Solidificazione dei metalli e trattamenti termici

8. Solidificazione dei metalli e

trattamenti termici

Metallurgia → composizione degli acciai, delle leghe, microstrutture e come

rispondono ai trattamenti termici.

La solidificazione dei metalli puri

I metalli puri hanno un punto di solidificazione o di fusione ben definito e la loro solidificazione

avviene a temperatura costante.

Nel grafico a sinistra: Temperatura nel tempo

punto A → solidificazione del metallo che avviene a temperatura costante (T di

solidificazione)

punto B → riprende il raffreddamento con il materiale già allo stato solido

Nel grafico a destra: Densità (correlata al volume) in base alla Temperatura

Nel momento in cui il materiale solidifica ho un aumento della densità (corrisponde al punto A

del primo grafico) e quindi riduzione del volume a temperatura costante.

Il materiale successivamente continua ad aumentare la densità già arrivato allo stato solido.

8. Solidificazione dei metalli e trattamenti termici 1

Nucleazione e accrescimento

Cosa accade nel punto di solidificazione?

I metalli sono costituiti da molti cristalli orientati in modo casuale (grani) per questo sono detti

policristallini

Solidificazione di un metallo puro:

Nucleazione

Accrescimento

Si creano isolette solide (a) che si accrescono fino a creare una microstruttura completamente

solida (d) → Una singola isoletta da vita ad un singolo grano cristallino.

I quadratini sono le celle elementari che vedono l’organizzazione degli atomi, dei reticoli

cristallini. Queste sono orientate verso una direzione preferenziale di accrescimento del reticolo.

Perché accade questo? Gli atomi cercano di crescere seguendo la direzione di accrescimento con

meno dispendio energetico.

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⇒ conseguenza = i

Bordi Grano, regioni sfortunate in cui l’ atomo non sa dove posizionarsi → atomi con più alto

livello energetico, più instabili che tenderanno ad evolvere maggiormente

⇒ una microstruttura con tante regioni di confine sarà energeticamente più instabile, più tesa, ma

dal punto di vista meccanico più resistente.

Più alta è la velocità di raffreddamento più piccole sono le dimensioni dei grani (avrò tante

isolette solide che si incontrano subito).

Meno velocità → più grandi grani che si formano dall’accrescimento delle isolette

che hanno il tempo di crescere

Effetti dei grani e dei bordi di grano sulle proprietà meccaniche

Effetti dei grani e dei bordi di grano sulle proprietà meccaniche

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Grani grandi sono associati a bassa resistenza meccanica, bassa durezza e elevata duttilità

I bordi dei grani influenzano la fragilità del materiale

Alla base della duttilità c’è l’ avere tanti piani cristallini che generano scorrimenti

Grano grosso e grano fine

Metallo a grano grosso: basso numero di grossi grani (d ~ 200 μm)

Metallo a grano fine: alto numero di piccoli grani (d ~ 10 μm )

→ la normativa ci indica come misurare i grani

Esistono tecniche micrografiche che mi permettono di calcolare la misura dei grani, come la luce

polarizzata (in base al colore che assume il grano ha una misura diversa), invece, la prova

Vickers può dirci il grado di durezza dei grani

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Duttilità → grani cristallini che possono scorrere liberamente uno sull’ altro → fortemente

influenzata dalle dimensioni dei grani:

Grani piccoli → aumentano la resistenza ma riducono la duttilità → i bordi

grano ostacolano il movimento delle dislocazioni rendendo il materiale più

resistente

Grani grandi → cala la resistenza e aumenta la duttilità → meno bordi grano

favoriscono lo scorrimento delle dislocazioni favorendo la deformazione

plastica

Questa è una microgarfia reale, che mette in risalto i singoli grani cristallini (sono quelli colorati)

Nell’ immagine ci sono delle regioni che hanno grani cristallini molto piccoli e regioni che hanno

grani cristallini più grandi. Questa è una situazione indesiderata. Si cerca sempre di avere, punto

per punto, la stessa misura dei grani cristallini. Tuttavia l’ omogeneità è praticamente

impossibile, perché con l’ aumentare della temperatura tende ad aumentare anche la grandezza

del grano, quindi dobbiamo imparare a controllare ciò (anche perchè una volta che il grano è

aumentato di dimensione non si può più tornare indietro)

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La struttura cristallografica dei metalli

Quando un metallo solidifica dallo stato solido i suoi atomi si dispongono in configurazioni

ordinate chiamate cristalli. Il più piccolo gruppo di atomi che mostra il reticolo cristallino è

la cella elementare

In inglese i primi due sono:

Body-centered cubic (BCC)

Face-centered cubic (FCC)

Soluzioni solide

Nelle leghe il soluto è l'elemento in quantità minore che è aggiunto al solvente, l'elemento

presente in quantità maggiore (negli acciai il solvente è il ferro e il soluto il carbonio)

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Quando la struttura cristallografica del solvente è mantenuta in lega, la lega è chiamata soluzione

solida

Soluzioni solide sostituzionali e interstiziali

Gli acciai sono sempre quelli a destra

Leghe bifasiche

⇒ cosa succede quando si raggiunge la saturazione dei legami tra Fe e C?

Essi dovranno trovare un altra forma per potersi legare → prende vita la FASE:

modalità di aggregazione dei nostri elementi in lega (una a BCC, una a FCC, tante

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altre ancora diverse)

In una soluzione solida due elementi sono solubili allo stato solido dando luogo alla formazione

di un unico materiale omogeneo

Un sistema a due fasi solide è detto sistema bifasico

Esiste però sempre un limite alla concentrazione di atomi di soluto nel reticolo del solvente

Ci saranno delle fasi primarie, energicamente più stabili, che si formeranno per prime

Dopo aver raggiunto il limite di saturazione si verranno a formare delle fasi secondarie

Es. Bicchiere di acqua con ghiaccio → sistema bifasico

Diagrammi di fase

Ci danno visione delle zone delle diverse fasi di esistenza in funzione della temperatura e della

composizione della lega

In immagine si vede il digramma di fase della lega rame-nichel

Angolo in basso a DX → rame puro

Angolo in basso a SX → nichel puro

Curva Liquidus → sopra siamo solo ed esclusivamente la fase liquida

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Curva Solidus → sotto la quale ho solo la fase solida

Tra le due linee → stato intermedio

Partendo dal punto di Alloy Composition caliamo la temperatura fino ad arrivare in verticale sul

punto a temperatura 2395 dove inizia la solidificazione fino al punto t = 2280

2651 → t di solidificazione del nichel puro

1981 → t di solidificazione del rame puro

Diagrammi di stato e fase → sono diagrammi immaginati sulla base di tempi di

raffreddamento in tempi semi-infiniti. → per adattarlo alla realtà devo trascurare il

tempo.

Elemento alto fondente = elemento che solidifica a temperatura più alta

Forme allotropiche del Ferro

Perché il Fe si aggrega in un modo piuttosto che in un altro? La determinante è la temperatura.

Nel passare da ferro α a ferro γ il ferro aumenta la sua solubilità nei confronti del carbonio

Ferro δ: forma di cristallizzazione cubica a corpo centrato (CCC). Stabile da 1394°C fino alla

temperatura di fusione, dopo questa fase il Fe è troppo liquido

Ferro γ: forma di cristallizzazione cubica a facce centrato (FCC).Stabile negli intervalli 912 –

1394°C. In questa fase ci sta maoltissimo carbonio

Ferro α: forma di cristallizzazione cubica a corpo centrato (CCC). Stabile fino a 912°C

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La solubilità del Carbonio nel Ferro

Il Carbonio (elemento che entra nel ferro in soluzione di tipo interstiziale) entra molto più

facilmente in soluzione nel reticolo CFC che non nel CCC per una questione dovuta a distanze

interatomiche

A sinistra c’è il cubico corpo centrato (CCC) dove non ci sta molto carbonio

A destra c’è il reticolo cubico a facce centrate (CFC) dove si può inserire molto facilmente il

carbonio

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CFC ha una certa solubilità del carbonio nel ferro mentre nel CCC è praticamente nulla

Sommando la capacità del ferro di esistere in fome diverse con la diversa capacità ricettiva di

queste forme nei confronti del carbonio, originiamo le diverse fasi delle leghe Fe-C

Il sistema Fe-C: costituenti microstrutturali

l ferro commercialmente puro contiene lo 0.008% di C, gli acciai fino al 2.11% e le ghise fino al

6.67%.

Le soluzioni solide interstiziali del C con il Fe assumono nomi differenti a seconda della forma

allotropica in cui il carbonio è solubilizzato:

Ferrite α: soluzione solida di C in ferro α (C fino a 0.02% a 727 °C).

Ferrite δ : so