Appunti lezioni Tecnologia dei materiali metallici

Tempra dei materiali

Come mezzi tempranti si possono usare acqua, olio o salamoia. La salamoia ha un effetto temprante maggiore poiché l'acqua evaporerà ad una temperatura maggiore, asportando più calore. Inoltre, il sale si deposita sulla superficie del pezzo, il quale contraendosi, rompe lo stato di sale che cade come scaglie, disturbando il flusso di vapore, fa entrare nuova acqua a contatto. In questo caso incorre il problema dell'ossidazione del pezzo.

Per un dato H, il ΔT è il diametro del pezzo con il quale si ottiene il 50% di martensite. Al di sopra di questo diametro il pezzo conterrà meno del 50% di martensite, quindi non si può considerare temprato.

Il ΔTc è il diametro critico per un H infinito. Essa è utilizzata poiché non dipende dal diametro critico ideale scambi termici con il fluido temprante.

Prova di temprabilità Grossman: Si prendono barre di diverso diametro ma stesso materiale.

Esse vengono poi temprate in bagni con diversoH. Infine vengono sezionati in modo da rapportare l'area della martensite con quella totale, individuando ildiametro critico. Questo metodo è molto costoso.

Effetti della composizione sulla temprabilità

In generale, aumentando %C si aumenta la temprabilità. Questo vale per acciai ipoeutettoidici. Questoperché porta alla formazione di molta austenite residua, che può trasformarsi anche a causa di piccoliaumenti di temperatura e piccoli carichi. Gli elementi leganti in generale, aumentano la temprabilità, adeccezione delle impurezze S, P, poiché producono solfuri e fosfuri che aumentano la fragilità. Anche il Co,poiché aumenta il tasso di nucleazione e la crescita della perlite, e Ti, poiché reagisce con il C sottraendonedall'austenite. Esistono curve che parametrizzano %C e dimensione del grano, per trovare il diametrocritico. Inoltre, sono parametrizzate curve

che si forma durante il processo di tempra dipende principalmente dalla velocità di raffreddamento. Maggiore è la velocità di raffreddamento, maggiore sarà la durezza della martensite. Gli elementi leganti presenti nell'acciaio possono influire sulla velocità di raffreddamento, agendo come fattori moltiplicativi. La prova Jominy viene eseguita su un campione Jominy, che è una barra cilindrica di dimensioni specifiche (1 pollice di diametro e 10 pollici di lunghezza). Il campione viene riscaldato ad una temperatura di austenitizzazione e successivamente posto in un porta campione. Durante la prova, il campione viene raffreddato facendo fluire acqua sulla sua base inferiore. Questo crea un flusso termico dall'alto verso il basso, che porta a diverse velocità di raffreddamento lungo la sezione trasversale del campione. Sulla superficie rettificata del cilindro vengono effettuate delle prove di durezza Rockwell in punti successivi lungo la sua lunghezza. Si osserva che la durezza diminuisce man mano che ci si allontana dalla base raffreddata. Effettuando la stessa prova su acciai con diverse quantità di elementi leganti, si nota che tutti i campioni partono da una stessa durezza alla base. Questo è dovuto al fatto che la presenza di elementi leganti influisce sulla velocità di raffreddamento, modificando la durezza della martensite formata durante il processo di tempra.che sono le fasi stabili a temperatura ambiente, occupano meno spazio rispetto alla martensite. Per evitare la formazione di cricche di tempra, è possibile adottare diverse strategie. Una di queste è la tempra interrotta, che consiste nel raffreddare rapidamente il pezzo fino a una temperatura inferiore alla temperatura di trasformazione della martensite, e successivamente raffreddarlo lentamente. In questo modo si evita la formazione di tensioni e cricche sulla superficie. Un'altra strategia è l'uso di acciai con elementi leganti, come il cromo e il molibdeno, che aumentano la resistenza alla formazione di martensite durante il raffreddamento. Questi elementi leganti si combinano con il carbonio presente nell'acciaio, formando carburi che ostacolano la trasformazione della ferrite in martensite. In conclusione, la formazione di cricche di tempra dipende da diversi fattori, tra cui la velocità di raffreddamento, la presenza di elementi leganti e la dimensione del pezzo. Utilizzando le giuste strategie, è possibile minimizzare il rischio di formazione di cricche e ottenere un pezzo temprato di alta qualità.raffreddandosi, diminuiscono di volume. In questo caso gli stati tensionali, che sono uguali e opposti, si compensano a vicenda, riducendo il rischio di cricche di tempra. Per bassa temprabilità si ha bassa probabilità di cricche di tempra, e viceversa. Per un componente a rischio di cricche si utilizza la si porta l'acciaio alla tempra isoterma martensitica: temperatura di austenitizzazione, e lo si tempra in un olio a T vicina a Ms. Se la T di tempra è poco sopra Ms, lo si raffredda in modo continuo. In questo modo la differenza di temperatura tra cuore e superficie è minima. Se invece la fase isoterma avviene al di sotto di Ms, all'inizio si avranno forti tensioni in superficie, tuttavia quest'ultima sarà composta solo in parte da martensite, e a T relativamente elevata, per cui riuscirà a deformarsi a causa degli sforzi dovuti alla differenza di temperatura cuore-superficie, che all'inizio è molto alta, ma che poi si

annulla grazie alla fase isoterma. Grazie a questo processo, rispetto ad una tempra inacqua, si conferisce una resilienza molto maggiore.lo stazionamento avviene al di sopra di Ms, attendendo cheTempra isoterma bainitica o austempering:l'austenite metastabile si trasformi in bainite. Per seguire questo processo c'è bisogno di una fase isotermamolto prolungata. Questo processo aumenta duttilità e resistenza agli urti, a parità di durezza. Riduceanche le cricche e distorsioni da tempra.Questi ultimi due trattamenti necessitano di una riduzione di temperatura iniziale molto veloce, poiché nonsi deve toccare il naso della curva. Essendo il bagno di tempra a T relativamente alta, questi processi sonoadatti solo a superfici sottili.Per acciai di composizione >0.8%C la temperatura di fine trasformazione in martensite è molto sotto gli 0°C,quindi si accetta la presenza di una percentuale di austenite intrasformata, detta austenite residua.

modo per eliminare l'austenite residua è una tempra in fluidi a bassa temperatura, come azoto liquido. Il salto termico è molto elevato, quindi si necessita una grandissima quantità di azoto. Alternativamente, si tempra in olio a temperatura ambiente, per poi passare ad un bagno in azoto. Con questa doppia tempra si raggiungono al massimo il 92/93% di martensite, contro il 98,5% della tempra isoterma a -150°C. Rinvenimento (tempering) è un trattamento effettuato su tutti gli acciai sottoposti a tempra. Infatti, dalla tempra si ottengono acciai con alta composizione di martensite, molto fragile. Si pulisce il campione, e lo si rimette in forno a circa 600°C, o anche a 200°C. Gli stazionamenti a temperature intermedie sono evitati. La bonifica è l'unione di tempra e rinvenimento. All'aumentare della temperatura di stazionamento, diminuiscono le tensioni a snervamento e rottura, ma aumenta la percentuale di deformabilità a rottura. Questi processi portano unguadagno notevole in termini di il lavoro che si deve compiere pertenacità: provocare una frattura completa al campione. Si ha quindi una maggiore resistenza a fatica del componente. Si osserva che, per acciai a diverso tenore di C, sottoraffreddati, le proprietà meccaniche restano invariate per rinvenimenti fino ai 200°C. Al di sopra di queste T le proprietà di durezza e tensioni a rottura e snervamento cominciano a scendere. Al di sopra dei 600°C si ha un crollo delle proprietà meccaniche. Possiamo dividere le fasi del rinvenimento in 4 fasi diverse, a T crescenti: 1. [20-220°C] La durezza della martensite decresce se %C <0.25%. La martensite perde C intrappolato nel reticolo tetragonale CC. Grazie alla dispersione di C, il reticolo si distende diventando cubico. Questa martensite è meno distorta, ma non ha ancora la composizione della ferrite. Si ottiene quindi ε. una martensite cubica più carburo. Questo carburo è una

fase metastabile, di composizione Fe C.2,4In questa fase gli elementi leganti (eccetto C e N) non hanno effetto sulla struttura2. [100-300°C] L'austenite residua metastabile si trasforma in martensite tetragonale. Si ha quindi un leggero aumento di durezza3. [250-500°C] La martensite continua a non essere stabile a queste T, quindi continua a perdere C. Il εcarburo metastabile forma cementite, la sua forma stabile. Si ha quindi una miscela di fasi ferrite cementite, chiamata Si ha quindi una struttura simile alla perlite normalizzata, cioè con granibainite.molto fini, è con proprietà molto simili ad essa.4. [480-700°C] Chiamata indurimento secondario. In presenza di elementi leganti, la durezza sale. Tale comportamento è ricercato in materiali per utensili, che lavorano ad alte T, e quindi non perdono di proprietà meccaniche.La fragilità a rinvenimento si osserva per alcuni acciai che contengono elementi leganti come il cromo.

Si ha un intervallo di T intorno a 350-450°C, in cui rivenendo l'acciaio, la tenacità diminuisce leggermente. Per questo motivo non avvengono stazionamenti intorno a queste T. Si utilizzano inoltre elementi leganti che attenuano questo fenomeno, come il Mo nell'ordine di 0,15-0,25%. Aumentando la %Si la durezza a rinvenimento aumenta. Inoltre, per grandi %Si si ha uno stazionamento della durezza per T di rinvenimento intermedie. Utilizzato in acciai per molle, in quanto la tensione di snervamento aumenta. Per alte %Mo la durezza ha uno stazionamento o addirittura aumento per rinvenimenti a T tra 400 e 600°C. L'indurimento è dovuto al fatto che la presenza di Mo provoca la formazione di carburi che incrementano la durezza. Inoltre, essi provocano un rafforzamento per seconda fase. Per la maggior parte degli acciai la velocità di raffreddamento dopo il rinvenimento è indifferente. Altrimenti si effettua una normalizzazione. Influenza delle

tensioni residueSono delle tensioni che il materiale ha accumulato al suo interno, la cui somma è zero. Questo si ottiene con la pallinatura.

Si osserva che in un materiale che presenta tensioni interne, a cui applico un momento flettente, ottengo un tipo di curva che aumenta la compressione massima e diminuisce la trazione massima, o viceversa. Questo si utilizza per materiali che resistono meglio in trazione più che in compressione, o viceversa, come Cementi o Vetri.

Atmosfere controllate

Se ad alte temperature un acciaio viene esposto all'aria, si ha ossidazione superficiale che può portare alla formazione di FeO, Fe2O3 o Fe3O4, o la decarburazione che fa diminuire la % di C della superficie secondo la reazione C + O2 = CO2.

Le reazioni di combustione in forno si basano sulla combustione di metano con aria. Se la reazione viene effettuata con carenza di ossigeno, i prodotti sono CO e 2H2. Questa reazione deve avvenire in ambiente controllato, essendo il

Il monossido di carbonio è pericoloso per l'uomo. Il punto di rugiada tiene.