Riassunto esame Materiali per l'aeronautica e lo spazio, Prof. D'amore Alberto, libro consigliato Scienze e ingegneria dei materiali, Shackelford

∆G

dove è massimo essendo ∆H

∆G è canonicamente legato al calore latente di fusione ed al

Il termine V V

∆T

grado di sottoraffreddamento (rispetto alla temperatura termodinamica di

fusione) : tenuto conto che , Copyright ©2009 by Pearson Education, Inc.

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Ne consegue che , alla temperatura di fusione, T , ovvero all’equilibrio tra le

m

∆Gv=0.

fasi ,

Sostituendo l’espressione in

si ottiene ∆T=T -T

Che con m

diventa Copyright ©2009 by Pearson Education, Inc.

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Poiché la trasformazione di fase diventa sempre più favorevole, la formazione

dei nuclei “libera” crescente energia per la formazione di più grandi superfici

consentendo ai nuclei di formarsi. Eventualmente l’attivazione termica genera

sufficiente energia per stabilizzare i nuclei. Questi possono crescere finchè si

realizza l’equilibrio termodinamico. Un più grande livello di

sottoraffreddamento favorisce la transizione di fase, e si può correlare con

∆T ed r*.

e

Da cui si evince che più grande è il grado di sottoraffreddamento più piccolo è

il raggio critico del nucleo e meno energia è necessaria per formarlo

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Meccanismi di indurimento/aumento della resistenza

Come discusso precedentemente l’abilità di un materiale cristallino a deformarsi

plasticamente dipende dalla abilità delle dislocazioni a muoversi all’interno del

materiale.

Perciò , ostacolare e/o impedire il movimento delle dislocazioni aumenta la

resistenza dei materiali . Ciò può essere ottenuto in diversi modi, che includono:

1 - Controllo della dimensione dei grani (riducendo la continuità dei piani atomici)

2 - strain hardening (o lavoro a freddo)(creando un “groviglio di dislocazioni)

3 - alloying (introducendo difetti puntuali e un maggior numero di grani per bloccare

le dislocazioni) Copyright ©2009 by Pearson Education, Inc.

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1 - Controllo della dimensione dei grani

La dimensione dei grani in un materiale ne influenza la resistenza.

Il confine tra i grani agisce come una barriera al movimento delle dislocazioni ed

al conseguente scorrimento poichè i grani adiacenti hanno differenti orientazioni.

per cui l’allineamento degli atomi è differente ed i piani di scorrimento sono

discontinui tra i grani.

Grani più piccoli generano distanze più brevi entro cui gli atomo possono

muoversi lungo un particolare piano di scorrimento.Per questo i grani più piccoli

aumentano la resistenza dei materiali. La dimensione ed il numero dei grani

sono entrambe controllate dalla velocità di solidificazione a partire dalla fase

liquida. Copyright ©2009 by Pearson Education, Inc.

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• 2 - Strain Hardening

Indurimento per deformazione (o lavoro a freddo - cold-working) è il

processo che rende il materiale più duro e resistente per via di

deformazioni plastiche indotte. Quando il materiale è plasticamente

deformato le dislocazioni si muovono e se ne generano altre in

aggiunta a quelle pre-esistenti. L’aumento delle dislocazioni aumento

il livello delle loro interazioni (interferenze) in termini di ostacoli.

Questo determina una diminuzione di mobilità delle dislocazioni ed

ovviamente un aumento di resistenza del materiale. Questo aumento

di resistenza viene chiamato cold – working perchè la deformazione

plastica deve avvenire a temperature sufficientemente basse da

impedire un recupero diffusionale degli atomi tale da consentire ad

esse il riarrangiamento che vanificherebbe, appunto, l’operazione.

Infatti , quando un metallo è lavorato ad alta temperatura (hot-

working) le dislocazioni possono riarrangiarsi verso uno stato più

vicino a quello di equilibrio con un incremento di resistenza

trascurabile. Copyright ©2009 by Pearson Education, Inc.

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Lo strain-hardening può essere facilmente dimostrato

piegando ripetutamente un filometallico. Si osserva

innanzitutto che è sempre più difficile piegare il pezzo

nel medesimo punto. Nell’area indurita si sono

formate dislocazioni che risultano ormai interconesse

(entangled) e che aumentano la resistenza del

materiale. L’operazione comporta poi la rottura del filo

per fatica. Più precisamente, dopo un certo numero

di cicli le dislocazioni formano strutture chiamate

Persistent Slip Bands (PSB-bande di scorrimento

persistenti). Le PSB sono domini sottili del materiale

che affiorano in superficie generando delle

discontinuità che agiscono come concentratori di

sforzo o punti di innesco di crack.

Deve essere chiaro, poi, che , in ogni caso,

l’aumento della resistenza per cold working

determina una riduzione della duttilità. Il grafico sulla

destra mostra il carico di snervamento , Yield Stress,

e la percentuale di allungamento a rottura in funzione

del lavoro a freddo per diverse tipologie di metalli

(ottone, rame, acciaio) . Si osservi che per ciascun

materiale un piccolo ammontare di lavoro a freddo

determina una significativa riduzione di duttilità. Copyright ©2009 by Pearson Education, Inc.

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L’effetto della temperatura sui materiali soggetti a strain hardening.

Quando un materiale che ha subito cold-work è esposto ad elevate temperature

l’indurimento scaturito dal cold work può essere perso. Questo è causa di

malfunzionamenti quando lo strengthening è richiesto per sopportare carichi meccanici ad

alta temperatura..

Le “lavorazioni dei materiali possono causare strain hardening non sempre desiderato ,

specialmente perchè nei materili stressati fortemente con cold work perdono duttilità. In tal

caso I trattamenti termici possono essere utilizzati per rimuovere gli effetti dello strain

hardening. Durante il trattamento termico possono prodursi i seguenti eventi fisici:

A- Recupero (recovery)

B- Ricristallizzazione

C- Crescita dei grani Copyright ©2009 by Pearson Education, Inc.

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A - Recovery

Quando materiale indurito viene portato ad una temperatura elevata un aumento della diffusione atomica

favorisce la diminuzione di parte dell'energia deformazione interna . Ricordate che gli atomi non sono immobili

nella loro posizione , ma possono muoversi quando hanno abbastanza energia per rompere i loro legami . La

diffusione aumenta rapidamente con l'aumento della temperatura e questo permette agli atomi in regioni

gravemente tensionate a spostarsi su posizioni non deformate . In altre parole , gli atomi sono più liberi di

muoversi e recuperare una posizione normale nella struttura reticolare . Questo è noto come “fase di recupero”

e risulta in un aggiustamento della deformazione su scala microscopica . Le tensioni residue interne si

abbassano a causa di una riduzione della densità di dislocazioni e un movimento di dislocazioni su posizioni a

più bassa energia . I grovigli di dislocazioni condensano in sottili regioni bidimensionali mentre la densità delle

dislocazioni all'interno di queste aree diminuisce rapidamente. Queste aree sono chiamate subgrains . Non vi è

alcuna riduzione sensibile di resistenza e durezza del materiale ma spesso migliora la resistenza alla

corrosione .

B - Recrystallization

A temperature superiori, nuovi grani indeformati nucleano e crescono all'interno dei grani distorti dallo strain-

hardening e ai bordi di grano (il difetto è un precursore del nucleo). Questi nuovi grani crescono per sostituire i

grani deformati prodotti dallì incrudimento. Con la ricristallizzazione, le proprietà meccaniche ritornano al loro

stato originale e per questo i materiali ritornano ad uno stato di minore resistenza e maggiore duttilità. Le

ricristallizzazione dipende dalla temperatura, il trascorso tempo a questa temperatura e anche dalla quantità di

incrudimento che il materiale ha precedentemente subito. Maggiore è l’incrudimento, minore è la temperatura a

cui avviene la ricristallizzazione. Inoltre, una quantità minima (tipicamente 2-20%) di lavoro a freddo è

necessario per il verificarsi di una qualsiasi quantità di ricristallizzazione. Anche la dimensione dei nuovi grani è

parzialmente dipendente dalla quantità di incrudimento. Maggiore è l'indurimento per strain hardening, più

nuclei si formano .Per cui la granulometria risultante sarà più sottile (almeno inizialmente).

C - Grain Growth

Se un campione viene lasciato a temperatura elevata oltre il tempo necessario per la completa

ricristallizzazione, i granuli iniziano a crescere in dimensioni. Ciò si verifica perché la diffusione avviene

attraverso i bordi di grano e grani più grandi hanno meno superficie di bordo di grano per unità di volume.

Pertanto, i grani più grandi perdono meno atomi e crescono a spese dei grani più piccoli. Grani più grandi

ridurranno la fresistenza e la durezza del materiale. Copyright ©2009 by Pearson Education, Inc.

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Formazione di leghe - Alloying

Solo pochi elementi sono ampiamente utilizzati commercialmente nella loro forma pura.

Generalmente, gli altri elementi sono presenti per produrre una maggiore resistenza, per migliorare la

resistenza alla corrosione, o semplicemente come impurità lasciate dal processo di raffinazione. Gli

elementi aggiunti in un metallo si chiamano leganti e il metallo risultante è chiamato lega. Anche se gli

elementi aggiunti sono non metalli, le leghe possono ancora hanno proprietà