Appunti di metallurgia

Materiali per la formattazione dei metalli

DUPLEX Presenza simultanea di ferrite (30-60%) ed austenite (70-40%). Bilanciamenti nel tenore di Cr, Ni e Mo. Migliorano la resistenza alla corrosione (protezione catodica). Se si aggiunge più austenite si hanno resistenze più basse e allungamenti più alti. PH (Precipitation Hardening) Sfruttano il meccanismo di rafforzamento per precipitazione. Si aggiungono elementi (Ti, Nb, Cu, Al) solubili ad alta T, ma che formino precipitati a bassa T. Presentano elevata durezza e resistenza (oltre 1000MPa). ELI (extra low interstitials → a basso tenore di interstiziali) Contengono una percentuale molto bassa di C (decine di ppm) e di altri elementi interstiziali. Migliora la resistenza meccanica e alla corrosione. Fase sigma Per elevate concentrazioni di Cr è possibile che si formi la fase sigma. - La formazione della fase σ diventa importante per T>600 °C e scompare per T>800 °C. - La presenza della fase σ aumenta la durezza e la resistenza.ma diminuisce la tenacità. Porta ad una riduzione della resistenza alla corrosione. fase intermetallica che si innesca se aggiungo troppo Cr. Devo stare attenta a gestirne la formazione. Il Cr che doveva essere disperso con il Fe va a formare la fase σ e il Fe è soggetto alla corrosione. Saldatura di acciai inox: è un processo molto particolare dal punto di vista della microstruttura. Quando ho unito le due parti e tolto la fonte di calore, la velocità di raffreddamento dipende dalle condizioni al contorno. Se ho un punto in cui vado ad una certa T° al cordone di saldatura la parte più vicina subisce un trattamento termico. È possibile che se ho un inox in quelle zone ho una precipitazione locale di carburi → lascia il ferro privo di cromo ed è facilmente attaccabile. Per evitare il problema si aggiungono piccole quantità di un elemento molto carburigeno, come il titanio in modo tale che sia quest'ultimo a precipitare.

Questo diagramma mostra come, partendo da un acciaio 304 e variandone la composizione, si ottengono acciai con caratteristiche diverse.

Le ghise sono leghe ferrose che contengono più del 2% di C e circa 1-3% di Si. Hanno una bassa temperatura di fusione (1130-1250 °C) e sono tipiche leghe da fonderia.

• Le ghise sono caratterizzate dalla presenza di carbonio sotto forma di grafite (a parte le ghise bianche). Spesso si ha anche la presenza di cementite ed altri carburi.
• La presenza di C e Si (ed eventualmente P) viene quantificata mediante il CARBONIO EQUIVALENTE (CE).
• Si aggiungono elementi grafitizzanti, come il Si, per promuovere la formazione di grafite. Con il 2% di C ottengo la massima solubilità di C nell'austenite, per concentrazioni superiori al 2% il sistema passa sull'eutettico. Ci collochiamo intorno all'eutettico perché le ghise sono leghe destinate alla fonderia.

Diagramma pseudobinario Fe-C-Si Si 2%. Molto simile al diagramma

Fe-C ma non abbiamo la stessa costanza di certe trasformazioni. Il Si è un alfogeno e a basse concentrazioni di C stabilizza l'abcc→ riconosciamo la presenza di fase austenitica. T° eutettico sdoppiata intorno al 3.5% C. L'aggiunta di Si tende a spostare la composizione dell' eutettico a→ sinistra %C meno alta. Carbonio equivalente: dato la composizione della ghisa vado a definire una concentrazione di C che posso usare andando a definire il diagramma Fe-C. Ghisa con 3% Si: CE=%C+%Si/3 mi dice quello che sarebbe il C in un sistema binario. Attraverso il sistema binario posso trattare un sistema multicomponente come se fosse un bicomponente.

Formazione ghisa: Partiamo dalla composizione eutettica 4-5% C 1500°C circa. L' eutettico da liquido passa a 2 fasi solide: austenite sovrapposta a grafite che rappresenta una fase stabile. La grafite è quella disegnata in nero circondata da austenite grigia a contatto con il liquido. Completata la trasformazione abbiamo

Un sistema a 2 fasi → austenite+grafite. Raffreddando progressivamente l'austenite segue la linea di solubilità del C e si forma la perlite. Al termine della trasformazione abbiamo grafite circondata da perlite. A T° ambiente avremo un sistema trifasico. La ghisa sarà costituita da grafite circondata da perlite con composizione corrispondente allo 0.8%C. Possiamo vederlo come un materiale composito. Per la formazione di una ghisa dobbiamo tenere conto di:

• Gestione processo di solidificazione: determina la morfologia della grafite
• Gestione di ciò che sta intorno alla grafite, che è un acciaio

Le proprietà meccaniche dipendono dalla microstruttura di grafite e matrice ferrosa, sono definite dalla composizione della ghisa che scegliamo e dalla velocità di raffreddamento.

Nucleanti: sostanze che promuovono la formazione di grafite.

Sferoidizzanti: danno forma sferica alla grafite.

Parametri che determinano le proprietà.

Le meccaniche sono: la forma della grafite, la sua distribuzione e la sua dimensione.

Classificazione grafite

Conosciamo 2 forme stabili del C: diamante con legami di tipo sp3 e grafite con legami di tipo sp2. La grafite è costituita da strutture di tipo lamellare, C di tipo esagonale con legami sp3 i vari esagoni sono tenuti tra loro da legami pigreco. I fogli possono rinchiudersi su loro stessi a formare tubi o sfere (fullereni).

La grafite tende a crescere sotto forma di fogli, la forma tipica è a rosette, sembra un bocciolo di rosa che cresce:

Quando si deve fare una foto di un campione, lo si ingloba, si seziona e ne si fa l'analisi. Ci si aspetta di vedere una serie di lamelle che corrisponde ai fogli tagliati. Se i petali sono sottili vuol dire che i foglietti si sono allargati in dimensione ma non in spessore.

La morfologia è definita come nella seguente tabella. Quando la rosetta cresce tra un foglio e l'altro c'è perlite, se la crescita

è rallentata le rosette sono più simili a dei noduli. Se la crescita è inibita abbiamolamelle più spesse e con punte arrotondate. Se la grafite non riesce a sviluppare la ramificazione, la si trovaaggregata sottoforma di flocculo. Il flocculo può essere frastagliato (se ha un po’ di ramificazioni) oppurecompatto (come dei noduli→ sferoidi).

Sferoidi: ghise sferoidali. Se ho un sistema 3D con sfere distribuite in modo casuale e seziono, se lo sferoideè tagliato solo in punta vedo un cerchio più piccolo ma non vuol dire che lo sferoide di partenza era cosìpiccolo.

Perché fare lo sforzo di passare da una lamella ad una sfera? Perché posso modificare le proprietàmeccaniche di una ghisa.

Frattura: a partire da una superficie si ha la formazione di una cricca, se la cricca si muove all’interno di unaghisa e si infila in una lamella vede grafite e non più acciaio→ usata come lubrificante solido.

Se la puntadella lamella è aguzza la cricca arriva alla punta dove si ottiene una concentrazione di sforzi. Quindi la criccasi muove molto rapidamente nelle lamelle, di conseguenza il materiale sarà più fragile.Nello sferoide la cricca arriva e cambia il raggio di curvatura, viene in qualche modo bloccata e si puòmuovere solo se il carico risulta elevato. Quindi le ghise sferoidali sono meno fragili e hanno maggioreduttilità. Gestendo la forma della grafite posso guidare le proprietà meccaniche di un materiale passandoda un comportamento più fragile ad uno più duttile. Queste ghise si ottengono aggiungendo sostanze chepromuovono la formazione di ghisa con forma sferoidale. Si promuove lo sviluppo dei fogli forzandoli astare uno sopra l'altro (ad esempio gli strati della cipolla). Per forzare vado ad aggiungere deglisferoidizzanti che sono delle sostanze che se introdotte al liquido della ghisa tendono a dare queste

forme.

Distribuzione grafite

La distribuzione della grafite può essere: omogenea oppure aggregata in certe zone

Grafite non omogenea: ipoeutettico→ tocco prima la liquidus che forma austenite primaria e il sistema è poi portato all'orizzontale eutettica→ si forma dendrite, dettata dalla direzione di cresita del cristallo all'interno del liquido. La direzione di crescita preferenziale è allineata lungo uno degli spigoli del cubo. Se la crescita non è omogenea ma è sviluppata su una direzione cristallina mi aspetto una crescita del tipo: crescita dell'austenite. Avviene spesso nelle condizioni di solidificazione. La forma del dendrite tende a seguire la direzione del gradiente termico, si forma solo in determinate condizioni. La grafite si forma in lamelle nello spazio interdendritico. Misurando le braccia della dendrite posso misurare la velocità con cui si è formata.

La coppia forma/distribuzione mi porta ad avere

Il carbonio non è presente come grafite, ma come cementite o altri carburi.

• Si ottengono con elevate velocità di raffreddamento
• Vengono stabilizzate dalla aggiunta di Cr, Ni, Mo
• Molto dure e fragili. Alla frattura presentano una superficie bianca
• Molto resistenti alla abrasione ed alla usura
• Spesso soggette a trattamenti di distensione

Eseguo raffreddamento senza formazione di grafite, si forma ledeburite, tutto ciò che sta intorno ad alta T° è austenite che poi raffreddando si trasforma in perlite. Le ottengo riducendo il contenuto di grafitizzante(Si), si esegue una riduzione di grafite formando cementite. Rapido raffreddamento, solidifica ad alta velocità, non dà il tempo alla grafite di formarsi e si forma cementite. Si chiamano bianche, perché non ho il nero della grafite. Rare volte la ghisa bianca è utilizzata così, il più delle volte è usata come passaggio.

Per ottenere le ghise