Appunti di Scienza dei materiali e metallurgia

Scienza dei materiali e metallurgia 2021-2022

Dario Munari

Indice

• Legami chimici e struttura dei materiali 4
• 1. Riassunto dei legami chimici 4
• 2. Reticoli cristallini 4
• Difetti reticolari 5
• a. Difetti di punto 5
• b. Difetti di superficie 6
• c. Difetti di linea (dislocazioni) 6
• Meccanismi di deformazione dei metalli 6
• Meccanismi di rafforzamento 7
• 1. Rafforzamento mediante difetti puntuali 7
• 2. Rafforzamento mediante difetti lineari (dislocazioni) 7
• 3. Rafforzamento mediante difetti superficiali 8
• 4. Rafforzamento per alligazione 8
• 5. Ricristallizzazione 8
• Diffusione 9
• Soluzioni solide 10
• Diagrammi di stato 11
• 1. Diagramma di completa miscibilità 12
• 2. Diagramma di completa immiscibilità allo stato solido 12
• 3. Diagramma di parziale miscibilità allo stato solido 13
• 4. Diagramma di parziale miscibilità con peritettica 14
• 5. Segregazione 14
• Diagramma ferro - carbonio 15
• 1. Generalità 15
• 2. Fasi e componenti strutturali degli acciai 15
• 3. Comportamento degli acciai al raffreddamento 16
• 4. Effetto degli elementi di lega sul diagramma Fe-C 16
• Prove meccaniche 17
• 1. Prova di trazione statica 17
• 2. Prova di durezza 19
• 3. Prova di resilienza 20
• 4. Prove di scorrimento 20
• 5. Prove di resistenza alla fatica 20 1
• Microstrutture degli acciai 21
• 1. Generalità 21
• 2. Strutture cristalline fuori dal diagramma di stato 21
• 3. Trasformazione martensitica 22
• 4. Curve isoterme di Bain (TTT) e curve anisoterme (CCC) 22
• Trattamenti termici 23
• 1. Ricottura completa 23
• 2. Ricottura isotermica 24
• 3. Ricottura incompleta (o di coalescenza/di sferoidizzazione) 24
• 4. Ricottura di addolcimento ad alta temperatura (lavorabilità / rinvenimento) 24
• 5. Ricottura di omogeneizzazione (o di diffusione) 25
• 6. Distensione 25
• 7. Normalizzazione 25
• 8. Tempra 25
• i. Tempra classica (o diretta) 26
• ii. Tempra scalare (martempering/marquenching) 26
• iii. Tempra bainitica completa (austempering/ausquenching) 26
• iv. Tempra bainitica parziale 26
•  Temprabilità 26
• 9. Bonifica 27
• Trattamenti termochimici 28
• 1. Carbocementazione 28
• 2. Nitrurazione 29
• Classificazione degli acciai 30
• 1. Elementi di lega 30
• 2. Classificazione UNI EN 10027 31
• 3. Classificazione pratica 32
• a) Acciai da costruzione di uso generale 32
• b) Acciai speciali da costruzione 33
• c) Acciai da utensili 34
• d) Acciai per usi particolari 35
• e) Acciai inossidabili 35
• Caratterizzazione dei materiali 39
• 1. Analisi chimica 39
• 2. Analisi microstrutturale 40
• 3. Indagini strutturali 40 2
• 4. Analisi termiche 40
• 5. Controlli non distruttivi 41
• Ingegneria delle superfici 41
• Superleghe 44
• 1. Generalità 44
• 2. Superleghe a base Nichel 44
• 3. Superleghe a base Cobalto 44
• Titanio e le sue leghe 45
• 1. Proprietà del titanio 45
• 2. Leghe di titanio 45
• Alluminio e le sue leghe 46
• Materiali ceramici 47
• Saldatura (Birello) 49 3

Legami chimici e struttura dei materiali

1. Riassunto dei legami chimici

• a. Ionico: elevata energia di legame, non direzionale
• b. Covalente: energia di legame variabile, direzionale
• c. Metallico: energia di legame variabile, non direzionale
• d. Secondario (Wan Der Waals): bassa energia di legame, direzionale

→ Alcuni gruppi di materiali con legami misti: piccolo α1

• e. Ceramici (I&C): elevata energia di legame, alta T, alto E,m, moderato E, moderato α
• f. Metalli (M): energia di legame variabile, moderata T m, basso E, alto α
• g. Polimeri (C&S): proprietà direzionali, piccola T m

2. Reticoli cristallini

→ Sono tipici di metalli e materiali ceramici, che presentano generalmente una struttura organizzata avente un ordine a lungo raggio. I materiali le cui strutture presentano ordine solo a corto raggio sono detti materiali amorfi.

→ Le strutture organizzate permettono di avere maggior impacchettamento, quindi minore distanza interatomica, quindi minore energia interna al materiale, quindi legame più stabile.

→ = insieme di atomi organizzati in modo regolare che si ripetono all’infinito Struttura cristallina nello spazio. Gli atomi occupano i nodi e possono occupare le facce o il centro.

→ = unità che, se ripetuta, forma il cristallo. È definita tramite i Cella elementare parametri di cella (lunghezze ed angoli della cella elementare) che sono unici per ogni materiale.

→ Ci sono 14 tipi di celle elementari (reticoli di Bravais) organizzate in 7 sistemi cristallini: cubica (semplice, a facce centrate, a corpo centrato), tetragonale (semplice, a corpo centrato), esagonale, ortorombica (semplice, a corpo centrato, a base centrata, a faccia centrata), monoclina (semplice, a base centrata), romboedrica, triclina.

→ Nei cristalli metallici c’è un elevato impacchettamento: dovuto a diversi fattori (un solo elemento = i raggi atomici sono simili; legame non direzionale; le distanze tendono ad essere piccole per favorire la minor energia di legame possibile) e per questo motivo possiedono le più semplici strutture cristalline.

→ Le più importanti nei metalli puri per l’ingegneria sono:

Cubica a corpo centrato

Cubica a corpo centrato ( ): 1. struttura cubica, un atomo per vertice + centrale CCC

• 1- atomi per cella: 2 closed packed directions: diagonali del cubo × + 1],[8 8 42 3
• - numero di coordinazione : 8; FCA = 0,68; = √3
• - metalli: ferro (due interv. di T), cromo, tungsteno, vanadio, molibdeno e alcuni alcalini

Cubica a facce centrate

Cubica a facce centrate ( ): 2. struttura cubica, un atomo per vertice + uno per faccia CFC

• 1 1- atomi per cella: 4, close packed directions: diag. delle facce × + 6 × ][8 8 2 4
• - numero di coordinazione: 12; FCA = 0,74, = √2
• - metalli: ferro (912<T<1396), rame, argento, oro, alluminio, nichel, piombo e platino

Esagonale compatta

Esagonale compatta ( ): 3. atomo per vertice + uno per faccia + tre in un piano tra le 2 EC

• 1 1- atomi per cella: 6 × + 2 × + 3][12 6 2 = 2, = 1.633
• - numero di coordinazione: 12; FCA = 0,74;
• - metalli: magnesio, zinco, titanio (T<882), cobalto, cadmio

1 = temperatura di fusione; E = modulo elastico; α = coefficiente di espansione termica T m

2 Numero di coordinazione di un atomo = numero di atomi primi vicini (in contatto con esso)

3 Fattore di compattazione atomica = (vol.atomi)/(vol.cella) 4

→ Allotropia/polimorfismo: è la capacità di un metallo di assumere diverse strutture cristalline al variare di temperatura e/o pressione. Ogni forma presenta un reticolo ben definito e cambia le proprietà fisiche del metallo (densità, magnetismo, ecc) → (CFC) →1396°C → Es. ferro (CCC) 912°C ferro ferro (CCC) fusione → 4

Siti interstiziali: spazi vuoti del reticolo in cui possono posizionarsi atomi più piccoli

• - CCC: 6 spazi ottaedrici nel mezzo di ciascuna delle facce comuni a due celle o a metà di ciascuno dei dodici spigoli comuni a quattro celle; 12 vuoti tetraedrici che si trovano a metà distanza fra due centri ottaedrici contigui
• - CFC: 4 vuoti ottaedrici al centro del cubo e a metà di ciascuno spigolo; 8 vuoti tetraedrici al centro degli otto piccoli cubi nei quali si può scomporre la cella
• EC: 12 vuoti ottaedrici tra uno “spicchio” di faccia superiore e gli atomi che formano il piano- intermedio della cella vicina; 6 vuoti tetraedrici tra uno “spicchio” e gli atomi nel piano intermedio della stessa cella

NB: il raggio utile dei siti interstiziali è utile per capire quali specie chimiche possono inserirsi

NB: molto importante ricordare che nel CCC ci sono più siti rispetto al CFC

→ Parametri di cella: la struttura può essere descritta con la geometria solida: si usano gli indici di Miller-Bravais. Individuano le direzioni cristallografiche ed i piani cristallografici

→ Sistemi di scorrimento: s.d.s. = piano + direzione di scorrimento; corrispondono alle possibilità di scorrimento degli atomi nei reticoli: in pratica, i piani molto densi di atomi devono essere più interspaziati tra loro e questo permette ad essi di scorrere uno sopra l’altro. Piani e direzioni corrispondono a quelli di massima densità atomica. CCC: 6 piani e 2 direz. per piano (diag. del cubo), CFC: 4 piani e 3 direz. per piano (diagonali delle facce), EC: molto povero di sistemi di scorrimento (quindi tendono alla fragilità)

Difetti reticolari

a. Difetti di punto

• 5i. Vacanze: posizione reticolare in cui manca un elemento. Il reticolo è deformato di conseguenza, e ciò varia le proprietà fisiche. È fondamentale per la diffusione. Il numero di vacanze aumenta con l’aumentare della temperatura del materiale.
• È l’opposto della vacanza: un atomo della stessa specie occupa una ii. Interstiziali: in pratica posizione interstiziale del reticolo e ciò deforma il reticolo. Non sono favoriti energeticamente e quindi sono più rari (NB difetti di Frenkel e di Schottky negli ionici)
• iii. Impurezze sostituzionali: gli atomi del soluto sostituiscono quelli del solvente. Devono rispettare le 4 regole di Hume-Rothery (i diametri non devono differire per più del 15%; le strutture cristalline devono essere le stesse; non devono esserci differenze apprezzabili di elettronegatività; i due elementi devono avere la stessa valenza). Possono formarsi delle particelle di soluto che hanno struttura differente.
• iv. Impurezze interstiziali: si creano solo se il soluto ha raggio atomico nettamente più piccolo del solvente. Gli atomi del soluto si posizionano nei siti interstiziali del solvente. Normalmente non ci può essere più del 10% di soluto.

NB : tutte queste situazioni possono anche presentarsi contemporaneamente1

NB : negli ionici esistono difetti ma il legame ionico e le caratt. dei difetti non consentono la deformabilità2

NB : Possono essere creati per deformazione plastica, per irraggiamento, o per effetto della temp.3

4 Sono presenti anche nei ceramici a struttura ionica, ma in essi non sono molto importanti

5 in realtà non è una vera e propria deformazione fisica ma un cambiamento locale della configurazione elettronica 5

b. Difetti di superficie

• i. Impilaggio: derivano dalla non corretta sequenza di impilaggio dei piani. Possono essere generati da aggregazione di vacanze o di autointerstiziali oppure durante la deformazione plastica. Ad essi è associato un aumento dell’energia immagazzinata nel cristallo, questo comporta che è più facile la ricombinazione delle dislocazioni, quindi è più facilmente deformabile. Tipico della struttura esagonale compatta e del cubico a facce centrate.6
• ii. Bordi grano: sono le regioni in cui i grani sono a contatto fra loro. Hanno tutti lo stesso reticolo ma ognuno è orientato in modo diverso e questo cambia le caratteristiche fisiche del metallo. Ostacolando il movimento delle dislocazioni.
• iii. Piano geminato: è un tipo particolare di bordo grano in cui è presente una simmetria speculare nel reticolo cristallino. Tipica del cubico a corpo centrato.

c. Difetti di linea (dislocazioni)

• 7i. A spigolo: mancanza di una parte di semipiano reticolare (oppure come un semipiano extra), questo genera una distorsione nel reticolo attorno all’asse della dislocazione, che diminuisce più ci si allontana dal bordo del semipiano.
• ii. A vite: è come se la parte superiore del cristallo scivolasse di una distanza interatomica rispetto alla parte inferiore (effetto “scala a chiocciola”).

Meccanismi di deformazione dei metalli

→ Le dislocazioni sono fondamentali per la deformabilità dei metalli: il loro movimento è il meccanismo responsabile per la deformazione plastica

→ Si trasmettono tra un piano e l’altro, spostandosi lungo il reticolo nelle direzioni di massimo impacchettamento. Hanno due movimenti fondamentali:

• - Climb: sforzo assiale, si muove fuori dalla superficie che contiene sia la linea di dislocazione sia il vettore di Burgers; si ha ad alte temperature, dove le dislocazioni a spigolo riescono a muoversi fuori dal proprio piano per effetto dei movimenti dei difetti puntiformi.
• - Glide: sforzo di taglio, si muove sulla superficie che contiene sia la linea di dislocazione sia il vettore di Burgers; si ha a basse temperature (è difficile la diffusione dei difetti puntiformi).

NB: la maggior parte delle dislocazioni reali sono di tipo misto, così come le deformazioni plastiche.

→ Ci possono essere degli ostacoli ai movimenti delle dislocazioni: le impurezze (sostituzionali, interstiziali) interagiscono creando una zona di addensamento attorno alle dislocazioni (atmosfera di Cottrell) che la ancora e ne impedisce il movimento

• - Sostituzionali più grandi del solvente: si dispongono nella zona dilatata
• - Sostituzionali più piccoli del solvente: si dispongono nella zona compressa
• - Atomi interstiziali: si dispongono nella zona dilatata

→ Le dislocazioni possono superare gli ostacoli in diversi modi, che dipendono dalle caratteristiche fisiche delle due fasi, dalla temperatura e dallo sforzo applicato

→ Ogni piano di scorrimento è infilato da numerose dislocazioni, che vanno a formare una foresta di dislocazioni (forest dislocations). Al procedere della deformazione lo scorrimento comincia anche sugli altri sistemi e quindi aumentano le disl. a foresta: come risultato, il cristallo incrudisce e si deforma.

6 grano = nome tecnico di un cristallo in un reticolo metallico

7 è come se fossero un taglio o un inserimento di un semipiano nel cristallo 6

Meccanismi di rafforzamento

I metalli, per via del legame non direzionale, hanno come caratteristica un facile moto delle dislocazioni nella loro struttura cristallina; ciò comporta dunque una buona deformabilità. Rafforzare un metallo in genere si intende l’innalzamento del limite elastico 8 (quindi aumentare sforzo di snervamento, sforzo massimo e durezza). Per fare ciò bisogna introdurre un fenomeno che ostacola lo scorrimento delle dislocazioni; in generale questo si ottiene aumentando i difetti reticolari, che creano barriere energetiche nella microstruttura.

1. Rafforzamento mediante difetti puntuali

→Le vacanze, alle basse temperature (anche t. ambiente) tendono a raggrupparsi in cluster formando centri di distorsione nel reticolo. Le dislocazioni per superarli hanno bisogno di sollecitazioni supplementari, il che equivale ad un aumento dello sforzo di snervamento.

→Due metodi: (che “ghiaccia” gli atomi nel punto in cui sono, così tempra da temperature elevate da conservare le vacanze che abbondano ad alte temp) e bombardamento nucleare (neutroni creano vacanze colpendo il reticolo)

2. Rafforzamento mediante difetti lineari (dislocazioni)

→ Il grafico del carico di snervamento in funzione della densità di deformazioni è un paraboloide con un minimo (corrisponde alla densità critica ottenuta dopo trattamento di ricottura profonda). Sia a sx che a dx del punto critico si ottiene un rafforzamento. Aumentano le caratteristiche di resistenza (durezza, carico di snervamento) mentre diminuiscono quelle di duttilità, tenacità, conducibilità elettrica e resistenza a corrosione e si rischia anisotropia del materiale (con eccessiva deformazione). Questo è dovuto al fatto che l’aumento delle dislocazioni comporta un maggior contenuto energetico sotto forma di un notevole stato tensionale dovuto alla loro interazione reciproca.

→ La relazione quantitativa tra limite elastico = + √e densità di dislocazioni è data da 0 (nell’ordine: lim. di snervamento, sforzo critico di taglio del materiale non incrudito, coefficiente di incrudimento [dipende dal materiale], Se la densità di dislocazioni è sopra a modulo elastico tangenziale, modulo del vett. di Burgers, densità delle dislocazioni).12 1310 − 10 il metallo diventa troppo fragile

→ Si ottiene con la deformazione plastica a freddo (incrudimento). Il materiale viene sollecitato fino a superare il carico di snervamento ma non oltrepassando quello di rottura. È usato principalmente nei metalli puri e nelle leghe che non possono subire trattamenti termici. L’incrudimento causa una moltiplicazione delle deformazioni attraverso il meccanismo di Frank-Read: deriva dal meccanismo ad un’impurità, che viene avvolta da una di Orowan (formazione di deformazioni circolari intorno dislocazione di passaggio creandone una nuova permanente), e prevede che la deformazione di incrudimento faccia deformare la dislocazione, che diventa curva; all’aumentare dello sforzo, la dislocazione diventa un anello che circonda quella originale, che torna ad essere lineare, ed ecco che si è generata una nuova dislocazione.

→ Tecnologie di deformazione a freddo: ci sono diverse tecniche per produrre una deformazione a freddo in un metallo (laminazione, forgiatura, trafilatura, estrusione, imbutitura, stiropiegatura, piegatura). È possibile calcolare la percentuale di deformazione richiesta per ottenere il rafforzamento voluto. L’anisotropia è dovuta al fatto che i grani si “comprimono” e diventano “filamentosi”; si ottengono dei grani fortemente orientati con la comparsa di piani cristallini preferenziali di scorrimento. Anche il carico di snervamento diventa anisotropo. Anche le seconde fasi sono deformate nel processo, e ciò (se esse sono fragili) può introdurre delle cricche che si propagano nel reticolo.

8 tensione che un materiale può sostenere prima di essere deformato in modo permanente 7

3. Rafforzamento mediante difetti superficiali

→ I bordi grano favoriscono un accumulo delle dislocazioni impedendone lo spostamento. Più piccoli sono i grani, più i bordi sono estesi e quindi ci saranno più ostac