Appunti di Tecnologia dei materiali metallici

Prodotti:

• - Devono costare poco
• - Essere resistenti
• - Devono avere un alto assorbimento di energia

Valori elevati di resistenza (MPa) per alleggerire la struttura e ridurre i consumi.

Le saldature diminuiscono notevolmente le caratteristiche meccaniche del materiale.

Siderurgia: 'Lavoro del ferro'

Ferro non esiste se non sottovuoto nei laboratori. Quello che chiamiamo volgarmente ferro è acciaio.

Acciaio imbattibile: rapporto qualità prezzo ottimo

• 1 kg di acciaio costa 0,20€ ÷ 4€ (in media 1€/kg)
• 1 kg di alluminio costa 5€ ÷ 10€
• 1 kg di titanio costa 50 ÷ 100€

Il comportamento delle leghe è influenzato da

• Composizione chimica
• Trattamento termico (termomeccanico)
• Condizioni ambientali (es. temperatura)

La produzione dell'acciaio riguarda principalmente la riduzione degli ossidi

Italia produce 28 milioni di tonnellate di acciaio, la Cina 750!

Acciaio

• Minerale ferroso
• Carbon fossile
• Coke

Oppure rottami → Acciaio

Ciclo integrale

• Partendo da min. ferroso e carbon fossile
• Altiforni
• Taranto
• Mare (comodità logistica)

Acciaio → Acciaieria elettrica

• Partendo da acciaio usato (rottami)
• Val di Susa
• Montagna (centrali idroelettriche)
• Forno elettrico

ALLUMINIO SI PRODUCE SOLO PER VIA ELETTRICA UTILIZZANDO L' ELETTROLISI

MINERALE → (4,3% C) GHISA CONVERTITORE → FERRO (molto O₂)

SCORIA (SILICATI, FOSFATI, ...) → CEMENTO

GAS (CO, CO₂, ...) → RICICLATI PER SCALDARE L'ALTOFORNO, MANDATI IN DEGLI SCAMBIATORI DI CALORE (COWPER).SONO SEMPRE 4: 2 RISCALDANO L'ARIA E 2 VENGONO RISCALDATI

FERRO DI BASSA QUALITÀ → COLARE

C + O₂ → 2CO

Fe_xO + CO → Fe + CO₂

SI AGGIUNGONO GLI ELEMENTI CHE CI INTERESSANO (DI SOLITO SI LASCIANO NON LEGATI)

ALLUMINIO ASSORBE O₂ E SALE IN SUPERFICIE

AGGIUNGERE ALLUMINIO ("ALCOA", IKILINGA)

COLATA CONTINUA → (SI OTTIENE LA BRAMMA, PRODOTTO GIÀ LAMINATO)

CICLO INTEGRALE → COLATA CONTINUA

ACCIAIERIA ELETTRICA → COLATA CONTINUACOLATA IN LINGOTTI (ACCIAI PREGIATI E QUANTITÀ MENO GRANDI)

CHIMICO → CORROSIONE

DANNEGGIAMENTO

MECCANICO

• FATICA
• USURA
• SOVRACCARICO
• H (INTERVIENE SOLO IN PRESENZA DI CARICHI)

PROGRAMMA DEL CORSO

• PROPRIETÀ DEI MATERIALI METALLICI
• DIFETTI → MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO
• FASI METALLICHE (DIAGRAMMA DI STATO Fe-C)

PER CONDUTTORI DI PICCOLE DIMENSIONI È PREFERIBILE IL RAME PERCHÉ HA UNA CONDUTTIBILITÀ SPECIFICA MIGLIORE; PER I GROSSI CONDUTTORI È PREFERIBILE L'ALLUMINIO PERCHÉ, A PARITÀ DI PESO, CONSENTE DI AVERE SEZIONI MAGGIORI.

CONDUTTIBILITÀ TERMICA

I MATERIALI METALLICI PRESENTANO UN'ELEVATA CONDUTTIBILITÀ TERMICA, OVVERO LA TENDENZA A TRASMETTERE FACILMENTE IL CALORE ALL'ESTERNO.

SOPRATTUTTO NEI PROCESSI CHIMICI, LA TRASMISSIONE DEL CALORE A VOLTE AVVIENE IN AMBIENTI CORROSIVI.

• VENGONO UTILIZZATI:
  • SUPERLEGHE: MOLTO COSTOSE, A BASE NICHEL O COBALTO
  • ACCIAI INOSSIDABILI: SOPRATTUTTO QUELLI AUSTENITICI CHE RESISTONO MOLTO ALLA CORROSIONE MA COSTANO MOLTO DI PIÙ RISPETTO AGLI ACCIAI COMUNI

NON POSSIAMO UTILIZZARE LEGHE A BASE DI FERRO PERCHÉ IL FERRO PRECEDE L'IDROGENO E QUINDI, IN UN SISTEMA FERRO-IDROGENO, IL FERRO FUNGE DA ANODO E L'IDROGENO DA CATODO E IL FERRO NON RESISTE ALL'ACIDO.

AMBIENTE ACIDO: Fe → Fe²⁺ + 2e^- ANODO

2H⁺ + 2e^- → H₂ CATODO

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

SE AL POSTO DEL FERRO USIAMO IL RAME, CHE SEGUE L'IDROGENO, LA REAZIONE:

Cu → Cu²⁺ + 2e^-

2H⁺ + 2e^- → H₂

Cu + 2HCl → CuCl₂ + H₂

NON AVVIENE PERCHÉ TERMODINAMICAMENTE IMPOSSIBILE.

IL FERRO HA 3 OSSIDI, DI MASSE VOLUMICHE DIFFERENTI SIA TRA DI LORO CHE NEI CONFRONTI DEL METALLO BASE. GLI OSSIDI, CRESCENDO, DIVENTANO POROSI E QUINDI IL FLUIDO (PER ES. ARIA O OSSIGENO) HA SEMPRE UN VARCO PER RAGGIUNGERE IL METALLO BASE FRESCO, PERMETTENDO COSÌ AI FENOMENI OSSIDATIVI DI PROSEGUIRE FINO AD ARRIVARE ALLA COMPLETA DISTRUZIONE DEL PEZZO.

SI PUÒ PREVENIRE CIÒ, ATTRAVERSO DELLE TECNICHE CHE MIRANO IN MODO CONTROLLATO (T E COMPOSIZIONE FLUIDO) TRA FER CHE SI FORMA SOLO Fe₃O₄ A RICOPRIRE LA SUPERFICIE DEL PEZZO DI Fe₃O₄ CHE È MOLTO COMPATTO E...

ES. USO MEDICO: LASTRE

USO METALLURGICO: VENGONO USATI PER CONTROLLARE IL CORRETTO POSIZIONAMENTO DEI CATALIZZATORI NELLE MARMITTE CATALITICHE

LA PROFONDITÀ DI PENETRAZIONE DEI RAGGI X È RIDOTTA (ORDINE DEI μm) PERCIÓ SI POSSONO INDAGARE SOLO I DIFETTI SUPERFICIALI. ALTRA LIMITAZIONE È LA DISPOSIZIONE DEL DIFETTO RISPETTO AI RAGGI: LA SUPERFICIE ESPOSA È DIFFERENTE.

PER CAPIRE SE IL DIFETTO È IN SUPERFICIE O PIÙ VERSO IL CUORE SI UTILIZZANO DEI PENETROMETRI:

• FATTI
• SONO DELLO STESSO MATERIALE DA ANALIZZARE
• LASTRA IMPRESSIONATA CON SCALA DI GRIGI A SECONDA CHE IL MATERIALE ATTRAVERSATO SIA MOLTO O POCO.

IL VANTAGGIO DEI RAGGI X È CHE PERMETTONO DI VEDERE DEI DIFETTI SUBSUPERFICIALI.

UN’ALTRA TECNICA MOLTO AGEVOLE È QUELLA DEI LIQUIDI PENETRANTI: VIENE MESSO UN LIQUIDO SULLA SUPERFICIE DEL PEZZO, VIENE RIMOSSO E VIENE AGGIUNTO LO “SVILUPPATORE” I UN SECONDO LIQUIDO CHE REAGISCE E CAMBIA COLORE SE INCONTRA IL PRIMO LIQUIDO.

QUESTA TECNICA HA 3 FATTORI LIMITANTI:

• FUNZIONA SOLO SE I DIFETTI SONO SUPERFICIALI
• L’OGGETTO DEVE ESSERE PULITO PER NON INCORRERE IN FALSI POSITIVI CAUSATI DALLO SPORCO
• BISOGNA AVERE ESPERIENZA PERCHÉ SI DEVE COSPARCERE LA SUPERFICIE DELL’OGGETTO IN UN CERTO MODO, SI DEVE DARE IL TEMPO PER FAR ASSORBIRE IL LIQUIDO IN EVENTUALI CAVITÁ E SI DEVE RIMUOVERE IL LIQUIDO CON CAUTELA, STANDO ATTENTO ALLE CAVITÁ.

I PRO INVECE SONO:

• TECNICA ECONOMICA
• TECNICA NON PERICOLOSA
• SI PUÓ EFFETTUARE IN LOCO

UN ALTRO METODO È QUELLO DEGLI ULTRASUONI. ABBIAMO GLI ULTRASUONI CHE LAVORANO IN TRASMISSIONE E QUELLI CHE LAVORANO IN RIFLESSIONE.

NEL PRIMO CASO SI HA UN’APPARECCHIATURA CHE EMETTE ED UNA CHE RICEVE, MA LE ONDE SONORE HANNO BISOGNO DI UN MEZZO PER DIFFONDERSI QUINDI SI INTERROMPONO APPENA INCONTRANO UN DIFETTO NEL PEZZO IN ESAME.

NEL SECONDO CASO, IL PRINCIPIO È LO STESSO MA, IN QUESTO CASO, SI FA IN MODO CHE L’ONDA SONORA HA ATTRAVERSATO TUTTO IL

manganese presente nel materiale) oppure esogene (es.: pezzo di refrattario che si stacca e va a finire nel materiale).

Le inclusioni metalliche si hanno negli acciai prodotti nelle acciaierie elettriche dove essi vengono prodotti a partire da rottami. Quando un’auto viene rottamata i rottami che si ottengono sono inquinati da stagno (brasature), rame (cavi elettrici) e piombo (batterie). Per diluire le impurezze, nelle acciaierie elettriche vengono utilizzati nel processo di produzione degli scarti provenienti dall’altoforno in quanto materiale pulito.

Discontinuità che insorgono durante la colata

• Discontinuità di cristallizzazione

Durante il processo di solidificazione si ha un gradiente di temperatura e un gradiente di composizione. Il primo liquido che solidifica è quello vicino alle pareti perché è il punto più freddo; andando verso il centro della lingottiera si trovano dei solidi che si sono formati successivamente. Inoltre, il primo liquido che si è solidificato è molto più povero di soluto mentre il liquido che si è solidificato al centro della lingottiera è molto più ricco. Si ha una cristallizzazione che avviene nel senso del gradiente termico: sulle pareti i cristalli sono molto sottili perché a temperatura più bassa si formano molti nuclei; andando verso il cuore la temperatura è più alta e si hanno pochi nuclei che crescono in modo dendritico (ad albero). Le ramificazioni sono dei difetti perché creano delle fragilità. Negli spazi interdendritici solidifica il liquido che rimane che è carico di inclusione di seconde fasi e da qui possono partire le cricche.

• Cavità da ritiro

Sono dovute al fatto che c’è una contrazione di volume quando si passa dal liquido al solido. L’ultima parte di liquido che rimane, centralizzandosi, se non c’è la cosiddetta materozza e quel surplus di liquido che solidificando per ultimo fornisce quel surplus per controbilanciare il ritiro, può lasciare delle zone vuote. La materozza, solidificando per ultima, racchiude tutte le impurità. Un difetto simile si ha quando altri volti si formano perché il liquido, se lo stampo è di dimensioni complesse, non riesce a raggiungere tutte le posizioni dello stampo. Ciò avviene perché le colate avvengono con temperature vicini a quella di solidificazione quindi hanno una viscosità