Appunti completi metallurgia

METALLURGIA E MATERIALI NON METALLICI

SOMMARIO

CLASSIFICAZIONE DEGLI STATI DELLA MATERIA ............................................................................................. 3

INTRODUZIONE AI MATERIALI METALLICI ...................................................................................................... 4

MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO DEI METALLI ......................................................................................... 5

DIAGRAMMI DI MISCIBILITÀ DELLE LEGHE BINARIE ....................................................................................... 7

REGOLA DELLA LEVA ..................................................................................................................................... 8

DIAGRAMMA FERRO – CARBONIO .................................................................................................................. 9

ACCIAI ........................................................................................................................................................... 9

• acciaio ipo-eutettoidico .................................................................................................................. 10

• acciaio eutettoidico ........................................................................................................................ 10

• acciaio iper-eutettoidico ................................................................................................................. 11

GHISE .......................................................................................................................................................... 11

• ghisa ipo-eutettica .......................................................................................................................... 12

• ghisa eutettica ................................................................................................................................ 12

• ghisa iper-eutettica ......................................................................................................................... 13

Formazione delle ledeburite dal liquido eutettico ................................................................................... 13

ACCIAI E MICROSTRUTTURE .......................................................................................................................... 14

BAINITE ....................................................................................................................................................... 15

MARTENSITE ............................................................................................................................................... 16

VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI ..................................................................................................................... 17

CURVE TTT E CCT ............................................................................................................................................ 18

COME LEGGERE LE CURVE DI TRASFORMAZIONE TTT ................................................................................ 18

TRATTAMENTI TERMICI ................................................................................................................................. 19

TRATTAMENTI TERMICI SOPRA I PUNTI CRITICI ......................................................................................... 19

TRATTAMENTI TERMICI SOTTO I PUNTI CRITICI ......................................................................................... 20

TEMPRA E TEMPRABILITÀ ............................................................................................................................. 21

TEMPRA ...................................................................................................................................................... 21

TEMPRABILITA’ ........................................................................................................................................... 21

DESIGNAZIONE DEGLI ACCIAI ........................................................................................................................ 23

1. ACCIAI AL SOLO CARBONIO ................................................................................................................ 23

2. ACCIAI DEBOLMENTE LEGATI ............................................................................................................. 23

3. ACCIAI ALTAMENTE O FORTEMENTE LEGATI ...................................................................................... 23

CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI DEL SECONDO GRUPPO .............................................................................. 25

ACCIAI DA BONIFICA ................................................................................................................................... 25

Ciclo tecnologico di un acciaio da bonifica ............................................................................................. 26

ACCIAI AUTOTEMPRANTI ........................................................................................................................... 26

Ciclo tecnologico di un acciaio autotemprante ....................................................................................... 27

ACCIAI DA CEMENTAZIONE ........................................................................................................................ 27

Ciclo tecnologico di un acciaio da cementazione .................................................................................... 29

ACCIAI DA NITRURAZIONE .......................................................................................................................... 29

Ciclo tecnologico di un acciaio da nitrurazione ....................................................................................... 31

COMPARATIVA ACCIAI DA CEMENTAZIONE E ACCIAI DA NITRURAZIONE .................................................. 31

ACCIAI PER MOLLE ...................................................................................................................................... 32

Ciclo tecnologico di un acciaio per molle ................................................................................................ 32

POLIMERI ....................................................................................................................................................... 33

ARCHITETTURA DI BASE.............................................................................................................................. 33

STRUTTURA DELLE MATERIE PLASTICHE .................................................................................................... 34

STRUTTURA DEI POLIMERI ......................................................................................................................... 34

RAGGIO DEL GOMITOLO STATICO .............................................................................................................. 35

POLIMERI TERMOPLASTICI ......................................................................................................................... 36

POLIMERI TERMOINDURENTI ..................................................................................................................... 36

POLIMERI A STRUTTURA AMORFA O SEMICRISTALLINA ............................................................................ 36

TEMPERATURA DI TRANSAZIONE VETROSA T ........................................................................................... 37

G

SNERVAMENTO NEI POLIMERI ................................................................................................................... 38

IMPIEGO ED APPLICAZIONE DEI POLIMERI ................................................................................................. 39

MATERIALI CERAMICI .................................................................................................................................... 40

MATERIALI CERAMICI A PREVALENZA DI LEGAMI IONICI ........................................................................... 40

PROPRIETÀ DEI MATERIALI CERAMICI ........................................................................................................ 40

PREPARAZIONE DEI MATERIALI CERAMICI ................................................................................................. 41

CLASSIFICAZIONE DEGLI STATI DELLA MATERIA

Al di sopra della temperatura dello zero assoluto (= 0[K] = -273.15[°C]), tutti gli atomi possiedono

dei moti vibrazionali. Con l’aumentare della temperatura aumentano anche le vibrazioni e si

presentano le seguenti situazioni:

• se due atomi collegati tra loro elettronicamente, mantengono una distanza ben precisa tra

loro, nonostante le vibrazioni, allora la sostanza in questione si trova allo stato solido;

• se due atomi non riescono a instaurare tra loro un collegamento stabile, allora la sostanza

in questione si trova allo stato gassoso;

• se due atomi si trovano in una situazione di continua formazione e rottura dei legami tra

loro, allora la sostanza in questione si trova allo stato liquido;

Un reticolo cristallino, tipico dei materiali metallici, è caratterizzato da una ripetizione ordinata di

atomi all’interno della sostanza.

INTRODUZIONE AI MATERIALI METALLICI

I grani cristallini sono le “cellule” del metallo e sono congiunti tra loro attraverso i “bordi grano”.

Generalmente i metalli e le loro leghe hanno una struttura a reticolo cubico. L’unico metallo che

non presenta una struttura di questo tipo è il magnesio.

Tra i reticoli cubici, ne troviamo di diversa tipologia, in base a numero di atomi che il reticolo

ospita: abbiamo strutture CCC (cubiche a corpo centrato), CFC (cubiche a facce centrate) e

strutture cubiche semplici.

Nei reticoli CCC abbiamo un totale di 9 atomi: 1 al centro del cubo e 8 sugli spigoli.

Nei reticoli CFC abbiamo un totale di 14 atomi: 6 al centro di ciascuna faccia del cubo e 8 sugli

spigoli.

Come già detto i grani cristallini interagiscono tra loro attraverso il bordo grano, quindi gli atomi

sul bordo del reticolo sono condivisi da più reticoli. Per questo motivo gli atomi sugli spigoli hanno

valenza 1/8 per ciascun reticolo e quelli sulle facce hanno valenza 1/2. Troviamo quindi che un

reticolo CCC ha un numero reale di atomi pari a 2, mentre un CFC pari a 3.

Durante la solidificazione, spesso a causa dell’elevata velocità di raffreddamento, si formano dei

difetti reticolari (detti difetti interstiziali). I difetti sono causati dagli atomi che durante il

raffreddamento non riescono a disporsi nella posizione corretta in tempo, comportando due tipi di

difetti:

• difetti puntuali (difetti interstiziali di punto):

1. si può avere la mancanza di un atomo nella posizione corretta (vacanza reticolare),

che comporta un collasso della struttura reticolare, perché gli atomi circostanti

tendono a “lasciarsi andare” al fine di occupare anche quella posizione lasciata

libera;

2. si può avere anche un atomo che si trova in una posizione sbagliata; questo difetto

prende il nome di atomo interstiziale;

• dislocazioni (difetti interstiziali di linea): quando si ha la mancanza di un intero piano

cristallografico;

I difetti reticolari però comportano anche dei vantaggi, specialmente le dislocazioni; infatti, un

metallo privo di dislocazioni si comporterebbe come un materiale ceramico, ovvero non

presenterebbe alcuna deformazione plastica prima della rottura (sarebbe quindi un materiale

fragile). D’altro canto, la presenza di dislocazioni riduce le caratteristiche di resistenza meccanica

di un metallo.

Per spiegare le deformazioni elastiche di un metallo, possiamo immaginare gli atomi dei vari

reticoli collegati tra loro da delle “molle elettriche”, dette anche “molle Coulombiane”; per questo

motivo finché, durante la prova di trazione, ci troviamo in campo elastico, rilasciando il carico, il

provino non mostra alcuna deformazione permanente.

Qualora questo carico limite venga superato le “molle” si rompono (non si rompe una singola

molla, bensì tutta la fila) e si “ricreano” con i successivi atomi che incontrano sul piano di

scorrimento; questo spiega anche le deformazioni plastiche.

Un materiale ceramico sottoposto a prova di trazione si romperà mantenendo i due lembi

perfettamente diritti, del diametro del provino iniziale. Questo è spiegato da quanto detto prima.

I valori da tenere in considerazione, e che devono essere modificati al fine di rafforzare un metallo

sono: Rp (o R ) e R .

02 sn M

MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO DEI METALLI

I meccanismi di rafforzamento dei metalli sono:

1. rafforzamento per soluzione solida;

2. rafforzamento per presenza di particelle (per precipitazione);

3. rafforzamento per incrudimento;

4. rafforzamento per affinamento del grano;

Questi meccanismi sono scritti in ordine di qualità crescente: l’ultimo sarà quello che comporterà

un maggior incremento delle caratteristiche resistenziali del metallo.

1] Rafforzamento per soluzione solida: allo stato solido ho atomi di una specie predominante e di

un’altra specie. Le leghe sono esempi di questo tipo di rafforzamento (lega metallica sinonimo di

soluzione solida); la lega metallica ha sempre proprietà migliori rispetto a quelle del materiale

puro, infatti in ingegneria per impieghi strutturali non si hanno mai materiali puri. Con questo

rafforzamento a livello macroscopico miglioro il valore di Rp , mentre a livello microscopico

02

aumento le forze di taglio necessarie a passare alla fase plastica.

2] Rafforzamento per precipitazione: sono anche detti composti chimici; all’interno del reticolo

cristallino ho atomi con una chimica tale per cui ho la possibilità di legare gli atomi dell’elemento

aggiunto con quelli dell’elemento di base.

3] Rafforzamento per incrudimento: questo processo prevede che le dislocazioni vadano a

bloccarsi le une con le altre. Quando due dislocazioni entrano in contrasto si bloccano

reciprocamente e temporaneamente, e al fine di sbloccarle è necessario un aumento delle forze di

taglio. Il contrasto di dislocazioni di segno opposto provoca un loro annullamento/eliminazione

(annichilimento delle dislocazioni) e quindi riduce la capacità di deformazione plastica.

Questo processo è caratterizzato dalla deformazione dei grani, generalmente eseguita con

l’applicazione di forze dall’esterno durante la fase plastica; così facendo si bloccano delle

dislocazioni, ma se ne formano delle altre. Una delle tecniche impiegate è quella di carico/scarico.

4] Rafforzamento per affinamento del grano: questo processo consiste in una diminuzione delle

dimensioni medie dei grani, che però comporta anche un aumento del disallineamento

cristallografico.

Tutti i processi di rafforzamento comportano un aumento delle caratteristiche resistenziali (R ,

m

Rp , HV, KV), ma un calo della duttilità (quindi abbiamo un allungamento percentuale minore).

02

DIAGRAMMI DI MISCIBILITÀ DELLE LEGHE BINARIE

In una soluzione i componenti possono essere chiamati costituenti.

La varianza indica il numero di gradi di libertà di un sistema.

Regola di Gibbs o della Varianza: V = C + m – f

i

Dove:

• V = varianza;

• C = componenti chimici (effettivamente) indipendenti; equivale al numero di componenti

i

totali del sistema, meno il numero di relazioni che intercorrono tra di essi;

• m = numero di fattori fisici del sistema (sono al massimo 2: pressione e temperatura);

• f = numero di fasi del sistema;

Le fasi all’interno di un sistema posso andarle a definire, dichiarando fase un qualsiasi volume

della materia dove ho:

• identità dello stato di aggregazione;

• identità di composizione chimica;

• stessa condizione dei parametri efficienti;

Per le leghe metalliche binarie (in generale vale per tutte le leghe binarie), la regola di Gibbs può

essere semplificata a V = 3 – f ,infatti, C sarà sempre uguale a 2 (dato che la lega è binaria) e m

i

sarà sempre uguale a 1, in quanto eseguendo le trasformazioni a pressione atmosferica, e quindi

costante, l’unico parametro che potrà variare sarà la temperatura.

Seguendo lo stesso ragionamento, per i metalli puri si arriva ad avere che V = 2 – f .

Tutti i metalli e le leghe metalliche, allo stato liquido presentano totale miscibilità, come succede

per alcool e acqua, mentre allo stato solido si possono avere queste tre diverse situazioni: totale

miscibilità, parziale miscibilità, totale immiscibilità.

Per questo motivo si ottengono 3 diversi grafici tipo per le tre diverse condizioni. In tutti questi

grafici si può però identificare una:

- linea del liquidus: luogo geometrico dei punti dove inizia la fase di solidificazione;

- linea del solidus: luogo geometrico dei punti dove termina la solidificazione;

Per le leghe metalliche la solidificazione avviene in un intervallo di tempo e di temperatura (detto

intervallo di solidificazione), mentre per i metalli puri è istantanea ed avviene ad una data

temperatura che può variare da metallo a metallo.

Durante la fase di solidificazione il metallo restituisce all’ambiente il calore latente di fusione Q L

ovvero il calore che è servito (e che quindi il metallo ha assorbito) nella fase di fusione.

Di fianco al diagramma di miscibilità di una lega binaria si traccia sempre un grafico temperatura-

tempo sul quale viene tracciata la curva di raffreddamento eseguita.

Su questa curva si può notare che durante il tratto di solidificazione, la curva presenta un

andamento orizzontale (nel caso delle zero-varianza) o con pendenza ridotta rispetto al primo

tratto di grafico (ovvero quello che dalla fase di liquido arriva fino alla linea del liquidus); questa

variazione è dovuta alla varianza e anche al calore latente di fusione che il metallo restituisce

durante questa fase.

In una curva di raffreddamento, in corrispondenza della linea eutettica ed eutettoidica, il sistema

prevede sempre la zero-varianza, quindi la curva presenterà un tratto orizzontale.

N.B: Nei diagrammi di solidificazione vengono sempre e solo tratteggiati i campi monofasici solidi.

Non legare mai la varianza alla pendenza della curva di raffreddamento tranne per il caso

dell’