Appunti, Tecnologia dei materiali metallici

Acciai da profondo stampaggio

La caratteristica principale degli acciai da profondo stampaggio è che siano facilmente lavorabili in campo plastico. Si preferisce lavorare con coefficienti di incrudimento alti per avere maggiore deformazione e maggior sicurezza durante la lavorazione, potendo lavorare in un campo di tensioni più grande.

Il carico di snervamento deve essere il più basso possibile. Infatti, ad un maggior carico di snervamento corrisponde una maggiore potenza delle presse, quindi un aumento dei costi. Inoltre, con un maggior carico di snervamento, a parità di incrudimento, si ha un maggiore ritorno elastico, quindi più energia va sprecata e si hanno maggiori problemi nel dimensionare gli stampi. Tuttavia, ad un carico di snervamento basso corrisponde un carico di rottura relativamente basso (ad eccezione di acciai particolari). Bisogna quindi trovare un compromesso tra resistenza e stampabilità.

Il modulo elastico deve essere elevato: infatti, ad un minor modulo elastico corrisponde un maggior ritorno elastico e quindi maggiori difficoltà nello stampaggio. È ad esempio il caso dell’alluminio (E= 70 GPa contro i 210 GPa dell’acciaio) che è più problematico da stampare rispetto all’acciaio.

Infine, gli acciai da profondo stampaggio devono avere un elevato coefficiente di anisotropia. Il coefficiente di anisotropia misura il fatto che il materiale non ha ovunque le stesse proprietà di deformabilità: un materiale perfettamente isotropo subisce una deformazione identica in tutte le direzioni. Un allungamento nella direzione della lunghezza provoca un accorciamento nella direzione di larghezza e spessore. L’accorciamento nella direzione dello spessore può rendere il materiale laminato molto poco resistente, perciò si vuole che il materiale si accorci soprattutto in larghezza piuttosto che in spessore. Il coefficiente di anisotropia viene indicato come R = ε_larghezza / ε_spessore.

Un basso carico di snervamento si ottiene con un materiale con pochi grani (i bordi di grano costituiscono un ostacolo al moto delle dislocazioni) e che non presenta altri elementi in soluzione (il tenore di carbonio deve essere molto basso). Il grano grosso implica anche un coefficiente di incrudimento elevato.

Il coefficiente di anisotropia si varia inibendo la formazione e la crescita dei piani a maggior scorrimento nella direzione dello spessore. Infatti, se nella direzione dello spessore le dislocazioni non possono muoversi, la deformazione in quella direzione non avviene.

Negli acciai calmati in alluminio, buona parte dell’alluminio viene rimossa come ossido, ma circa lo 0,04% rimane in soluzione. Dopo la laminazione a freddo, si procede con una ricottura che ha lo scopo di rimuovere le tensioni dovute alla laminazione. Durante la ricottura, l’alluminio e l’azoto rimasti dentro l’acciaio reagiscono e precipitano come nitruro di alluminio durante la formazione di nuovi grani dovuta alla ricottura (se la precipitazione del nitruro non è contestuale alla formazione dei piani di scorrimento non si ottiene l’effetto desiderato). Per meccanismi noti, il nitruro di alluminio precipitato blocca la crescita dei piani di scorrimento nel senso dello spessore. Gli acciai calmati in alluminio hanno quindi un elevato coefficiente di anisotropia. Dal momento che il nitruro di alluminio precipita solo in un determinato range di temperatura, non si deve lavorare in questo intervallo di temperature durante le operazioni precedenti la ricottura: la laminazione a caldo avviene a temperature più alte, l’avvolgimento ai nastri va fatto invece alla temperatura più bassa possibile.

• Prodotti con spessore > 1,8 mm subiscono laminazione a caldo (T > 800 °C)
• Prodotti con spessore < 1,8 mm subiscono laminazione a freddo (T ambiente)

Laminati a caldo

• Fe P11 Effervescente
• Fe P12 Effervescente
• Fe P13 Semicalmato

Laminati a freddo

• Fe P01 Effervescente
• Fe P14 Calmato
• Fe P02 Effervescente
• Fe P06 Calmato all’Al-Nb
• Fe P03 Semieffervescente
• Fe P04 Calmato all’Al
• Fe P05 Calmato all’Al-Ti

Dislocazioni

Le dislocazioni sono un difetto reticolare che è stato prima ipotizzato e poi verificato sperimentalmente e da cui dipende la deformabilità plastica dei metalli. Per deformare un reticolo cristallino perfetto bisogna fornire un’energia tale da spostare gli atomi di una posizione atomica (o meglio di almeno la metà della distanza interatomica perché poi l’atomo sarebbe energeticamente attratto dalla nuova posizione nel reticolo).

τ = G × γ; γ = (a/2)/a, a: distanza interatomica = G/2, G: modulo di elasticità tangenziale.

Si tratta di valori di tensione elevatissimi che non hanno riscontro con la realtà sperimentale, ci sono almeno tre ordini di grandezza di differenza.

Una dislocazione a spigolo consiste nella mancanza di una semifila (semipiano nello spazio) di atomi. Il piano dove si muove la dislocazione è il piano di scorrimento. Per spostare gli atomi adiacenti alla dislocazione all’interno della dislocazione stessa occorre uno sforzo molto minore perché la distanza è molto più piccola. Le dislocazioni a spigolo (positive o negative) e le dislocazioni a vite (destrogire o levogire) formano in genere dei circuiti di dislocazioni. Nelle dislocazioni a vite agisce solo sforzo di taglio, mentre in quelle a spigolo è presente anche sforzo normale di trazione o compressione.

Il vettore di Burgers identifica una dislocazione; di solito è uguale a una distanza reticolare ed è il vettore che permette di chiudere il circuito. Quando il vettore di Burgers è uguale alla distanza di reticolo, la dislocazione è detta di reticolo. Più grande è il vettore di Burgers, più è difficile che la dislocazione si muova. Inoltre, l’energia connessa a una dislocazione è proporzionale al quadrato del vettore di Burgers. Il vettore di Burgers giace sempre sul piano di scorrimento: è perpendicolare alle dislocazioni a spigolo ed è parallelo alle dislocazioni a vite. Nel caso delle dislocazioni a vite, essendo il vettore di Burgers parallelo, in teoria tutti i piani contenenti la dislocazione e il vettore possono fungere da piani di scorrimento, mentre nel caso delle dislocazioni a spigolo il piano di scorrimento è univocamente definito.

Se la dislocazione incontra un ostacolo durante il movimento, può superarlo solo cambiando piano di scorrimento, quindi ciò è possibile solo per le dislocazioni a vite. Esiste però una possibilità per le dislocazioni a spigolo di cambiare piano di scorrimento e questo avviene quando incontrano una vacanza. All’aumentare della temperatura aumenta il numero di vacanze e di conseguenza aumentano le possibilità delle dislocazioni a spigolo di muoversi. Questo spiega perché è più facile deformare un materiale a caldo piuttosto che a freddo.

Meccanismo di Frank-Read: quando una dislocazione incontra un ostacolo insormontabile, gli estremi rimangono bloccati e la dislocazione inizia a incurvarsi fino a richiudersi e formare un anello che si allontana sempre di più. La dislocazione originale rimasta bloccata negli estremi fissi rimane e inizia il nuovo ciclo con la formazione di un’ulteriore dislocazione ad anello e così via. Di conseguenza, il movimento di dislocazione genera altre dislocazioni che, crescendo, interferiscono tra loro, generando un ingorgo di dislocazioni. Questo provoca il fenomeno dell’incrudimento.