Appunti Metallurgia

PROPRIETÀ MECCANICHE

Mi interessa conoscere come determinare le determinate proprietà del materiale, i carichi di rottura,

quando si deforma ecc.

Le proprietà dei materiali dipendono in genere da:

• • •

il tipo di materiali geometria condizioni fisico

• chimiche

il tipo di sollecitazione

per determinare la scelta del materiale ho bisogno di prove meccaniche:

• •

STATICHE IMPULSIVE

o o

Compressione Resilienza

•

o Flessione CICLICHE

o o

Torsione Fatica

•

o Durezza A CARICO COSTANTE

o Usura e scorrimento

LA PROVA DI TRAZIONE

Consiste nel sottoporre una provetta a uno sforzo di trazione,

fino a rottura, allo scopo di determinare una o più delle

caratteristiche meccaniche.

•

lunghezza fra i riferimenti

• (tratto utile): Lunghezza fra i riferimenti prima

dell’applicazione del carico.

•

lunghezza ultima fra i riferimenti : Lunghezza fra i

riferimenti dopo rottura

•

allungamento percentuale: Allungamento della lunghezza iniziale fra i riferimenti al termine

0

della prova

Per confrontare le caratteristiche resilenziali dobbiamo svincolarci dalla dimensione del campione

[]

→ =

0

− 0

→ = 0

La me la dà la macchina che svolge lavoro

Le grandezze caratteristiche della provetta sono NORMIZZATE, vanno rispettate determinate proporzioni

La prova di trazione consente di valutare la resistenza meccanica dei metalli e delle leghe.

Le proprietà meccaniche dei metalli e delle leghe, importanti per la progettazione strutturale, che si

possono ricavare dalla prova di trazione sono:

1. il modulo di elasticità; 3. il carico di rottura;

2. il carico di snervamento a una 4. l’allungamento percentuale a rottura;

deformazione dello 0.2%; 5. la strizione percentuale a rottura.

• PERIODO ELASTICO (da 0 a S)

Nella prima parte della prova di trazione il metallo viene deformato

elasticamente; questo significa che, se la forza applicata viene tolta,

il provino tornerà alla sua lunghezza iniziale (con traiettoria

parallela)

La parte elastica non è solo quella lineare – ma anche una piccola

parte della curva ()

= ()

Nella zona elastica vale:

(relazione retta)

la pendenza del tratto lineare elastico e la tangente dell’angolo, si

definisce

• PERIODO DELLE GRANDI DEFORMAZIONI (da S a M)

Se invece aumento la deformazione rispetto la parte lineare,

otterrò comunque una linea di scarico parallela retta, ma questa

non tornerà al valore iniziale ma ad un valore maggiore. (mantiene

parte della deformazione) ( −

Il punto M, che corrisponde al raggiungimento di un carico massimo

ℎ ò )

• PERIODO DELLA STRIZIONE (da M fino a rottura)

Arrivando al massimo, il materiale cambia geometria, si presentano delle regioni con deformazioni

localizzate. Tale fenomeno si chiama STRIZIONE

Nella maggior parte dei casi non è facile determinare il confine tra zona

elastica e plastica. Allora per le norme si prende lo 0.2% della

deformazione e si traccia una retta parallela a quella del tratto elastico

L’intersezione corrisponderà ad un punto detto CARICO DI

SNERVAMENTO

Ovvero quella sollecitazione tale che se io interrompessi la prova nel

determinato istante, il campione non ritorna allo stato iniziale ma

mantiene una deformazione residua dello 0.2 %

DUTTILITÀ

Indica la capacità di un corpo o di un materiale di La duttilità del materiale metallico può anche

deformarsi plasticamente sotto carico prima di essere espressa in termini di riduzione

giungere a rottura percentuale della sezione cioè di strizione

−

0

% = ∗ 100

0

Ogni materiale può reagire in maniera differente alla prova di trazione, avendo differenze principalmente

nell’andamento delle zone elastiche, delle deformazioni ecc.

Ho materiali con parte elastica molto breve e non molto evidente – è il caso di materiali fragili

Quindi viene introdotto il concetto di TENACITA’

può essere considerata come la capacità di assorbire energia e di deformarsi plasticamente prima della

rottura.

•

Supponiamo di divedere per la forza F (ottenendo σ) e dividere per la lunghezza L (ottenendo ε)

0 0

• 3

= = /

[ ]

calcoliamo l’area sottesa alla curva di trazione – dimensionalmente avremo 2

Quindi l’area sottesa alla curva corrisponde all’energia che il campione ha assorbito prima per

deformarsi e poi per arrivare alla rottura

Quindi un materiale è tenace quando l’area sottesa alla curva è molto elevata

Di conseguenza un materiale è FRAGILE quando la tenacità è molto modesta

FATICA

Condizione in cui la direzione e il modulo della

forza applicata cambia nel tempo

Il ciclo (distanza fra 2 massimi si ripete nel tempo)

Normalmente la non è molto alto

Nel caso normale abbiamo visto che se σ < S

(snervamento) il materiale ritorna allo stato

→ <

iniziale quindi se sono nella zona

elastica

Anche se la tensione massima è inferiore allo snervamento, si possono avere rotture se il ciclo di fatica è

ripetuto un numero sufficiente di volte la curva a tratto unito -> il materiale presenta un limite

di fatica – nel tratto orizzontale per valori di σ inferiore

a quello orizzontale non si ha rottura

la curva a tratti -> per quanto sia bassa la sollecitazione

avendo un numero di cicli elevati, il materiale si rompe

non sempre si possono fare prove di trazione, più che

altro per non rovinare sempre il materiale

La durezza è un valore numerico che indica le caratteristiche di deformabilità plastica di un materiale.

La prova di durezza consiste di spingere una punta sotto un certo carico sulla superficie del campione –

dall’area o dalla profondità dell’impronta otterrò la durezza

Il parametro scelto dipende dal tipo di prova:

PRINCIPIO DELLE MISURE DI DUREZZA BRINELL

La punta è sferica di diametro D, lascia un’impronta di

diametro d.

l numero di durezza Brinell è il rapporto tra il carico applicato

e l’area della calotta sferica dell’impronta e si calcola con la

formula:

PRINCIPIO DELLE MISURE DI DUREZZA VICKERS

Il penetratore è una piramide a base quadrata

Il numero di durezza Vickers è calcolato come rapporto tra

il carico applicato e l’area dell’impronta piramidale,

secondo la formula:

PRINCIPIO DELLE MISURE DI DUREZZA ROCKWELL

Al penetratore Rockwell, che può essere una sfera o un

diamante.

• Si applica un precarico “f” per la prima penetrazione e

l’azzeramento del durometro.

• Poi si applica il carico effettivo della scala scelta.

• Si misura la differenza di penetrazione in mm e la si

divide per il coefficiente della scala scelta.

• Si sottrae il risultato dal numero convenzionale 130 o

100, secondo la scala (che può essere: A, B, C, D, E, F,

G, H, K, N, T) ottenendo il numero di durezza HR

Occhio alla differenza tra durezza e resistenza, in linea generale fino ad un certo livello sono proporzionali

• DUREZZA è la capacità di un materiale di resistere alle sollecitazioni concentrate;

• RESISTENZA D'ATTRITO è la capacità di un materiale di resistere alle sollecitazioni;

• RESISTENZA ALLA FATICA: è la capacità del materiale di resistere alle sollecitazioni periodiche.

DIAGRAMMA DI STATO

Metalli allo stato solido:

• struttura cristallina caratterizzata da legame metallico

• atomi in posizioni ben precise del reticolo cristallino

Metalli allo stato liquido:

• perdita completa dell'ordine a lungo raggio

• ordine a corto raggio a livello di pochi atomi

Passaggio di stato solido-liquido:

• a T costante nei metalli puri e nelle leghe eutettiche

∆T

• in un per le altre leghe metalliche

• Accompagnato da una contrazione del volume

La lega è un materiale dove c’è un metallo predominante (solvente) e uno o più metalli in quantità inferiore

(soluto)

Nelle leghe composte da più di un elemento la solidificazione non avviene a temperatura costante quindi

∆T,

avviene in un ovvero comincia ad una temperatura più elevata e finisce ad una temperatura più bassa

(ad eccezione delle leghe eutettiche)

SOLIDIFICAZIONE

passaggio dallo stato liquido allo stato solido dei metalli.

- processo accompagnato da contrazione di volume.

-

Avviene in due stadi distinti:

→

1) comparsa di piccolissimi cristalli nel liquido

nucleazione (N) dall’inglese growth

2) crescita dei nuclei solidi (G),

Quali sono le conseguenze del prevalere della fase N (formazione di tanti nuclei) o della fase G (prevale lo

stadio di crescita dei nuclei)?

• Se il raffreddamento è lo stadio N • Se il raffreddamento è lo stadio G

rapido, lento,

prevale su G (N/G alto) prevale su N (N/G basso) – quindi avremo

pochi nuclei che crescono molto, quindi

una struttura molto grossolana

SOLIDIFICAZIONE E DIAGRAMMI DI STATO

A noi non interesseranno tutti i diagrammi di stato, ma in particolare quello ferro carbonio

Prendiamo un metallo A e aggiungiamo varie quantità del

metallo B

• Iniziamo a raffreddare lentamente (raffreddamenti di

equilibrio – il calore viene asportato con

percettibilità quasi 0)

• Registriamo nel tempo t la variazione di Temperatura

(METALLO PURO A)

Ad un certo punto la temperatura non si abbassa più ma

abbiamo una T costante, in questo intervallo di tempo il

metallo puro A sta solidificando (o sta fondendo, dipende dal

verso), finché la temperatura torna a calare

(LEGA al 40%)

Inizio a togliere calore fino ad arrivare al tempo t (dove c’è il punto angoloso), inizia la solidificazione con

velocità diversa; finita la solidificazione il materiale inizia a raffreddarsi diminuendo la propria temperatura

come faceva all’inizio

(LEGA al 100%)

Ho un materiale puro B, con T di solidificazione molto più alta di A, tale passaggio avviene a T costante.

• Per ogni lega ci segniamo la T di inizio solidificazione e fine

solidificazione (nei metalli puri queste coincidono)

Le segno nel grafico avente per ascisse la percentuale di B e come

ordinata la T temperatura

(nelle zone di metallo puro avrò un punto)

Ora unisco le zone di solidificazione e ottengo:

la linea superiore luogo dei punti nei quali

LIQUIDUS LINE:

o ho l’inizio la solidificazione

la linea inferiore il luogo dei punti ai quali ho

SOLIDUS LINE

o la fine della solidificazione

(ovviamente il verso mi indica se ho una liquefazione o una

solidificazione)

Quindi distinguo 3 zone: liquido / liquido e solido / solido

Il diagramma prende il nome di DIAGRAMMA DI STATO (FACE

DIAGRAM)

Mi metto in una lega al 50% abbasso

la temperatura notando come

cambia la composizione nei vari

passaggi e nelle varie fasi

Dalla formazione dei grani alla

solidificazione

Ora riprendo il diagramma di stato, questo in generale mi dà più informazioni

Scelgo una lega di composizione C

Vado ad analizzare cosa succede a due temperature

T1 e T3

• A T1 sono in un campo monofasico, il sistema è

costituito da un liquido omogeno che ha la

stessa composizione della lega di partenza

• A T3 sono in un campo monofasico, solido,

essendo un raffreddamento lento la

composizione sarà omogenea e corrisponderà

alla composizione C della lega

Ora prendo una temperatura intermedia T2

Disegno la linea di leva TIE LINE (disegnata solo se

mi trovo in un campo bifasico)

Le due intersezioni con la linea del liquidus e del

solidus mi danno la composizione in percentuale di liquido e di solido

Man mano che la solidificazione procede ho una progressiva formazione delle fasi che si stanno formando

Il punto bianco rappresenta il sistema nel suo complesso

Tramite posso trovare in che proporzione stanno la fase solida e quella liquida.

LA REGOLA DELLA LEVA

Il liquido del sistema al determinato istante è:

Il solido del sistema al determinato istante è:

• Nel momento in cui tocco la linea del liquido la

mia composizione è tutta liquida, la lega ha la

stessa composizione del sistema

• Man mano che abbasso la temperatura e la

solidificazione procede, le composizioni

cambiano e i primi nuclei di entrambe (in questo

caso) si impoveriscono di Nichel

Tale fenomeno è detto a

DIFFUSIONE,

temperatura sufficientemente alta gli atomi si

spostano, fanno sì che man mano che il solido

aumenta di quantità cambia anche la

composizione.

• Continuando ad asportare calore e toccando la linea del solidus, ho un liquido poverissimo di Nichel

mentre il sistema nel suo complesso solido è arrivato nella sua composizione nominale. Utilizzando

la regola della leva la quantità del liquido è 0

Concludo che man mano che la solidificazione procede sia il liquido che il solido cambiano composizione

Il loro cambiamento lo possiamo vedere nei 2 tratti di curva (bianco blu e bianco rosso) nelle linee del

liquidus e del solidus

I diagrammi che abbiamo visto finora riguarda il caso della completa miscibilità, ovvero che io posso

miscelare 2 specie atomiche avendo un’unica soluzione omogenea

Cioè si ha un graduale passaggio dal rame pure al nichel puro, senza avere variazioni strutturali.

Sono tutti e due elementi cubici a facce centrate e li posso miscelare senza avere troppi problemi

Vediamo ora il caso dell’AZEOTROPO, è una miscela di due o

più liquidi che non variano la propria composizione per

semplice distillazione

È costituito da due diagrammi identici a quelli precedenti, ma

tra questi 2 è presente un punto in cui pur essendo una lega si

comporta da metallo puro (ovvero cambia fase a T costante)

Da questo tipo di diagramma viene generato il diagramma

eutettico

DIAGRAMMA EUTETTICO

È la forma predominate del diagramma ferro – carbonio.

La linea orizzontale si chiama ORIZZONTALE EUTETTICA

identifica la TEMPERATURA EUTETTICA

il pallino bianco è detto PUNTO EUTETTICO L+β

ha diversi campi: α+L

α β

• campo monofasico, soluzione solida sostituzionale in cui la matrice (argento in questo caso)

α+β

ospita un certo numero di atomi di rame

quindi quando la lega si trova all’interno di questo campo, avrà struttura monofasica che consiste in

una soluzione solida sostituzionale di rame e argento

la linea che delimita tale zona è detta SOLVUS LINE

β

• soluzione solida sostituzionale di argento ma di matrice il rame (il solvente è il rame)

la linea che delimita tale zona è detta SOLVUS

se il mio sistema si trova all’interno del campo, in quel momento la lega è una soluzione solida

monofasica in cui atomi di argento sono dispersi nel rame

α+β

• zona bifasica la cui forma tipica che si riscontra nel campo è quella di avere grani lamellari,

ovvero laminette alternate di α e β

• tenendo presente che la zona superiore è liquido nelle zone intermedie distingue 2 zone: la prima

α+L L+β

ovvero dove è presente il liquido e la soluzione solida di argento; la seconda

contenente liquido e soluzione solida di rame

proviamo a vedere cosa succede quando raffreddo leghe di composizione diversa

iniziamo con una lega ovvero tutte quelle

IPOEUTETTICA,

composizioni a sinistra del punto eutettico

se provo a raffreddare la lega ipoeutettica

• mi si comincia a formare la soluzione solida α

• finché non tocco l’orizzontale eutettica dove il

materiale in termini di raffreddamento si comporta

come un metallo puro (a T costante)

• quando tutta la lega sarà solidificata avrò di nuovo il

calo di temperatura

Ora guardo la composizione ovvero quella

EUTETTICA,

composizione che corrisponde esattamente al punto

dell’eutettico

in termini di raffreddamento, asporto calore la

temperatura si abbassa fino ad arrivare alla T eutettica,

dove il materiale si comporta sostanzialmente come un

metallo puro fino alla solidificazione dove la temperatura

ritornerà a calare ovvero a destra del punto

LEGA IPEREUTETTICA

eutettico (dove il contenuto dell’elemento B a destra è

più alto rispetto la composizione eutettica) ho:

• il materiale si raffredda finché è liquido

• poi ho il cambio di pendenza dovuto all’inizio della

solidificazione

• la solidificazione continua ma non si completa fino a

quando non arrivo all’eutettico dove la T si arresta,

ho una trasformazione isoterma

• quando tutto il sistema sarà solido la lega

continuerà a raffreddarsi METALLO B PURO

La T si abbassa fino ad arrivare alla temperatura di solidificazi