'interno della soluzione solida. La microsegregazione può essere influenzata da vari fattori, come la velocità di raffreddamento e la presenza di inclusioni non metalliche.tra il centro e il bordo del singolograno. Nei diagrammi di equilibrio si suppone che ci sia la possibilità per gli atomi di diffondere in modo da rendere omogenea la composizione (ipotesi più difficile da riscontrare nel solido). Infatti l'accrescimento avviene per strati continui senza ridistribuzione del soluto. Omogenizzazione Se si volesse evitare questo fenomeno sarebbe necessario fornire più calore e più tempo al sistema. Il processo di fornire temperatura prende il nome di omogeneizzazione poiché, appunto, rende la lega più omogenea dal punto di vista della struttura chimica. I principali effetti di segregazione che vanno tenuti presenti sono quelli che derivano da elementi quali il fosforo e lo zolfo: in alcune regioni dei lingotti o dei grani ci possono essere variazione di composizione chimica così elevati che si modificano completamente i diagrammi di stato. EFFETTO DEGLI ELEMENTI DI LEGA NEGLI ACCIAI I diagrammi di stato sono

frutto di una approssimazione; si prende infatti in considerazione:

1. Sistema binario, in realtà una lega non è composta esclusivamente da due elementi
2. Sistema all'equilibrio, in realtà una trasformazione per poter avvenire non ha a disposizione un tempo infinito

Cerchiamo ora di capire che effetto si ha se non si considera più esclusivamente uno stato binario e all’equilibrio e dunque si prende in considerazione la presenza di elementi di lega negli acciai.

L’aggiunta di elementi di lega porta a sostanziali modifiche all’interno di un diagramma Fe-C. Tali modifiche riguardano la posizione e l’andamento delle curve.

Distinguamo:

• Elementi ferritizzanti: Sono elementi che rimpiccioliscono il campo di e aumentano il punto critico (ingrandendo α e δ). Tali elementi sono per esempio Cr, Al, V, Mo e S.
• Elementi austenitizzanti: Ampliano il campo di e abbassano il punto critico A (riducono i campi di

α e δ), come per esempio il Ni, Co, Mn, C, N,Cu e Zn.

3• Elementi nocivi: Sono quegli elementi che modificano sostanzialmente le proprietà meccaniche (e quindi il diagramma Fe-C). Sono Zolfo, Fosforo, Azoto, Ossigeno e Idrogeno (S, P, O, H e N). In particolare, i gas (N,O e H) formano dei buchi all’interno del materiale, alterando le proprietà meccaniche (diminuzione deformabilità (O e N), infragilimento e formazione di cricche (H)). Nonostante ciò è sempre possibile trovare una minima percentuale di questi elementi nella lega a causa del processo di estrazione del ferro stesso. In modo particolare è necessario limitare la percentuale di zolfo e fosforo poiché la soluzione solida che si otterrebbe sarebbe troppo fragile. Inoltre, lo zolfo rende il materiale basso fondente (fonde all’eutettico). Lo stesso problema si presenta con il fosforo (a 1050°, quella dell’eutettico, si potrebbe avere uno

smiscelamento). È possibile creare dei diagrammi ternari che permetto di analizzare gli elementi di effetto di lega negli acciai:

1. Sezioni trasversali: il diagramma è intersecato con un piano a diversi valori della temperatura, in questo modo di ottengono dei grafici triangolari che mostrano le fasi e i costituenti che è possibile trovare a quella determinata temperatura
2. Sezioni longitudinali: nel diagramma viene tenuto costante un elemento ed è rappresentato come varia l'altro in base alla temperatura

RESILIENZA

Le prove statiche non sono sufficienti a definire completamente il comportamento dei materiali, infatti la risposta di un materiale sottoposto a un carico varia col variare del tempo: un materiale può avere ottimi valori di A% e di Z% nella prova di trazione, mentre se sottoposti ad un carico impulsivo il materiale si dimostra fragile.

TENACITÀ

La caratteristica meccanica che misura la risposta del materiale a una sollecitazione istantanea

è detta tenacità. Un modo semplice e immediato per valutare la tenacità di un materiale è quello di determinare l'energia assorbita per provocare la rottura come area sottesa alla curva di trazione. Un materiale fragile risulterà essere meno tenace di un materiale duttile poiché l'area sottesa al grafico è inferiore. Tale valore però non risulta essere estremamente preciso poiché non tiene conto dell'istantaneità reale dell'applicazione del carico. La prova meccanica che permette di caratterizzare la tenacità di un materiale è detta prova di Charpy ma poiché risulta molto difficile da eseguire ed altrettanto costosa molto spesso si utilizza la prova di resilienza. Questa prova permette di valutare la tenacità del materiale in modo indiretto poiché valuta la resistenza all'urto (l'energia assorbita), di una provetta di forma impostata dalle norme.

realizzata in materiale metallico. La tenacità non va confusa con la resilienza, che è la resistenza alla fatica, ovvero la capacità del materiale di assorbire energia di deformazione elastica, e quindi valida fino al regime delle grandi deformazioni. PROVA DI RESILIENZA La prova di resilienza è di tipo tecnologico ed è fortemente influenzata dalla geometria delle provette e dai parametri di prova (indicati sui certificati). Come dispositivo si utilizza un pendolo conosciuto come pendolo di Charpy a cui è attaccata una mazza. Alla base del pendolo è posto il provino che subisce un colpo la cui intensità dipende dal peso e dall'altezza da cui viene fatta cadere la mazza. Per poter misurare la resilienza si crea un piccolo intaglio sul lato opposto al punto di impatto del provino, ciò permette di valutare la capacità del materiale di assorbire energia senza rompersi.