Appunti di Tecnologia dei Materiali da Costruzione - Prof. G. Maizza

TECNOLOGIA DEI MATERIALI DA COSTRUZIONE – METALLURGIA

PANORAMICA DEGLI ARGOMENTI TRATTATI

• Diagrammi di stato Fe-Fe3C

• Normativa per acciaio ad uso strutturale

• Metodi di rafforzamento

• Comportamento a frattura

• Processi di produzione

• Trattamenti termici

• Saldature

• Corrosione e protezione

INTRODUZIONE

Compito dell’ingegnere è operare una scelta responsabile e sostenibile dei materiali, consentendo una

progettazione affidabile, con l’obiettivo di mitigare l’impatto di eventi naturali avversi sulle opere costruttive.

La progettazione deve ricercare, inoltre, il preservamento delle strutture/infrastrutture nel tempo (corrosione,

interazioni del materiale con l’ambiente, usura, degrado dei materiali)

Prestazioni delle strutture

Le prestazioni di una struttura sono combinazione di caratteristiche geometriche e proprietà dei materiali:

rigidezza, resistenza, tenacità (=prevenzione alla propagazione di cricche), peso.

Rispetto ai materiali, le prestazioni strutturali dipendono da:

à

- Processo produttivo che determina la microstruttura

à

- Dimensione e forma proprietà che variano con lo spessore

- Purezza delle leghe à

- Condizioni di impiego temperature, deformazioni, condizioni ambientali

Gli acciai costituiscono una delle migliori soluzioni tecnologiche ad oggi disponibili in termini di prestazioni,

basso costo, sostenibilità e versatilità nell’uso.

Microstruttura

Ogni elemento che costituisce la microstruttura è detto componente (metallo puro o composto). A determinare

la microstruttura è la natura del materiale, nonché il suo processo di solidificazione/formazione.

Forze applicate a materiali caratterizzati da difetti a diverse scale, ogni opposizione al moto di tali dislocazioni

è da considerarsi un incremento di resistenza meccanica del materiale.

I processi manifatturieri di produzione possono generare difetti di deversa:

- Natura

- Scala e dimensioni: macroscopici (pori, inclusioni), microscopici (fasi), reticolari (a livello nanoscopico)

- Geometria

PROPRIETÀ DEI METALLI E DELLE LEGHE

Nei materiali, gli atomi sono soggetti a forze di

repulsione/attrazione coulombiane, che si

controbilanciano ad una distanza x0 (o r0), detta

distanza di equilibrio, tra gli atomi stessi. Per

distanze maggiori di x0 prevale la repulsione e

viceversa per distanze minori: tale modello può

considerarsi approssimato per i metalli.

ENERGIA DI LEGAME

La forza scambiata tra gli atomi è interpretabile

come energia di legame; in condizioni di equilibrio,

nel punto di minima energia, la forza è nulla (cioè

le forze si controbilanciano). Sulla curva che

relaziona la forza all’energia di legame, i segmenti

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che tagliano la curva indicano la temperatura corrispondente al livello di energia indicato dalla curva.

L’energia di legame è proporzionale alla pendenza della curva: legami più forti daranno luogo a pendenze

maggiori, e quindi modulo elastico maggiore.

COEFFICIENTE DI DILATAZIONE TERMICA

In corrispondenze dei segmenti, si è detto, gli atomi oscillano alla corrispondente temperatura. Più la curva è

lunga e stretta (elevato modulo elastico) più le oscillazioni sono simmetriche attorno alla distanza di equilibrio,

quasi coincidente con la distanza di equilibrio. Questi materiali non risentono della temperatura (altofondenti).

Se, al contrario, la distanza di equilibrio si sposta da r0, la curva è meno profonda (e quindi asimmetrica) e il

à

metallo risulta sensibile alla temperatura (bassofondenti) dipendenza dal coefficiente di dilatazione termica.

Anisotropia della struttura cristallina

Pur nella sua omogeneità, la struttura cristallina presenta una propria anisotropia:

infatti, differenti direzioni cristalline favoriscono differenti modi di impaccamento degli

atomi, dando luogo ad anisotropia a scala cristallina (ad esempio, deformazioni

elastiche o plastiche a seconda della direzione di applicazione della sollecitazione).

Il grado di anisotropia dipendente dalla struttura cristallina varia a seconda del tipo

di materiale considerato. Si vedrà se e come tenerne conto a scala macroscopica

per leghe prodotte su scala industriale; microstrutture da getto e microstrutture

sottoposte a laminazione presentano forti anisotropie, creando piani preferenziali di

deformazione.

Esempi di E per leghe metalliche

à

- Alluminio il modulo elastico non varia particolarmente rispetto ai tre piani; si

può assumere un valore medio di E

à

- Rame, ferro fortemente anisotropi

à

- Tungsteno fortemente altofondente, il modulo elastico rimane uguale in tutte

le direzioni Figura 1: Polimorfismo del

ferro in funzione della

Formazione di leghe metalliche (Humè-Rothery: soluzioni solide) temperatura

Alcuni metalli favoriscono mutua solubilità allo stato solido.

Le condizioni necessarie affinché vi sia mutua solubilità allo stato solido sono:

à

1) Identica struttura cristallina maggiori possibilità di solubilità tra solvente e soluto

à

2) Dimensioni atomiche simili le differenze possono stare nell’ordine del 15% tra i due metalli

In base al criterio delle dimensioni (diametro atomico), il Fe e il Fe si trova in una banda favorevole rispetto

a molti metalli con cui, effettivamente, si andranno a formare delle leghe.

à

3) Modesta differenza di elettronegatività (= tendenza ad acquisire e-) atomi vicini nella tavola periodica

Un elemento più elettropositivo di un altro tende a formare legami AB localizzati. Il legame è tanto meno

∆EN,

metallico quanto maggiore è la differenza di elettronegatività ossia quanto più gli elementi sono lontani

nella tavola periodica:

4) Uguale valenza

Nel caso delle leghe, la solubilità dei composti nelle matrici solventi è molto piccola. Tuttavia, è possibile

aumentarla fornendo energia dall’esterno, “spingendo” la precipitazione dei composti con, ad esempio,

raffreddamenti rapidi.

I composti metallici non seguono rigorosamente il concetto chimico di valenza:

à

(es. cementite Fe3C è la formula ridotta di Fe12C4)

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RAFFORZAMENTO DI METALLI E LEGHE

Esistono, generalmente, 6 metodi di rafforzamento delle leghe metalliche. Gli acciai, in particolare, richiedono

di sfruttare tutti e 6 i seguenti metodi:

1. Per soluzione solida interstiziale

2. Per incrudimento (foreste di dislocazioni)

3. Per precipitazione o dispersione e invecchiamento

4. Per affinamento del grano

5. Per trasformazione di fase o fasi dure

à

6. Per tessitura orientazione preferenziale delle fibre durante la solidificazione o la laminazione

Principi e applicazioni agli acciai

In generale, l’ostacolamento al moto delle dislocazioni si traduce in aumento della resistenza meccanica della

lega. La capacità di deformare uniformemente il materiale dipende dall’abilità delle dislocazioni nel muoversi al

suo interno.

Rafforzamento complessivo

Il rafforzamento è dato dalla somma dei singoli contributi prima elencati: !$

%

!$

∆ = ∆ + ∆ + ∆ + & + +

! "# ! ! √

√

RAFFORZAMENTO PER SOLUZIONE SOLIDA

Difetti reticolari. Il rafforzamento si attribuisce al

grado di distorsione del reticolo.

Quando il materiale è plasticamente deformabile, si

immagina un moto delle dislocazioni assimilabile a

flusso plastico.

L’aumento di soluto nella matrice solvente provoca

un aumento del valore del carico di snervamento e

rottura. Questo è traducibile in un aumento della

distorsione e quindi delle proprietà meccaniche.

RAFFORZAMENTO PER INCRUDIMENTO

Le dislocazioni, che determinano la deformazione dei metalli, si

muovono su piani e direzioni preferenziali.

Tali piani si individuano in corrispondenza di quelle zone dove il

cristallo è più denso (massimo impaccamento degli atomi).

I materiali sono policristalli.

Per ora si immagina che le dislocazioni si muovano nel policristallo

in modo analogo al movimento nel singolo cristallo.

Nel rafforzamento per incrudimento, all’aumentare del carico applicato

corrisponde l’aumentare delle deformazioni. L’incrudimento corrisponde

all’aumento della densità delle dislocazioni che accompagna la deformazione

plastica, a diversa scala. Ad ogni scala, l’aumento delle dislocazioni modificherà

in maniera diversa il comportamento meccanico del materiale.

Un metallo parzialmente incrudito (una volta scarico), se ulteriormente caricato

con un secondo ciclo, dovrà superare la tensione di snervamento raggiunta in

fase di carico nel primo ciclo, e così via per i cicli successivi.

Tale sequenza di rafforzamenti si satura una volta raggiunta l’UTS della lega

metallica (Ultimate Tension Strenght = tensione limite ultima).

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Da un punto di vista matematico si immaginano le dislocazioni come poste in 3 dimensioni (foreste di

dislocazioni). Le interazioni di dislocazioni sono, quindi, tridimensionali: ad ogni freno al moto delle dislocazioni

corrisponderà un aumento della resistenza.

Sia la resistenza che il materiale oppone al flusso delle dislocazioni,

essa è proporzionale alla radice della densità delle dislocazioni:

à

- alfa dipende dall’origine delle dislocazioni

à

- b modulo del vettore di Barger, indica la direzione e l’intensità

lungo le quali le dislocazioni si muovono. È legato alla struttura

reticolare del cristallo ed è definito.

à

- G modulo tangenziale (tiene conto dello slittamento)

RAFFORZAMENTO PER PRECIPITAZIONE

La precipitazione corrisponde al fenomeno per cui, nella formazione della lega, parte di soluto potrebbe non

andare in formazione solida ma formare del precipitato. I precipitati sono, in sostanza, seconde fasi

estremamente piccole che possono disporsi all’interno del cristallo, al bordo di grano o al punto triplo.

I precipitati si possono formare nel cristallo tramite 3 disposizioni (più una ideale):

à

a) Coerenza (condizione ideale) a livello teorico, una matrice

cristallina può accogliere il precipitato con una costante reticolare

identica alla costante reticolare del precipitato.

à

b) Coerenza con strain nel reticolo precipitato e cristallo hanno

diverse costanti reticolari. C’è scambio di forze e completa continuità

tra matrice e precipitato.

à

c) Semi coerenza continuità parziale, c’è coerenza solo lungo una

direzione del reticolo. È una fase di transizione che rappresenta il

picco del rafforzamento.

à

d) Incoerenza precipitato e cristallo non scambiano forze rilevanti

Influenza dei precipitati sul rafforzamento:

à

- Sorgente F-R autogenerazione di dislocazioni. Sono date due particelle “dure” di precipitato (cioè

non recidibili dalla dislocazione) e una dislocazione in movimento sullo stesso piano. Quando la

dislocazione raggiunge le particelle, si incurva, avvolgendole completamente. Questo costituisce un

freno al movimento della dislocazione e, quindi, un aumento di resistenza. Tuttavia, l’effetto della forza

esterna porta la dislocazione a muoversi ancora: si creano due anelli di dislocazione attorno alle

particelle di precipitato e una dislocazione ancora mobile, che potrebbe far ripartire il flusso plastico.

Il duplice effetto è quindi quello di:

1. Amplificare i difetti preesistenti

2. Rigenerare il flusso delle dislocazioni à

Causa del rafforzamento è la distanza tra le particelle di precipitato (L)

à

- Precipitazione e invecchiamento (age hardening) partendo da una situazione omogenea del

materiale in condizioni di equilibrio, si porta il materiale allo stato solubilizzato (riscaldamento e

mantenimento). Si ottiene una soluzione solida omogenea. Si esegue, quindi, un brusco

raffreddamento che “congela” una fase dentro l’altra. A questo punto le opzioni sono due:

1) Mantenere la situazione nel tempo (invecchiamento naturale). In questo caso i precipitati ritardano

a formarsi, rimanendo più piccoli e più densi. La distribuzione dei precipitati nella matrice sarà fitta.

2) Riscaldare il sistema (tempra o invecchiamento artificiale). Ad alte temperature i precipitati tendono

ad accrescere in modo più rapido.

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Precipitazione: modello di rafforzamento di Orowan à

Perché allo stato di semi coerenza si ha il picco di rafforzamento? plasticità

- Taglio della particella di precipitato: ostacoli deboli

Dopo lo scorrimento della “lama”, il legame della particella si ricostituisce (cosa

che non accade per i ceramici), lasciando un gradino “b” sulla particella stessa,

pari al passo della dislocazione.

- Bowing (Orowan): ostacoli forti

Meccanismo di avanzamento della dislocazione visto nella

sorgente di Frank-Reed (sorgente F-R). Il rafforzamento è

tanto maggiore quanto maggiore è il raggio delle particelle

(ossia quanto diminuisce X).

È il rafforzamento più efficace (fig.2)

I fattori che incidono sulla tensione di rafforzamento sono la frazione

volumica f e la distanza tra i precipitati: Figura 2: Rafforzamento in

corrispondenza di raggio critico

RAFFORZAMENTO PER AFFINAMENTO DEL GRANO

Un materiale policristallino è fatto di grani (= cristalli). All’interfaccia, il bordo di grano separa i cristalli con

orientazioni differenti, costituendo punti di accumulo di energia.

Ma cosa accade quando i difetti (come le dislocazioni) raggiungono il bordo di grano?

I bordi di grano costituiscono dei percorsi preferenziali per la diffusione dei difetti, specialmente nel caso di grani

à

molto piccole (inferiori a 100 nm) più piccolo è il grano, più denso è il reticolo di “canali” preferenziali di

propagazione dei difetti: comportamento dei materiali nanocristallini.

L’orientazione dei grani differisce per angoli di disallineamento a bordo grano: se tale angolo è inferiore a 15°,

il bordo di grano determina una leggera opposizione al moto ma permette la continuazione del moto della

à

dislocazione continuazione del flusso plastico. La natura dell’angolo dipende dal processo di formazione.

Bordi di grano: microplasticità nei policristalli

All’applicazione di una tensione al bordo di grano, questo

“risponde” con una tensione maggiore.

Ora, le dislocazioni si concentrano al bordo di grano: la

tensione al BG aumenta in corrispondenza delle

concentrazioni di dislocazioni.

Aumentando ulteriormente lo stato tensionale, le

dislocazioni ancora di più si concentrano al bordo di

grano.

In virtù di un maggiore inspessimento delle zone a cavallo

dei BG, si avrà una tensione che tende ad uniformarsi in

tutto il grano con lo stato tensionale del BG.

Questa uniformità determina il raggiungimento dello stato

plastico.

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Legge di Hall-Petch

La sorgente F-R opera al centro del grano e produce due impilaggi ai bordi di

grano che fungono da ostacolo al moto delle dislocazioni (pile-up); questo

determina il rafforzamento.

Più è piccolo il grano, maggiore è la tensione di snervamento e quindi il

conseguente rafforzamento.

dove:

- è la tensione di aderenza al bordo di grano

!

- = costante di affinamento del frano. È un indicatore degli altri possibili rafforzamenti del grano

"

(differenti valori per metalli con diverse strutture cristalline o differenti legami). Aumenta all’aumentare

di altri elementi rafforzanti.

RAFFORZAMENTO PER SECONDE FASI DURE

Eseguendo un certo trattamento termico su una lega, si formano fasi più dure. Tali fasi dure andranno a

costituire un rafforzamento della fase meno dura.

à es: acciaio, la colonia pearlitica, che è un microcostituente (e quindi non una fase) si può per adesso

introdurre in un diagramma di fase per comprendere il meccanismo di rafforzamento della ferrite: dopo il

raffreddamento lento a T° ambiente, si avrà una struttura ferritica (grani alfa) più una colonia pearlitica, risultato

di una miscela meccanica di ferrite e cementite.

La perlite è tanto più dura quanto più è fine; la legge è simile a quella di Hall-Petch sull’affinamento dei grani,

.

con la differenza di sostituire alla distanza intergranulare d la distanza interlamellare

Il rafforzamento determinato da fasi dure dipenderà dal volume della fase presente in soluzione: ogni fase, con

la propria resistenza (legata alla durezza) contribuirà al rafforzamento complessivo in modo pesato sui rispettivi

volumi. Una stima della tensione di snervamento legata ad una certa fase è ottenibile dividendo per 3 la durezza

misurata su scala Vickers.

RAFFORZAMENTO PER TESSITURA à

La direzione preferenziale dei grani determina rafforzamento es: laminazione.

Questo è quantificato combinando la resistenza delle fibre (a maggiore resistenza)

e la resistenza della matrice: la risposta complessiva starà a metà tra le due.

L’interfaccia tra fibre e matrice può non essere trascurabile.

RAFFORZAMENTO DEGLI ACCIAI

Come scritto precedentemente, il rafforzamen