Appunti Affidabilità dei Materiali, Prof Natali

Affidabilità dei Materiali

Un materiale è affidabile quando resiste alle sollecitazioni meccaniche, alla temperatura, all'ambiente (es. corrosione) e alle radiazioni. Il parametro più significativo è sicuramente la resistenza meccanica.

Cristalli Ideali

Esistono 14 strutture base (reticoli di Bravais), in cui si suddividono i metalli metallici.

• C.C.C.
• C.F.C.
• E.C.

Queste 3 sono le più importanti perché vi si suddividono il 90% dei metalli metallici.

• Non è il massimo imballaggio 2 atomi/cella
• 6 atomi/cella + compatti
• + compatti

Il comportamento meccanico dei metalli dipende ammontare della struttura cristallina, poiché ad esempio le direzioni di scorrimento e i piani di scorrimento sono le direzioni e i piani compatti della struttura cristallina. I metalli E.C. sono piuttosto fragili, i metalli CFC sono in generale duttili, mentre i metalli CCC coniugano buone resistenze meccaniche e buona duttilità.

Difetti nei Policristallini e Policristallini

I difetti di impacchettamento nei metalli influenzano le proprietà degli stessi.

• Difetti di Punto

• Vacanze = È la mancanza di un atomo in una posizione di equilibrio del reticolo. Sono molto influente delle T che agisce sull'agitazione molecolare. Eq. Arrhenius: Nᴇ = Nₒ · e^-Q/RT = il numero di vacanze.
• Interstiziali = È la presenza di un atomo in una posizione di non equilibrio interno al reticolo. Se l'atomo è lo stesso del reticolo si parla di autointerstiziale.
• Sostituzionali = Presenza di un atomo diverso in una posizione di equilibrio reticolare.

I difetti di punto sono necessari all'innesco del processo delle diffusione.

Effetti di linea - Dislocazioni (comportamento alla deformazione)

Andando ad analizzare i meccanismi di scorrimento di piani reticolari è nata una grande discrepanza tra i dati teorici e i risultati sperimentali sulle tensioni di taglio τ, che nelle prove sono molto più basse delle tensioni teoriche. Questo fenomeno è spiegato dalle dislocazioni, ovvero sovrapposizioni di difettosità ristrutturali messe in moto da un centro di disturbo.

Queste sono dei difetti strutturali lineari generati da addensamenti di vacanze, deformazioni plastiche, e influenzano il comportamento del materiale.

Dislocazione a spigolo

È la mancanza di un semipiano (o la presenza di uno in più) nel reticolo cristallino. Il vettore di Burgers b è la distanza che serve, nel cristallo reale a chiudere il circuito come nel cristallo ideale.

Nelle dislocazioni a spigolo, b ᴻ a alla linea di dislocazione.

Le dislocazioni, sotto determinanti σ_crit, si possono muovere lungo i piani di scorrimento, ovvero quelli o più alta densità atomica.

In base alla loro mobilità, possiamo classificare il comportamento dei materiali:

• Bloccare ➔ materiale fragile
• Poco mobili ➔ materiale tenace
• Mobili ➔ materiale duttile

Durante la deformazione plastica, le dislocazioni in moto generano ulteriori dislocazioni; per cui il moto è sempre più ostacolato dalla foresta di dislocazioni.

Il materiale diventa sempre più resistente (incrudimento)

La dislocazione induce uno stato tensionale: la zona dove ci è il semipiano in più è sollecitato a compressione, l’altra zona è sollecitata a trazione.

Affondare il fronte nella solidificazione

Per ogni T la composizione del solido che si genera è dato dalla composizione corrispondente al punto della curva di solidus per quella temperatura (lo stesso vale per il liquido).

Con la regola delle leve è possibile calcolare le %peso di liquido e solido che coesistono a quella T.

• % peso solido = LH / KM
• % peso liquido = KL / KM

Per raffreddamenti non lenti (non equilibrio) devo considerare che i fenomeni di diffusione allo stato solido richiedono tempi elevati, per cui si ha una distribuzione non uniforme dei componenti; perciò il fenomeno delle segregazione. Si avrà quindi un abbassamento della curva di solidus.

Leghe binarie a miscibilità parziale

Sono delle leghe i cui costituenti non rispettano tutte le regole di Hume-Rothery; il diagramma è composto con la comparsa delle 2 soluzioni solide uniche (compl ) α e β e la curva di solvus. Esse inducono uno spazio composizionale (eutettica) per lo quale la lega rimane liquida a T più basse delle 2 TF , la temperatura eutettica CE. In base alla composizione la lega subisce un diverso processo durante il raffreddamento.

• C < CE < C₁ —> Pseudocomposta: Si comporta come le leghe isomorfe (monofasico) α
• CE [C₂, CE] —> Non eutettica: Si ha il bifasico, ma non eutettico
• CE [C₂, C₃] —> Ipereutettica: Solidifica prima il proeutettico (α) e poi l’eutettico (α+β)
• CE [C₁, C₂] —> Eutettica: Solidifica tutto come eutettico (α+β)
• CE [C₄, C₃] —> Ipreteutettica: Solidifica prima il proeutettico (β) e poi l’eutettico (α+β)
• C > C₅ —> Pseudocomposta: è monofasico β

Trasformazioni innuminate

Eutettica L -> α + β

Ipereutettica L -> α + β

Ipreteutettica L -> β + α

Acciai Inox

Si realizzano alligando il Cr in tenori superiori al 12.1, per conferire all'acciaio una buona resistenza alla corrosione. Infatti il Cr forma, se esposto in ambiente ossidante, un ossido superficiale che protegge lo strato sottostante dal danneggiamento.

• FerriticiSono leghe Fe-Cr con Cr = 12-30%, chiamati così perché rimangono ferritici. Infatti il Cr, all'8%, chiude il campo Fe-γ al 12% Cr. Economici e ben resistenti alla corrosione.
• MartensiticiSono leghe con Cr = 12-17 e C = 0,1-1% e sono temprabili. Presentano una notevole resistenza alla corrosione.

Acciai Rapidi

Sono acciai destinati agli utensili, alligati con elementi quali W, Cr, V, Mo (con Co sono superrapidi). Il C pari una fase intermedia con una % fe, ma con una % degli alliganti in fase o più intensa.

Il trattamento termico per il realizzamento è il seguente: 1. Frammentazione 2. Austenitizzazione 3. Tempra → Tang

Si cerca quindi di ottenere i cristalli più piccoli possibile per omogeneizzare l'ingresso sotto la "T" (per T=T1 e T2) per T=T3 e T=T2. Ho un processo economico ma troppi carboni (dalla regola del lev). Per T=T2, invecchiamento e fenomeno di brucatura.

Inoltre, il bias prende un notevole bordi di grano.

I fusi dell'aus tempera → T4.

Ancluso χ per il γS e β danno martensite.

• Seconda Urendo IFR

A causa dell'austenite residua (AR) si formano bainite e martensite (Tang inclusive il Marte). Se i cristalli sono finemente distribuiti precipitando al cuore del grano, la resistenza viene spazio spinto debuttando il durezza + Tang ^∧.

Quando il tenore affina martensite (ppm) dalla Katon, quindi irruvg. La durezza conferisce il secondo tenacità.

Interazione Metallo Ambiente

L'interazione del metallo con l'ambiente può portare a corrosione, in 3 diverse modalità:

• A CALDO: Ad alte T^o si ha l'ossidazione del metallo.
• AD UMIDO: Presente la presenza di una elettrolita.
• BATTERIA: Alcune microcorrenti, in presenza di ossigeno, alterano la composizione del metallo.

Ossidazione (a caldo)

Un metallo, ossidandosi, subisce tensioni a causa dell'aumento di volume, e se si creano esponte il metallo all’azione di ossigeno, favorendo quindi il processo.

Gli ossidi generati possono essere POROSI o COMPATTI (in particolare allumina Al₂O₃).

La formazione dell'ossido dipende dalla predisposizione del metallo a reagire con l'ossigeno, e si valuta tramite l’ENERGIA LIBERA DI GIBBS G.

ΔG^o= ΔH^o-TΔS^o X^o = CONDIZIONI STANDARD (p^o = 1 atm, T^o = 298.15 K)

ΔH = ∫C_p dT ΔS = ∫C_p/T dT

C_p = a + bT + cT² + dT^-2 valore specifico a p costante

T^o = T di riferimento

Me + O₂ -> MeO₂

ΔG = G_MeO2 - [G_Me + G_O2]

ΔH = H_MeO2 - [H_Me + H_O2]

Nel calcolo degli integrali devo tener conto dei passaggi di stato (isoterma), separando gli integrali e aggiungendo le costanti.

IL DIAGRAMMA DI ELLINGHAM riporta la dipendenza dei ΔG di ossidante in funzione della temperatura per vari metalli, in modo da poter vedere graficamente, per ogni

T, quale elemento è più affine ad ossigeno.

Dal grafico si evidenzia che, oltre T^o, il Cromo è più affine del Fe, quindi si ossida proteggendo.

0 ΔG

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