Appunti Metallurgia

Metallurgia

Materie prime

Minerali si usa principalmente magnetite ed ematite in quanto hanno una buona alta percentuale di ferro. Passano poi per l'altoforno e per convertitori prima di essere colati.

Rottami sono tutti materiali di riciclo a fine vita, sono classificati in base alla loro natura e qualità, sono quotati in borsa. Passano solo per i forni elettrici prima della colata.

Colata

• Getti (lingotti) detti anche acciai di fonderia. È la modalità più comune e facilmente realizzabile.
• Colata continua necessità di grandi capannoni. I prodotti hanno migliori proprietà meccaniche. In questo modo vengono prodotte rotaie, profilati.

Solidificazione

La solidificazione avviene dopo la colata dove il metallo raffreddandosi si solidifica. Ogni metallo inizia questo processo a diverse temperature di solidificazione, tra quelli trattati nel corso abbiamo ferro 1535 °C e alluminio 659 °C.

• Avviene in due passaggi distinti:
  • Nucleazione (N): comparsa di piccolissimi cristalli nel liquido
  • Crescita dei nuclei solidi (G)
• Se il raffreddamento è lento allora prevale lo stato G quindi ho un rapporto N/G basso. I nuclei del metallo (Dendriti) si formano lentamente e i grani nella struttura finale sono più grandi e ordinati.
• Se il raffreddamento è rapido prevale lo stato N e ho un rapporto N/G alto. In questo caso i nuclei del metallo (Dendriti) si formano in modo molto consistente e si ostacoleranno. Nella struttura finale i grani sono molti e di diverse dimensioni.
• Nucleazione: le trasformazioni di fase (solido liquido) in condizioni reali tendono ad avvenire a temperature inferiori a quelle delle trasformazioni termodinamiche. Nel diagramma a fianco è mostrata la solidificazione per un metallo in un tempo infinitamente lungo. Una volta che il metallo arriva alla temperatura di solidificazione inizia il processo e solidifica rimanendo a temperatura costante fino a quando tutto il metallo diventa solido. Avvenuto il passaggio di stato il raffreddamento procede come una curva più lieve e quindi in un tempo più lento.
• Sotto raffreddamento: quando ho un raffreddamento rapido il metallo quando solidifica arriva a una temperatura più bassa di quella di solidificazione nota. In questo stato ho la solidificazione di parte del metallo che coesiste con la parte liquida non ancora solidificata. Successivamente per processi termodinamici la temperatura si alza fino alla temperatura di solidificazione. Dopo di che ho la solidificazione di tutto il metallo e il conseguente diminuirsi della temperatura con la curva più lieve. A causa di questo fenomeno si possono creare fenomeni vorticosi all'interno del metallo che possono causare la presenza di gas all'interno del metallo solidificato.
• Nucleazione eterogenea: in questo caso il raffreddamento è basso o nullo e si verifica quando:
  1. I nuclei si formano intorno alle inclusioni. Queste inclusioni detti inoculanti possono essere inserite per diminuire l'effetto del sotto raffreddamento, i principali sono il TiB per l'alluminio e il vanadio per il ferro.
  2. I nuclei si formano sulle pareti. Questo è dovuto al fatto che i rulli o le pareti dei getti dove viene adagiato il metallo sono a temperature più basse.
• Formazioni di strutture dendritiche si formano sempre nella direzione prevalente del gradiente termico. Se la velocità di raffreddamento è elevata allora le dendriti si formano in modo disordinato e posso avere zone in cui può essere intrappolato del gas. (zone scure nelle rappresentazioni).
• Struttura dei getti ipotizzando una sezione rettangolare, la solidificazione avviene sempre dalle pareti verso il cuore della sezione. Nel cuore quindi si formano grani più piccoli e qui posso trovare la maggior concentrazione di elementi aggiunti (carbonio, nichel, cromo) e di inoculanti.
• Difetti di solidificazione avvengono durante il raffreddamento:
  1. Contrazioni volumetriche dei materiali (ritiro). Si manifesta attraverso:
     • Ritiro volumetrico, dovuto alla diminuzione di volume specifico che si verifica allo stato liquido, durante la solidificazione e allo stato solido questo valore varia tra il 2.5 e il 6.5%
     • Formazioni di coni di ritiro, è il difetto tipico dei lingotti dovuto al fatto che la solidificazione avviene prima sulle pareti laterali e sul fondo e all'abbassamento del livello del liquido per la contrazione volumetrica. Potrebbe anche formarsi un secondo cono di ritiro nella parte centrale del lingotto, questo cono non è visibile.
     • Formazioni di cavità di ritiro, ho del liquido intrappolato all'interno del solido. In questo caso il coefficiente di contrazione del solido è minore di quello del liquido. Si forma una cavità interna in corrispondenza del baricentro termico del getto che non coincide necessariamente con quello geometrico.
     • Formazione di microcavità interdendritiche, è determinata dalla possibilità che le parti liquide rimangano intrappolate entro masse solidificate o dall'effetto del maggiore ritiro del liquido rispetto al solido che determina l'impossibilità di riempire l'intero volume.
  2. Diversa solubilità dei gas disciolti nel metallo alle varie temperature (soffiature). Può essere dovuta a:
     • Gas disciolti durante la fusione: idrogeno (umidità), bolle superficiali, azoto, ossigeno
     • Gas generati per degassaggio dello stampo o decomposizione di lubrificanti o atmosfera del forno
     • Gas generati da reazioni chimiche durante la solidificazione negli acciai; CO
     Effetti delle soffiature:
     • Diminuzione della resistenza del grezzo
     • Aumento della suscettibilità a rottura
     Per evitare le soffiature posso:
     • Evitare eccessivi surriscaldamenti
     • Ridurre la presenza del fuso nell'atmosfera
     • Utilizzare una pressione idrostatica per impedire
     • Ridurre lo sviluppo dei gas o usare tecniche da vuoto

Struttura dei materiali

Reticolo: disposizione spaziale di atomi secondo una configurazione periodica in modo che i vicini di ciascun atomo siano identici.

Cella unitaria: suddivisione di un reticolo che mantiene le caratteristiche di simmetria dell'intero reticolo.

Reticoli di Bravais:

• Cubico: 2 atomi si toccano lungo lo spigolo del cubo. Parametro della cella a = 2r₀
• Cubico a facce centrate cfc: 3 atomi si toccano lungo una diagonale della faccia a = 4r/√2
• Cubico a corpo centrato ccc: 3 atomi si toccano lungo la diagonale del cubo a = 4r/√3
• Fattore di impacchettamento (APF): frazione di spazio volumetrico occupata dagli atomi nella cella elementare. APF= (n°atomi/cella) * (volume di ogni atomo) / volume della cella unitaria

Esempio calcolo APF CFC: 4 atomi π 3³ * (4/3 (a ) = 0.74r ) / 0

Difetti di punti: vacanze, impurezze interstiziali e sostituzionali.

Meccanismo di moltiplicazione di dislocazioni (Frank-Read).

Prove meccaniche

• Pressione è data dalla forza sulla superficie. Utile in quanto quando un materiale viene sottoposto a una forza questa sarà sempre applicata su una superficie.
• Prova di trazione consiste nel sottoporre un provino a uno sforzo di trazione, generalmente fino a rottura, allo scopo di determinare una o più caratteristiche meccaniche. Le prove sono fatte a temperatura ambiente tra i 10 e 35 °C. Il provino è solitamente di forma cilindrica o rettangolare, il tratto L₀ è l'elemento che viene analizzato. La prova si effettua tenendo fermo un lato del provino e tirando l'altro lato. Il materiale tenderà ad allungarsi, questo è dovuto alla struttura cristallografica dell'acciaio dove gli atomi di ferro e carbonio sono disposti in un reticolo cubico e ciò premette l'allungamento lineare del metallo.
• Il comportamento è descritto da un diagramma ( σ indica la pressione, ε indica l'allungamento percentuale) dove possiamo distinguere diversi tratti:
  • Il primo tratto è detto elastico dove l'allungamento può essere considerato lineare, se torno al carico zero il provino torna alla sua dimensione originale L₀.
  • Il secondo tratto inizia dopo il punto di snervamento ed è un tratto elasto-plastico contraddistinto da una diversa curvatura, in quanto la velocità di allungamento aumenta progressivamente. Se provo a tornare al carico 0 il provino conserverà una deformazione residua.
  • Il terzo tratto inizia dopo il punto di snervamento, dove ho il massimo punto di carico. Dopo questo punto il provino inizia a comportarsi con un materiale plastico. La curva tende a diminuire in quanto inizia una prima strizione del materiale e poi ho la rottura del materiale.
• Dalla prova posso ricavare:
  • Il modulo di elasticità si ricava dalla porzione iniziale del diagramma.
  • Il carico di snervamento a una deformabilità dello 0.2% è il punto che divide il tratto elastico e il tratto elasto-plastico. Determina il punto dopo il quale il provino conserva una deformazione residua. Lo 0.2% identifica la deformazione limite ammessa.
  • Il carico di rottura serve per i processi tecnologici di formatura, per esempio se voglio deformare un elemento metallico o di lamiera.
  • L'allungamento percentuale a rottura quanto si è allungato il metallo prima della rottura.
  • La strizione percentuale a rottura quanto si è ridotta la sezione del provino dopo il valore massimo, serve per valutare il livello di plasticizzazione del metallo.

Diagrammi di stato

• Binari: diagramma ferro-carbonio.

Solidificazione

• Materiale puro: allora il raffreddamento avrà un andamento inizialmente lineare fino alla temperatura di solidificazione. Qui i cristalli iniziano a crescere a spese del liquido fino a che il materiale non è totalmente solido, poi continua il raffreddamento con una velocità minore però.
• Materiale lega con elementi sempre miscibili (es. rame-nichel): il raffreddamento sarà caratterizzato da diverse cuspidi, dovute al fatto che i due materiali non solidificano alla stessa temperatura. Infatti, l'elemento che ha una temperatura di solidificazione maggiore inizia il suo processo di solidificazione prima dell'altro, questo comporta una deviazione della curva di raffreddamento. Successivamente, continuando a raffreddare anche il secondo elemento inizierà il suo processo e questo comporterà una seconda deviazione, una volta che entrambi saranno totalmente solidi la curva avrà una terza deviazione. La lega che ne scaturisce è una miscibilità completa tra i due elementi.
• Materiale una lega con elementi con parziale miscibilità (es. stagno-piombo)
  • Caso (1): ho una lega con molto piombo e una bassa percentuale di stagno. La lega che otterrò si comporterà, nella solidificazione, come un materiale puro di solo piombo; in quanto lo stagno essendo in basse quantità si porrà in maniera sostituzionale, avendo raggio atomico simile a quello del piombo.
  • Caso (2): ho una lega con una quantità di stagno maggiore. La solidificazione avverrà in diverse fasi, ho un primo punto di solidificazione poi una zona di coesistenza liquido-solido, successivamente ho una zona di solo solido α, ma diminuendo la temperatura, il materiale (stagno) non riuscirà più a rimanere in maniera sostituzionale in quanto è sovrabbondante quindi viene espulso e ci creano due solidi α + β, questo è dovuto alla parziale miscibilità.
  • Caso (3): raffreddamento eutettico, (punto di bassa fusione). In questa concentrazione da liquido passò direttamente a un composto solido formato da due fasi α e β. Per capire come sono fatte le fasi posso leggerlo sul diagramma guardando il caso limite a destra e sinistra. Il tratto a sinistra ci dice quanto β in volume abbiamo, mentre il tratto a destra ci dice quanto α in volume abbiamo.
  Esempio punto eutettico a 62 %:
  • Beta vale 97.8
  • Alfa vale 18.3
  • Il tratto totale da destra a sinistra vale 97.8 - 18.3 = 79.5 %
  Per calcolare la percentuale di α e β calcolo quanto vale il tratto di destra e di sinistra. In questo caso il tratto di destra vale 35.8 (ottenuto tramite 97.8-62) e per avere poi la frazione percentuale opero una divisione tra il 35.8 * 100 = 45% tratto di destra (che mi interessa calcolare) e il tratto totale, ottenendo quindi questo valore è 79.5 la percentuale di α. Analogamente posso calcolare la percentuale di β (posso anche fare 100-45%). Se voglio calcolare l'eutettico a temperatura ambiente allora rifaccio gli stessi calcoli però valutando gli estremi del caso. Per esempio, l'estremo destro (beta) vale il 99% e l'estremo sinistro (alfa) vale il 2%.
• Caso (4): lega intermedia prima del punto eutettico (tra il 18.3 e il 62). Ho 3 punti caratteristici, un punto in cui ho solo liquido, poi una situazione intermedia di alfa più liquido. Arrivati alla temperatura eutettica posso calcolare le percentuali. In questo caso però posso calcolare la percentuale di liquido (a sinistra) e la percentuale di solido alfa (a destra). Dopo la temperatura eutettica, il sistema comincia a produrre fase eutettica a spesa del liquido. Il solido alfa che si è formato però non varia e intorno a lui il liquido si trasforma in un solido eutettico, che ho calcolato in precedenza.

Intermetalli

Si ha una composizione ben precisa del composto nel diagramma. È comunque una lega binaria.

Trasformazione peritettica

Da due fasi (alfa + liquido) formo una terza fase (beta) diversa sia dal liquido che dal solido. L'unico esempio del corso è nel diagramma di stato Ferro-Carbonio (Fe-C), dove a temperature elevate ho un punto di trasformazione peritettica.

Caratteristiche ferro puro

• Resistenza massima 180-290 MPa
• Densità 7.87 g/cm³
• Resistenza a snervamento 100-170 MPa
• Allungamento percentuale 50 %
• Strizione 80-95% ciò vuol dire che è un materiale molto duttile
• Durezza 45-55 basse
• Modulo elastico 210 GPa (non eccessivamente rigido)

Allotropoformismo

Capacità di cambiare struttura al diminuire della temperatura.

• Allo stato liquido a 1538 °C inizia a solidificarsi come Feδ (ferro delta) con una struttura di CCC (cubico a corpo centrato)
• Alla temperatura di 1394 °C il Feδ diventa Feγ (ferro gamma) detto austenite e passa a CFC (cubico a facce centrate) dove lo spazio disponibile è minore rispetto al CCC e quindi posso immaginare di intrappolare meno carbonio.
• Alla temperatura di 912 °C avviene un'ulteriore trasformazione in Feα (ferro alfa) detto ferrite e torna a essere a CCC, ma la dimensione della cella è minore di quella del Feδ.
• A 770°C il ferro diventa magnetico detta temperatura di Curie.

Il ferro puro ha un massimo di impurezze di 60 parti per milione che avvengono dai processi dell'altoforno. Queste impurezze sono per 10 ppm inclusioni non metalliche di C P S e per 50 ppm impurezze di metalli.

L'acciaio è una lega binaria quantomeno ferro e carbonio, in base alle percentuali di carbonio posso valutare le caratteristiche meccaniche.

Diagramma di stato Fe-C

Trasformazione peritettica. Utilizzo sempre le temperature da 1100 °C in giù, per descrivere meglio il comportamento, in quanto qui faccio i trattamenti principali. In base alla percentuale di carbonio variano le temperature di passaggio da un tipo di ferro all'altro. Il diagramma è poi diviso in due parti: la parte degli acciai che va dallo 0 al 2.11% di carbonio e la parte da 2.11 a 6.69% che identifica le ghise. La linea del 6.69% identifica la linea degli intermetallici Fe₃C detta cementite.

Nelle ghise ho a che fare con un diagramma eutettico detto leduburite che è instabile a temperatura ambiente e si divide in ferro e grafite. Nell'acciaio non si smiscela mai il carbonio dall'acciaio in quanto la sua percentuale non è mai in eccesso, in questo caso abbiamo un punto eutettoidico detto perlite che nel tempo a temperatura ambiente rimane stabile nel tempo.

Punti caratteristici del diagramma

• Peritettico: trasformazione da due fasi liquido + solido delta in una fase diversa detta solido gamma.
• Eutettico: da un liquido a due soluzioni solide gamma + Fe₃C che è instabile a temperatura ambiente.
• Eutettoide: da gamma a due fasi diverse alfa + Fe₃C.

Punti critici Ghise

• Ghise ipoeutettoidiche dalla concentrazione di 2.11 a 4.3 % di carbonio
• Ghise eutettica con una concentrazione di 4.3% di carbonio
• Ghise ipereutettoidiche dalla concentrazione di 4.3 fino a 6.67 % di carbonio

Punti critici Acciai

• A temperatura al di sotto della quale non può più esistere ferro gamma, non varia in base alla quantità di carbonio.
• A temperatura al di sopra della quale può esistere solamente ferro gamma, va da 912 a 727°C con concentrazione massima 0.77 % di carbonio, questi acciai sono ipoeutettoidici.
• A temperatura al di sopra della quale può esistere solo ferro.