Appunti lezioni Tecnologia dei materiali metallici

Generalità sui metalli

Dato un certo reticolo atomico, se vengono applicati due carichi di taglio in direzioni uguali e opposte, i piani atomici si spostano di una "posizione atomica". Questo porta a una deformazione plastica del metallo. Essendo il legame metallico non direzionale, il legame non viene rotto, al contrario di legami covalenti o ionici. Questa proprietà dei materiali metallici è utilizzata per ottenere materiali con forme complesse a partire da forme semplici: i vantaggi si riscontrano nella produttività, risparmiando sulla produzione.

Un componente per essere prodotto viene generalmente trattato in campo plastico, mentre per l'utilizzo deve lavorare in campo elastico, ad esclusione di alcune applicazioni. Ad esempio, in campo automobilistico, il materiale è scelto anche in base al campo plastico, poiché deve assorbire urti. Durante una prova di carico, la massima deformazione ammissibile è altamente variabile.

Un modo per incrementare le caratteristiche strutturali di un metallo è la sua deformazione plastica, o incrudimento. Infatti, una volta deformato plasticamente, un materiale si deforma in modo elastico fino al carico applicato per l'incrudimento (anche se è maggiore del carico limite elastico precedente al trattamento), muovendosi lungo una parallela della fase elastica.

Proprietà elettriche

Per la prima legge di Ohm, se un metallo è posto tra due elettrodi o se è presente una ddp si crea un flusso orientato di elettroni. Nel fenomeno dello scattering gli ioni positivi vibrano creando una forza d'attrito con gli elettroni, a causa delle collisioni, per cui la velocità degli elettroni ha un andamento a dente di sega. La frequenza delle collisioni è chiamata resistività e dipende dalla T, dalle impurezze e dal moto delle dislocazioni.

Proprietà magnetiche

Dipendono dal fatto che gli elettroni negli orbitali più esterni possono avere dei momenti magnetici di spin, presente solo se vi sono elettroni spaiati. In base alla risposta del materiale a un campo magnetico esterno, si differenziano in:

• Diamagnetico: Non ci sono elettroni spaiati, quindi il materiale non ha un momento magnetico. Se il materiale viene immerso in un campo magnetico, risponde con un campo magnetico interno molto debole orientato in modo opposto rispetto a quello esterno. Esempi: Ag, Hg, Au, Cu, Si.
• Paramagnetico: Hanno un momento iniziale e quando immersi in un campo esterno rispondono con un campo interno debole ma con la stessa orientazione. Esempi: Al, Cr, Na, Ti. Presentano elettroni spaiati.
• Ferromagnetico: Hanno elettroni spaiati e presentano il fenomeno di magnetizzazione spontanea in alcune parti del materiale. Sottoposti a un campo esterno, il campo indotto è molto maggiore di quello esterno. Esempi: Fe, Co, Ni. Possono essere smagnetizzati se lavorati a una T maggiore della T di Curie, diventando paramagnetici. Si possono dividere in base alla forma del ciclo di isteresi:
  • Teneri: Hanno un basso campo coercitivo (campo che bisogna applicare per annullare la magnetizzazione residua), e il ciclo ha una forma stretta e lunga.
  • Duri: Sono magneti permanenti, hanno un alto campo coercitivo.

Aggiustamento reticolare

Uno spigolo del cubo vale all'incirca, per i materiali metallici, 0.28 - 0.42 nm (10^-9 m). Riprendo le principali strutture cristalline:

• CCC: Cubico a corpo centrato, atomi posizionati in ogni vertice + nodo centrale. Hanno questa struttura leghe base ferro sotto i 900°C o sopra i 1400°C. Caratteristico di tungsteno, vanadio, molibdeno, cromo. Gli atomi sono a contatto lungo le diagonali del cubo.
• CFC: Cubico a facce centrate, ogni vertice + nodo centrale per ogni faccia. Caratteristico di elementi base ferro, ma sono a T compresa tra 900 e 1400°C. Caratteristico di leghe base rame, argento, oro, nichel, alluminio, piombo, platino. Gli atomi sono a contatto lungo le diagonali delle facce.
• HCP: Esagonale compatto, ogni vertice di un prisma esagonale retto, più un triangolo al centro, preso in orizzontale. È anche tipico della grafite. Meno comune per i materiali metallici rispetto ai precedenti. Leghe base zinco, magnesio, titanio.

Il reticolo CFC ha delle somiglianze con l'HCP, poiché anch'esso è formato da piani, in cui gli atomi sono disposti in un impacchettamento esagonale. La differenza sta nel susseguirsi dei piani:

• ABC-ABC nel CFC
• AB-AB nel HCP

I piani A, B, C hanno la stessa struttura, ma una diversa disposizione nello spazio. Questa diversa ripetizione cambia il numero di piani che devono essere slittati per indurre una deformazione plastica, e quindi un diverso comportamento. Nei reticoli cubici, ogni vertice è in condivisione con altre 8 celle, mentre i nodi al centro delle facce esterne sono condivisi tra 2 celle. La formula minima della lega è scritta rapportando il numero di atomi presente con il loro livello di condivisione.

Meccanismi di rafforzamento

Dalla legge di Schmidt si osserva che, dato un provino sottoposto a trazione, il piano lungo il quale le tensioni di taglio sono massime è quello inclinato a 45° rispetto alla direzione delle tensioni, per cui si osserva uno slittamento tra piani.

L'incrudimento può avvenire per cicli successivi, in cui ad ogni ciclo la tensione di snervamento è sempre più alta, in base al livello raggiunto nel ciclo precedente. Questo processo non può essere ripetuto infinite volte, poiché cominciano ad incorrere fratture all'interno del materiale. Le fratture sono dei vuoti microscopici, nati a causa dell'intersezione di difetti reticolari, che portano alla formazione di zone in cui mancano alcuni atomi. Questo porta all'impossibilità di scambi di energia, e al progressivo addensamento di difetti reticolari, che aumentano il volume vuoto.

Resilienza: il lavoro che si deve compiere per rompere un componente.

Aggregati cristallini: sono i grani, normati dalla normativa statunitense ASTM: maggiore è il valore, minore è la dimensione dei grani, in relazione alle distanze atomiche.

Legge di Petch: lega la tensione di snervamento in funzione di dimensioni di grani anomale, alla tensione di snervamento del monocristallo, alla dimensione media d dei grani, e a una costante K.

Si osserva quindi che un materiale con grani più piccoli ha una resistenza a snervamento maggiore, ma un allungamento a rottura minore. Cricche: sono fessure che si osservano all'interno del materiale, e che si creano con più facilità all'aumentare della temperatura. Esse possono essere:

• Inter granulari: si creano lungo i bordi di grano (bassa T).
• Transgranulari: attraversano le aree interne dei grani (alta T).

Per questo, ad alta temperatura si utilizzano cristalli singoli. Sulla base di questi dati, si osserva quindi che la dimensione dei grani incide sensibilmente sia per quanto riguarda i carichi da applicare per la deformazione in fase di lavorazione, sia per il ritorno elastico che si osserva, ad esempio, a parità di carico. La dimensione dei grani cristallini può essere controllata durante la solidificazione: se si sottopone il fuso a una T molto più bassa di quella di fusione, si creano molti nuclei di cristallizzazione, e quindi grani più piccoli.

Rafforzamento per soluzione solida

In generale, all'aumento dei soluti nell'acciaio, aumenta la resistenza meccanica. I piccoli atomi di soluto, infatti, si posizionano all'interno dei difetti reticolari, in modo da ridurre localmente le tensioni, e abbassando quindi l'energia interna delle dislocazioni, stabilizzandole in quella posizione.

Rafforzamento per dispersione di seconda fase

Nel caso di grani cristallini diversi, immersi in un reticolo cristallino di una fase diversa, con struttura cristallina diversa, il materiale subisce un rafforzamento poiché vengono bloccati gli spostamenti delle dislocazioni: infatti, le dislocazioni andranno ad accumularsi lungo il bordo di confine tra i due grani. Per spostare ulteriormente queste dislocazioni, serve un'energia molto più elevata rispetto a grani dello stesso tipo, poiché essi dovranno riadattarsi alle strutture cristalline diverse e diversamente allineate. Per ottimizzare questo processo di rafforzamento, è necessario che la seconda fase sia intrinsecamente resistente, e che sia dispersa in grani piccoli, numerosi e distribuiti in modo omogeneo.

Se la dislocazione, inizialmente rettilinea, prova a muoversi nella direzione di grani di fase diversa, essa si deforma perché non riesce ad attraversare le fasi diverse. All'aumentare delle tensioni e quindi lo spostamento, esse si richiudono su se stesse, creando un cerchio tensionale secondo il meccanismo di Orwan.

Leghe base ferro

Si distinguono inizialmente in base alla tipologia di processo produttivo:

• Leghe a getto (ghise): dopo il raffreddamento la forma dell'oggetto è quasi quella finale, a meno di rettifiche.
• Leghe da deformazione plastica (acciai): il raffreddamento avviene formando dei lingotti di solito di forma troncoconica, che viene deformato (ad esempio rulli) per produrre acciai da deformazione semilavorati.

In ogni caso, la colata del liquido avviene dal basso verso l'alto, per evitare schizzi e raffreddamenti non omogenei del fuso.

Diagramma metastabile Fe-C

Diagramma stabile Fe-C

Ghise

Le ghise sono leghe Fe-C da getto. Nelle ghise la variazione di volume durante la solidificazione del fuso è quasi nulla. Per gli acciai la variazione di volume è -7% -10%, non trascurabile. La densità dell'acciaio è di circa 7800 kg/m³, mentre la ghisa è di circa 7100.

Si osserva quindi che durante la solidificazione, il ferro si contrae; tuttavia, il carbonio grafitico α, nell'eutettoidica, si separa dalla fase aumentando il volume complessivo. Questi due effetti si contrastano. La composizione migliore per una lega da getto è quella eutettoidica, poiché la formazione del solido comincia a temperatura più bassa, e continua a T costante, quindi si riduce il rischio di solidificazione prematura, che può occludere pareti sottili nello stampo.

Nelle ghise, le caratteristiche meccaniche della grafite sono così basse che si può pensare come ferrite alfa in cui siano presenti delle porosità, in percentuale di volume che coincide con quella della grafite. Questo si ripercuote sulle caratteristiche meccaniche: in caso di porosità, per cui la sezione resistente si riduce, quindi le tensioni aumentano, avvicinando la rottura del materiale.

Il Si e P, ai fini della solidificazione, possono sostituire il C. Utilizzando questi altri materiali leganti, si può calcolare una percentuale di C equivalente alla composizione ottenuta: %C_eq = %C + %Si/3 + %P/3

Un esempio di composizione di ghisa alla composizione eutettoidica può essere, ad esempio, 4%C_eq (= 3%C + 3%Si) + 94%Fe.

Il silicio presenta anche un altro vantaggio: esso va in soluzione solida con il Fe, diminuendo quindi le "porosità" dovute alle sue scarse capacità meccaniche. A parità di C utilizzato, posso quindi lavorare a T più basse (a circa 50° sopra l'eutettica) ed ottenere una lega più resistente. Il carbonio grafitico può distribuirsi in due modi all'interno dell'austenite: a bordo grano o intergrano. Quest'ultima risulta migliore dal punto di vista meccanico. Per avere questa composizione è necessario che la prima fase a solidificare sia il carbonio grafitico.

Per ottenere questa composizione, si effettua un processo detto inoculazione: si inserisce nel liquido, durante la colata, delle particelle di polvere la cui composizione è Fe-Si 50-50%, ed hanno dimensioni nell'ordine del mm. Queste particelle, immerse nel liquido, cominciano a fondere e a rimpicciolirsi. Il granulo si scioglie velocemente, quindi posso ipotizzare che il volume fuso si misceli con un egual volume di fuso di partenza. Le composizioni quindi si mediano, ottenendo, circa una %C_eq = 1.5%C + 26.5/3%Si = 10%.

La composizione quindi cambia istantaneamente, per cui ci si sposta a Dx nel diagramma di stato, entrando nel campo di esistenza di austenite + C grafitico. Otteniamo quindi, austenite liquida e carbonio grafitico solido, come volevamo in partenza. Con questo processo, abbiamo ottenuto una lega con 3% C con grani di grafite intergrano, seguendo la linea rossa. Durante la solidificazione dell'austenite, il Si va in soluzione nel solido, quindi non forma grani separati, come fa la grafite.

Tra l'eutettica e l'eutettoidica è presente l'1% di C grafitico, secondo la regola della leva. Durante il raffreddamento, restando sempre al di sopra dell'eutettoidica, la solubilità del C nell'austenite cala, quindi la grafite nell'austenite nuclea in nuovi grani, aumentando la percentuale di fase grafitica a 2.3%C. Durante l'eutettoidica l'austenite diventa ferrite, cambiando il suo reticolo cristallino, che espelle nuova grafite, che raggiunge il 3%C. Considerando che il fuso di partenza aveva un tenore di carbonio equivalente del 4%, abbiamo ottenuto una ghisa partendo da un fuso a T più bassa, con meno "porosità" e con la grafite intergrano, quindi più resistente.

Classificazione delle ghise

Il nome delle due classi di ghise deriva dal colore che si osserva nella zona di rottura, che varia in base alla struttura della seconda fase. In generale la loro nomenclatura è formata da EN (ente normativo) GJ (ghisa), seguiti da lettere e numeri. Le ghise bianche e legate non hanno una particolare nomenclatura.

Ghise grigie

Presentano 2.5-4.5%C e 1-3%Si. Tutto il C è sotto forma di grafite lamellare. Si ottengono solidificando lentamente il fuso, ad esempio in sabbia. Il C che solidifica può presentarsi in forma lamellare o sferoidale. Buona resistenza all'usura e durezza, e smorza le vibrazioni. Utilizzata come basamento delle macchine utensili. Possono essere sottoposte a ricottura con distensione, ricottura completa e normalizzazione, che favoriscono la decomposizione della cementite. La bonifica produce una struttura martensitica. Utilizzata per freni.

Sono indicate da EN GJ L seguite da 3 o 4 cifre che rappresentano il carico minimo di rottura in Mpa.

Ghise bianche

Presentano lo 0.5-2%Si, 2.5-3.5%C. Il C è sotto forma di cementite. Si ottengono in seguito a raffreddamento rapido, quindi in uno stampo metallico. In questo caso per ottenere la cementite è necessario non utilizzare il Silicio, per non far nucleare grafite. In queste ghise si utilizzano diversi soluti come il manganese. Queste ghise sono durissime e fragili. La struttura è perlitica. Utilizzato con Cr e Mo, per aumentarne la durezza.

Malleabili

Presenta 2-2.6%C e 1-1.6%Si. La grafite è presente in noduli con bordi frastagliati. Questa caratteristica ostacola notevolmente il movimento delle cricche. Si dividono in due categorie in base al trattamento di malleabilizzazione.

• Le ghise malleabili a cuore bianco: si ottengono partendo da una ghisa bianca trattata a circa 900° in ambiente ossidante, in cui la superficie si decarbura ricoprendola di ematite per diversi giorni. Si ottiene un cuore tenace e una superficie indurita. La matrice è ferritica.
• Le ghise malleabili a cuore nero: si ottengono trattando a 900° e in ambiente neutro la ghisa bianca. La cementite si decompone in Fe e grafite sferoidale. La matrice è ferritica o perlitica. Trattamento molto lungo e costoso.

Sono indicate da:

• EN GJ M B: cuore nero
• EN GJ M W: cuore bianco

Seguiti dal carico a rottura e allungamento % a rottura.

Sferoidali

Presenta il 3-4%C e il 1.8-2.8%Si. Grafite sotto forma di noduli sferoidali. P e S migliorano la sferoidizzazione. Sottoposto a ricottura con distensione. La ricottura da una matrice perlitica, la normalizzazione ferritica, mentre la bonifica martensitica. In questo processo viene aggiunto un modesto tenore di Mg aggiunto all'atto della solidificazione, insieme alla polvere Fe-Si. Tuttavia, il Mg ossiderebbe in quell'ambiente, quindi viene aggiunto sotto forma di un composto di 70%Ni 30%Mg in polvere. La presenza di Ni riduce la reattività del Mg, per cui riescono ad entrare nel liquido restando solide, per poi fondere e rilasciare Mg. Esso ha una struttura EC, lo stesso del carbonio grafitico. Quindi, in seguito all'inoculazione, cominciano a formarsi i primi nuclei di C e accrescono. La velocità di crescita è maggiore lungo la direzione lunga del reticolo cristallino, quindi tenderebbe a crescere in modo allungato. Il Mg va a posizionarsi in alcune zone che inibiscono i piani a più veloce accrescimento, portando quindi alla formazione di sfere. In questo modo si ha una minore interruzione della matrice metallica dovuta alla minore superficie delle sfere rispetto alle lamelle, a parità di volume. Questo porterà a migliorare le caratteristiche meccaniche. In seguito a questo processo le sfere grafitiche hanno dimensioni molto simili tra di loro.

Un nome per questo tipo di ghisa può essere VI-A-6, in cui:

• VI: rappresenta il tipo di ghisa
• A: tipo di distribuzione (A = omogenea)
• 6: dimensione media degli sferoidi

Oppure per una distribuzione lamellare I-A-4-5. In questo caso i parametri dimensionali sono due perché le lamelle si assumono bidimensionali.

In un diverso tipo di classificazione, le ghise sono descritte da 3 numeri, come ad esempio Ghisa 90-52-05. In questa classificazione, i numeri indicano, in successione: carico a rottura, snervamento, e allungamento a rottura, misurati in kg/mm² e in %.

Al microscopio ottico, analizzando un campione di ghisa grigia attaccata chimicamente, si può osservare comunque la presenza di una seconda fase nella matrice metallica dovuta alla cementite, che si forma nella trasformazione eutettoidica. Si avrà quindi la suddivisione in due reazioni:

• Austenite -> ferrite + C grafitico (stabile)