Tecnologie generali dei materiali - Appunti

E N

E R A L

I D

E I M A T E R I

A L

I P

E R N G

E G N

E R I

A E S

T I

O N

A L

E

L

L

E

G H E M E

T A L L

I C H E

E

G H E M E

T A L L

I C H E

C

a p i

t o l

o 2 .

L e g h

e m e t

a l

l

i

c

h

e p

r i

n c

i

p

a l

i (

2 . 1 )

L e g h

e m e t

a l

l

i

c

h

e p

r i

n c

i

p

a l

i (

2 . 1 )

Una lega può essere chiamata con il nome dei componenti, con un nome particolare, oppure con sigle

unificate. Una classificazione per categorie può essere fatta in base all’elemento principale, e si hanno:

leghe ferrose; acciai e ghise.

1 .

1 . leghe leggere a base di alluminio, magnesio, etc.

2 .

2 . leghe di rame; bronzi, ottoni, etc.

3 .

3 . leghe di nichel;

4 .

4 . leghe di metalli preziosi e leghe di metalli speciali (titanio, tungsteno, etc.).

5 .

5 .

Gli sono leghe ferrose contenenti un tenore di carbonio inferiore al 2%. Questo può presentarsi in due

acciai

forme allotropiche differenti: o Gli acciai si distinguono in legati e non legati. Le proprietà

grafite diamante.

fisico strutturali dei vari tipi di acciaio dipendono principalmente dalla quantità di carbonio e dalla sua

distribuzione. La maggior parte degli acciai sono composti da miscele di (tenera e duttile, con poco

ferrite

carbonio e altro), (brillante e dura, composto intermetallico con molto carbonio) e (miscela

cementite perlite

omogenea di ferrite e cementite). All’aumentare della percentuale di carbonio contenuto nell’acciaio, la

quantità di ferrite diminuisce e quella di perlite aumenta, finché, quando il contenuto di carbonio raggiunge

il valore 0.76% (concentrazione eutettoidica), l’acciaio risulta costituito interamente da perlite. Aumentando

ancora, l’acciaio diventa una miscela di perlite e cementite.

D

i

a g r a m m a d

i s

t

a t

o f e r r o – c

a r b

o n

i

o (

2 . 2 )

D

i

a g r a m m a d

i s

t

a t

o f e r r o – c

a r b

o n

i

o (

2 . 2 )

Il diagramma di stato ferro-carbonio è un particolare diagramma di fase che descrive le strutture

di equilibrio delle principali leghe ferro-carbonio (acciaio e ghisa). Si faccia riferimento al diagramma di stato

ferro – carbonio di pagina 2, che riporta la parte degli acciai e delle ghise. Nella forma in cui viene presentato

solitamente, il diagramma ferro-carbonio presenta un composto intermetallico di formula Fe C (carburo di

3

ferro) comunemente chiamato cementite. La porzione del diagramma che si prende in considerazione è

quella con un contenuto di carbonio corrispondente alla composizione stechiometrica della cementite (6.69%

in peso). Difatti la porzione che interessa dal punto di vista tecnologico (di pertinenza di acciaio e

della ghisa) coinvolge percentuali di carbonio ben al di sotto di questo limite (in genere non si supera il 4%).

La cementite è in realtà un composto metastabile, mostrando la tendenza a decomporsi secondo la reazione:

Fe C 3Fe + C

3 →

per dare ferro e grafite. Tuttavia la reazione di decomposizione procede in maniera estremamente lenta tale

da non avere rilevanza pratica nelle normali condizioni ambientali. Seppure il diagramma ferro-grafite

rappresenti quindi il diagramma stabile da un punto di vista termodinamico, la sua osservanza

richiederebbe velocità di raffreddamento molto lente, lontane da quelle adottate nei comuni processi

tecnologici. È per questo che si assume sempre come diagramma di riferimento il diagramma ferro-

cementite (e a questo ci si riferisce quando si parla di diagramma ferro-carbonio). La presenza della grafite si

rileva solo nelle leghe ad alto tenore di carbonio (2-4% ghise) grazie anche alla presenza di elementi

promotori della sua formazione quale il silicio.

Il ferro puro (che in natura non esiste), allo stato solido presenta tre forme allotropiche:

ferro α: struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC o bcc) con costante di cella 2.86 Å, stabile fino a

o 912 °C.

ferro γ: struttura cristallina cubica a facce centrate (CFC o fcc) con costante di cella 3.65 Å, stabile tra 912

o °C e 1394 °C.

ferro δ: struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC o bcc) con costante di cella 2.93 Å, stabile tra

o 1394 °C e 1538 °C (temperatura di fusione).

R S – C S

3 II

CC

CC

AA

RR

DD

OO CC

II

M

EE

CC

AA LL

AA

UU

DD

II

OO CC

II

M

EE

CC

AA

R S – C S

M M

I

C C A R D

O C I

M

E C A L

A U D I

O C I M

E C A

T I G

EE

CC

NN

OO

LL

OO

GG

II

EE GG

EE

NN

EE

RR

AA

LL

II DD

EE

II M AA

TT

EE

RR

II

AA

LL

II PP

EE

RR N G

EE

G N

EE

RR

II

AA EE

SS

TT

II

OO

NN

AA

LL

EE

T I G

M N G G N

E C N

O L

O G I

E G

E N

E R A L

I D

E I M A T E R I

A L

I P

E R N G

E G N

E R I

A E S

T I

O N

A L

E

Queste tre forme allotropiche del ferro sono in grado, in misura diversa, di dar luogo a soluzioni solide con

il carbonio, oltre che combinarsi con questo per formare la cementite. Nel diagramma le fasi presenti sono

quindi le seguenti:

Fase α: Ferrite. È la soluzione interstiziale formata da piccole quantità di carbonio nel reticolo CCC

o

del ferro α. La presenza di atomi di carbonio nel reticolo CCC del ferro α produce delle notevoli distorsioni,

per questo la solubilità del carbonio nel ferro α è molto limitata (come si evince dal diagramma) e può

raggiungere un valore massimo dello 0.02% (a 727 °C).

Fase γ: Austenite. È la soluzione solida interstiziale del carbonio nel ferro γ (fcc). La struttura

o

cristallina del ferro γ, favorisce una maggiore solubilità del carbonio, dal diagramma si nota infatti un campo

di stabilità dell'austenite decisamente più ampio.

Fase δ: È la soluzione interstiziale del carbonio nel ferro δ (bcc). Valgono per questa fase

o

considerazioni analoghe a quelle fatte sulla ferrite α. La maggiore costante di cella consente tuttavia un lieve

aumento della solubilità del carbonio.

Fase Fe C: Cementite. È il composto intermetallico di cui si è già parlato sopra.

o 3

Nel diagramma di stato ferro-carbonio vi sono tre trasformazioni invarianti (ovvero le cui condizioni alle

quali avvengono non possono essere variate, nel nostro caso la temperatura e la composizione):

1. eutettica, che avviene a 1148 °C e 4,3% di carbonio schematizzata nel seguente modo:

Liquido austenite + cementite

→

2. peritettica, che avviene 1495 °C e 0,17% di carbonio schematizzata nel seguente modo:

Liquido + ferro δ austenite

→

3. eutettoidica, che avviene a 723 °C e con 0,76% di carbonio schematizzata nel seguente modo:

Austenite ferrite α + cementite.

→

A c

c

i

a i e g h

i s

e (

2 . 3 )

A c

c

i

a i e g h

i s

e (

2 . 3 )

Gli acciai contenenti in lega solo ed esclusivamente carbonio sono i più comuni e meno pregiati, e si

dividono in ed (con meno dell’1% di carbonio), e (con tenore di carbonio superiore).

dolci extradolci duri

Quando invece in lega sono presenti forti tenori di altri elementi l’acciaio si dice “fortemente legato”, e non

vale generalmente il diagramma ferro-carbonio semplice. Gli acciai inossidabili (o o

acciai inox stainless steel)

sono delle leghe a base di ferro, cromo, carbonio e arricchite da altri elementi quali nichel, molibdeno, silicio

e titanio e altri. La loro caratteristica peculiare è l’elevata resistenza all’attacco corrosivo degli agenti

atmosferici. In queste leghe il cromo deve essere presente in quantità non inferiori all’11%, per essere

disponibile alla formazione di ossidi sulla superficie che proteggano l’interno dell’acciaio. La ghisa è il primo

prodotto della fusione di un minerale ferroso, ottenuto in un altoforno. Tale lega è caratterizzata da un

elevato tenore di carbonio e presenta caratteristiche di bassa malleabilità e duttilità. Tradizionalmente molto

resistente a compressione, in certi casi può raggiungere valori di resistenza paragonabili a quelli di alcuni

acciai. In tali leghe sono presenti, sebbene in proporzioni differenti, praticamente le stesse fasi e gli stessi

costituenti degli acciai. Nella maggior parte delle ghise, quasi tutto il carbonio cristallizza in forma di grafite,

che ovviamente non è una fase metallica, ed avendo una scarsa resistenza, costituisce la fase debole.

L e g h

e d

e l r a m e (

2 . 4 )

L e g h

e d

e l r a m e (

2 . 4 )

Il rame, ottenuto dal suo minerale per raffinazione elettrolitica, è un elemento di ottima conducibilità

elettrica ed ha una spiccata capacità di legarsi agli altri metalli, che ne rafforzano le caratteristiche

meccanico-chimiche. Rame e zinco formano la famiglia di più comune utilizzo: gli Rame e stagno

ottoni.

danno invece origine ai Il binomio rame-nichel forma il gruppo delle leghe denominate di

bronzi. cupronichel,

particolare interesse per la loro resistenza alla corrosione. La presenza del fosforo nelle leghe del rame

permette di eliminare fenomeni di fragilità, deformabilità plastica a freddo, ma soprattutto di incrementare

l’attitudine alla brasatura. Nelle operazioni di brasatura si usano infatti i disossidanti (col fosforo) proprio

per evitare che la superficie di rame si ricopra di ossidi. Il fosforo, tuttavia, riduce la conduttività elettrica e

R S – C S 4

II

CC

CC

AA

RR

DD

OO CC

II

M

EE

CC

AA LL

AA

UU

DD

II

OO CC

II

M

EE

CC

AA

R S – C S

M M

I

C C A R D

O C I

M

E C A L

A U D I

O C I M

E C A

T I G

EE

CC

NN

OO

LL

OO

GG