Appunti di Metallurgia e materiali non metallici

2017/2018

Appunti di Metallurgia e

materiali non metallici

POLITECNICO DI MILANO PROF. CARLO MAPELLI

GABRIELE MAZZOLARI

METALLURGIA E MATERIALI NON METALLICI

POLITECNICO DI MILANO - FACOLTA’ DI INGEGNERIA INDUSTRIALE

Metallurgia e materiali non metallici

Introduzione (chimica)

I metalli

I metalli occupano i primi due gruppi della tavola periodica (metalli alcalini e alcalino-terrosi), i lantanidi

(terre rare) e gli elementi dei gruppi 3-12 (con orbitali d e f incompleti) e sono circa il 60-70% degli elementi

totali.

Sono materiali inorganici reperibili in natura quasi esclusivamente legati ad elementi ossidanti (cloruri,

fluoruri, ossidi, solfuri,…), elementi dai quali devono essere separati per ottenere materiali con le proprietà

di interesse industriali (metalli puri).

Nei metalli gli atomi sono legati da legami metallici (legame debole, a

bassa energia), basato sulla condivisione della nuvola elettronica. Ciò

conferisce ai metalli:

 Ottima conducibilità termica ed elettrica (legata alla mobilità

della nuvola elettronica);

 3 3

Alta densità (Fe: 7850 Kg/m , Cu: >8200 Kg/m , Al: ~2400

3

Kg/m “light metals”).

I metalli sono potenzialmente riciclabili “all’infinito”, con solo piccole

perdite ad ogni ciclo.

I materiali polimerici

I materiali polimerici sono di natura organica (catene di carbonio tetravalente), a bassa

3

densità (~1000 Kg/m ), costituiti dalla ripetizione lineare di parte elementare

(monomero) tenuti insieme da legami covalenti (alta energia associata quindi pessimi

conduttori di calore ed elettricità). Essi sono scarsamente riciclabili ed infiammabili.

I legami chimici

Legame covalente: legame che si instaura tra due atomi tramite la condivisione dei una coppia di elettroni,

discreta energia associata

Legame ionico: cessione di elettroni da parte di un atomo (catione) acquistati da un altro (anione) e

successiva attrazione tra i due atomi (forza di Coulomb) e formazione di un reticolo ionico, avviene fra metalli

3

e non metalli. Dà origine a materiali poco densi (~2500 Kg/m ), pessimi conduttori di calore ed elettricità.

Legami di Van der Waals (legame dipolo dipolo): avvengono nei polimeri, responsabili della compattezza

della struttura compattando le lunghe catene le une sulle altre.

Bassa energia di legame → materiali duttili e malleabili

Proprietà dei materiali

Duttilità: proprietà di un materiale di deformarsi prima di arrivare alla frattura

Resistenza: resistenza alla deformazione

Tenacità: quantità di energia che il materiale riesce ad assorbire e dissipare prima di fratturarsi.

Stati fisici della materia

 Solido

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 Liquido

 Gas

 Plasma (gas ionizzato)

Stato solido

Cristallo: ripetizione precisa e periodica nello spazio di atomi o gruppi di atomi

Solido amorfo: solido in cui manca la ripetizione periodica della cella elementare (ripetuta solo poche volte,

2-3 massimo, “short ordered solids”). Se densi e a bassa ripetizione essi sono trasparenti (es. vetro)

Reticolo cristallino: costruzione teorica che indica la posizione nello spazio degli atomi ripetuti

Cella elementare: struttura tridimensionale fondamentale del reticolo cristallino, che si ripete nello spazio

Celle elementari di Bravais

Sono i soli 14 modi di realizzare strutture con atomi (considerati sfere) che siano in contatto tra di lorocon

ordinamento periodico nello spazio.

Cubo semplice (SC)

Cubo a facce centrate (FCC): è la struttura di Alluminio, Rame, Oro ed Acciai Austenitici

Cubo a corpo centrato (BCC): è la struttura di Argento, Piombo, Titanio β ed Acciai al carbonio non trattati

termicamente

Tetragonale a corpo centrato (BCT): è la struttura degli Acciai Martensitici

Prisma esagonale (H): è la struttura del Titanio α e dello Zinco

Leghe metalliche

Lega metallica: soluzione chimica allo stato liquido o solido non stechiometricamente precisa. Il solvente è il

metallo di base, i soluti sono gli elementi alliganti.

Difetti di punto nei cristalli a) Atomo mancante

b) Atomo interstiziale: atomo più piccolo degli atomi della

matrice che si insinua negli spazi lasciati vuoti senza sostituire alcun

altro atomo (es. C, N nell’acciaio)

c) Atomo sostituzionale piccolo

d) Atomo sostituzionale grande

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Difetti di linea dei cristalli

Sono variazioni nella periodicità della struttura nello spazio. Attraverso una linea (linea di dislocazione) si

possono distinguere le diverse orientazioni dei cristalli nella zona in esame. Ciò comporta sforzi e tensioni nel

cristallo che portano ad una diminuzione della resistenza generale del materiale. Essi possono essere:

1. A vite

2. A spigolo

3. Miste spigolo-vite

Difetti a vite

Consistono in porzioni di cristallo che

presentano un disassamento, ovvero una

frattura già iniziata, simile nella forma ad

una cerniera lampo. La linea di

dislocazione è parallela alla direzione della

forza applicata per aumentarla.

Difetti a spigolo

Consistono in un semipiano cristallino “in

eccesso” rispetto alla costruzione perfetta

del cristallo. La linea di dislocazione è

perpendicolare alla direzione di

applicazione dello sforzo esterno per

aumentarla.

Difetti misti spigolo-vite

La linea di dislocazione è posizionata a 45° rispetto alla direzione dello sforzo.

Conseguenze del movimento delle dislocazioni

Quando le dislocazioni si muovono il materiale si deforma in modo permanente (deformazione plastica).

Deformazione plastica: deformazione irreversibile non recuperabile all’atto di rimozione del carico applicato

che l’ha causata.

Le dislocazioni sono pressochè immobili in vetri e ceramiche (legame ionico troppo forte), parzialmente

mobili nei materiali plastici e dipendente da diversi fattori nei metalli.

Variazione del numero delle dislocazioni

Le dislocazioni possono variare in numero a seguito di:

 Incontro di due dislocazioni di segno opposto. All’incontro, due dislocazioni di segno opposto

tendono ad annullarsi (es. a spigolo).

 Incontro di due dislocazioni di segno concorde. All’incontro, due dislocazioni di segno concorde

tendono ad ostacolarsi e respingersi (es. a spigolo).

 Proliferazione delle dislocazioni. Quando una dislocazione incontra un ostacolo che non può

attraversare (es. precipitato ionico), essa si moltiplica secondo un movimento bivalve (meccanismo

di Frank Read).

Geminazione (deformazione militare)

Deformazione militare: trasformazioni che non implicano nucleazione e accrescimento.

Si tratta di un movimento corale e istantaneo di una porzione significativa di materia, con un rilascio di un

grande quantitativo di energia. Tali trasformazioni avvengono negli acciai di sicurezza e antiperforazione, che

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riescono a dissipare l’energia del colpo subito tramite questo tipo di trasformazioni cui segue un indurimento

istantaneo (es. acciaio delle casseforti).

Prova di trazione

La prova di trazione (norma UNI EN 10002) serve a definire resistenza e

duttilità di un materiale. Si esegue attraverso la macchina in figura che esegue

una trazione su di una provetta di materiale fino alla rottura della stessa,

misurando la forza applicata e l’elongazione della stessa.

Provetta utilizzata

La provetta utilizzata può essere a sezione tonda o rettangolare, di sezione

maggiore alle estremità per permettere una buona presa alle

morse della macchina. Le misurazioni vengono effettuate sul

tratto , pertanto la prova è invalidata se la frattura avviene

0

al di fuori dal tratto indicato.

= √

0 0

= 5 ∙

0 0

= 5,65 ∙

√

0 0 0

Il tratto elastico

Il limite elastico

Il limite elastico è la forza massima applicata entro

la quale il materiale si comporta in modo elastico

(una volta rimosso il carico, il materiale riprende la

forma originaria). È definito dal rapporto tra la forza

applicata e la superficie della provetta. Si tratta del

primo tratto rettilineo del grafico sforzo-

= ∙

deformazione definita dall’equazione ,

dove E è il modulo elastico, è l’allungamento

−

∆ 0

= =

relativo .

0 0

= [ ]

2

0 E

Modulo elastico di Young

Il modulo elastico E indica la rigidezza del materiale, maggiore è, maggiore è rigido il materiale. Misurato in

[] = [ ]. È importante poiché governa l’assorbimento di energia in campo elastico. Un materiale molto

2

rigido tende a non dissipare l’energia delle vibrazioni, trasmettendole senza smorzarle.

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Il carico di snervamento

Il carico di snervamento è il riferimento ingegneristico per la progettazione. È il limite che segna la transizione

da una deformazione elastica ad una di tipo plastico. È il limite oltre il quale il pezzo si deforma

irrimediabilmente.

= [ ]

2

0

Il tratto plastico

Il tratto plastico, definito dal punto di snervamento fino

alla rottura della provetta, è il tratto in cui il materiale,

sottoposto ad una forza, si deforma in modo irreversibile.

Il tratto plastico è definito dall’equazione

= ∙

è il modulo di rafforzamento del materiale. è il

coefficiente di incrudimento del materiale.

La strizione avviene dal punto massimo sforzo applicato dalla macchina fino

a punto di rottura. In conseguenza di ciò, dopo la curva decresce in quanto,

strizionando, diminuisce la sezione del corpo e quindi la sezione resistente,

anche se il rapporto continua ad aumentare.

Il carico di rottura, per questioni di sicurezza viene preso nel punto di massimo

(Universal Tensile Strenght, R ).

m

∝ à ∝ à ( )

Se scaricato oltre il punto di snervamento, il materiale scenderà secondo un tratto parallelo al tratto elastico.

n

Coefficiente di incrudimento

è il coefficiente di incrudimento del materiale, indica l’omogeneità di deformazione del materiale ed è

quindi importante nelle lavorazioni che implicano una deformazione permanente del materiale (stampaggio,

trafilazione, ecc.). Apprezzabile se ≥ 0,2 per gli acciai.

R p02

Il punto assunto come carico di snervamento di un materiale, dove non è chiaramente distinguibile il tratto

elastico dal tratto plastico, è ottenuto intersecando il tratto plastico con una retta parallela al tratto elastico

e distante da esso 0,2% dell’allungamento totale.

Grafico della trazione Grafico tipico di materiali metallici

Grafico tipico di materiali metallici con duttili ma con basso coefficiente di

cella cubica a facce centrate, con incrudimento, dovuta al tratto piano.

transizione continua tra il tratto Tale tratto è dovuto

elastico e plastico. all’invecchiamento dinamico.

Grafico tipico di materiali metallici con

Grafico tipico di materiali metallici bassa duttilità, alto-resistenti ma

duttili ma con struttura non a cella scarsamente deformabili.

cubica a facce centrate.

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Invecchiamento dinamico: sintomo di deformazioni eterogenee del materiale. Grani diversi si deformano in

modo diverso (è un problema). Dovuto alla presenza di atomi interstiziali.

Il carico di rottura

Il carico di rottura è il carico massimo sopportabile dal materiale per unità di superficie (fino alla rottura

appunto).

= = [ ]

2

0

L’allungamento percentuale

È indicatore della duttilità di un materiale. Si calcola come:

− ∆

0

= ∙ 100 = ∙ 100 =

0 0

Strizione

È indicatore di quanto un materiale riduca la sua sezione prima di rompersi quando sottoposto a trazione.

Importante nei processi di piegatura. −

0

= ∙ 100

0

Tenacità (toughness)

È calcolabile come l’area sottesa alla curva sforzo deformazione, ma non certificabile in questo modo in

quanto esistono materiali ad alta tenacità ma con ridotta curva sforzo-deformazione (materiali con cristalli

molto piccoli). Indica la quantità di energia assorbibile e dissipabile da un materiale prima della rottura.

Prova di durezza

Durezza: attitudine (resistenza) di un materiale alla deformazione plastica superficiale, influenza la resistenza

all’usura, alla corrosione, al taglio e all’incisione.

Definita per i minerali dalla scala di Mohs.

Divisa in prove di rigatura (scratch test) e prove statiche.

Le prove statiche si basano sul misurare l’impronta di un penetratore su un materiale. Si dividono in prova

Brinell (HB), prova Vickers (HV), [e prova Knoop (HK)], prova Rockwell.

Prova Brinell (HB)

 Tipo di penetratore: sfera

 Diametro sfera: D = 1, 2, 5, 10 mm

 Materiale sfera: acciaio indurito, carburo di tungsteno (widia)

 Carico applicato: P = 500-3000 Kg (perpendicolare alla superficie, costante e non impulsivo)

 Tempo prova: 10-30 s

 HB

5/2500/20

È definita dal rapporto tra la forza applicata e l’area dell’impronta lasciata

dalla sfera. 2

= =∙

2 2

∙ ( − √ − )

è la forza applicata

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è il diametro della sfera

è il diametro dell’impronta

0,25 < < 0,50

Poiché la prova sia valida

Vi è una relazione diretta tra il carico di rottura e la durezza Brinell:

3,3 ∙ = []

(

∙ 0,75 0,8) = ( )

Vincoli di esecuzione:

 Spessore campione = 8h (profondità dell’impronta)

 Distanza tra centro dell’impronta e bordo del campione = 2d

 Distanza tra due centri = 3d

Prova Vickers (HV)

 Tipo di penetratore: piramide base quadrata

 = 136°

Angolo interno piramide: poiché angolo tra le tangenti di una sfera

0,25 < < 0,50

quando

 Materiale piramide: diamante

 Carico applicato: P = 5-120 Kg (perpendicolare alla superficie, costante e non

impulsivo)

 Tempo prova: 10-30 s

 HV

5/20 136

2 sin ( )

2

= = ∙ = 1,854 ∙

2 2

è la diagonale della piramide

Vincoli di esecuzione:

 Spessore (t) del campione = 1,5d;

 Distanza tra centro dell’impronta e il bordo campione: 2,5d per Fe e Cu, 3d per Al, Pb e Sn;

 Distanza tra centri di due impronte: 3d per Fe e Cu, 6d per Al, Pb e Sn.

= fino a circa 450 HB

Prova Rockwell (HR)

 Tipo di penetratore: cono di 120° (C/N) o sfera (B/T)

 Materiale penetratore: diamante (cono) o acciaio temprato (sfera)

 Carico applicato:

o Carico preliminare F (98 N per C e B, 29,4 N per N e T)

0

o Secondo carico F (da 117,6 N per N e T a 1372 N per C)

1

 Tempo prova:

o < 3 s precarico

o 1-8 s applicazione carico

o 2-6 s mantenimento carico ℎ

= −

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ℎ è la profondità dell’impronta

è un valore fisso (100 per il cono, 130 la sfera)

è la penetrazione permanente (0,002 mm per C e B, 0,001 mm per N e T)

Prova Knoop (HK)

Conversione delle durezze

Le durezze possono essere convertite tra loro e nei carichi di rottura tramite le seguenti tabelle empiriche,

da usare con moolta cautela.

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Prova di resilienza (K)

Tenacità: energia che un materiale riesce ad assorbire e dissipare prima di una

frattura

Resilienza: resistenza all’urto (legata strettamente alla tenacità, sono quasi

sinonimi) (impact test), in quanto il carico impulsivo (urto) sollecita il materiale

in tutte le frequenze. È inoltre definita come l’energia per unità di volume

assorbita da un materiale portato a rottura per flessione mediante

applicazione di uno sforzo dinamico tale da favorire una rottura fragile.

Viene effettuata con il pendolo di Charpy.