Lezioni, Metallurgia

FRATTURA(DUTTILE(SU(MONOCRISTALLO(

I Se!noi!riusciamo!ad!attivare!un!solo!sistema!di!scorrimento,!questo!viene!percorso!

dalla!dislocazione!e!il!provino!si!rompe!lungo!una!linea!posta!a!45°!(CFC).!

I Se!si!attivano!più!piani!di!scorrimento!sia!il!fenomeno!della!restrizione,!cioè!si!ha!

rottura!a!spigolo!vivo!ed!il!punto!di!rottura!può!coincidere!con!un!solo!punto.!

!

FRATTURA(DUTTILE(NEI(POLICRISTALLI(

In!questo!caso!abbiamo!la!frattura(A(COPPA(E(CONO:(Per!effetto!del!carico!applicato!si!ha!

uno!scollamento!della!matrice!delle!particelle!e!al!centro!del!campione!inizia!a!crearsi!una!

fessura!perpendicolare!al!carico!applicato!perché!ci!sono!inclusioni!o!doppie!fasi.!Il!taglio!e!

maggiore!a!45°,!all’apice!della!fessura!si!creano!bande(di(taglio(a(45°:!

!

!

!

!

Può!succedere!che!queste!bande!di!taglio,!incontrando!un!ostacolo,!cambino!direzione!dando!

origine!ad!una!frattura(a(zigDzag.(

Il!fenomeno!avviene!perché!forniamo!energia!necessaria!a!creare!nuove!superfici.!

L’energia!di!tipo!elastico!serve!per!creare!nuove!superfici!!!NUCLEAZIONE.(

La!deformazione!critica!per!avere!la!nucleazione!è:!

! !/!

! = ( ) !

4!"

La!tensione!critica!per!avere!nucleazione!aumenta!con!l’aumentare!dell’energia!superficiale!

ma!diminuisce!con!l’aumentare!della!dimensione!delle!particelle.!

Crescita:!Più!abbiamo!particelle!più!le!fessure!crescono.!

È!importante:!

La!frazione!volumetrica;!

La!natura!delle!particelle,!cioè!se!le!particelle!sono!più!o!meno!legati!alla!matrice.!

Il!carburi!sono!più!difficilmente!staccabili,!mentre!i!solfuri!si!staccano!più!facilmente.!

!

(

(

(

PARTICELLE(COERENTI:(es(i(carburi(

Le!particelle!coerenti!sono!strettamente!connesse!alla!matrice!e!le!dislocazioni!con!difficoltà!

passano!dalla!matrice!alle!particelle!e!attraversano!le!particelle!(Hanno!un’interfaccia!

comune);!Sono!quelle!che!danno!risultati!migliori!in!termini!di!resistenza!tenacità.!

(

PARTICELLE(INCOERENTI:(es(i(solfuri(

Non!sono!così!aderenti,!non!sono!attraversabili!dalle!dislocazioni,!non!hanno!interfaccia!

comune.!

!

Oltre!alle!dimensioni!delle!particelle!conta!anche!la!disposizione!delle!particelle!(tondeggianti!

o!allungate!!solfuri);!Le!particelle!allungate!causano!il!fenomeno(del(traverso:(Prendiamo!

particelle!allungate!nel!verso!della!laminazione,!se!andiamo!a!vedere!la!sezione!resistente,!

questa!è!quella!perpendicolare!e!qui!le!particelle!sono!molto!piccole!e!quindi!danno!poco!

fastidio.!Se!guardo!le!particelle!trasversali!ho!il!fenomeno!opposto:!Le!particelle!sono!molto!

allungate,!mi!danno!molto!fastidio!!!Le!proprietà!trasversali!danno!fastidio.!

!

Lo(zolfo!che!è!presente!in!percentuali!piccole!(0.01%I0.02%)!è!molto!nocivo,!perché!mi!da!

l’effetto!del!traverso!e!con!il!ferro!forma!il!FeS,!un!eutettico(forma!il!liquido,!quindi!butto!via)!

a!bassa!temperatura!(900°C).!

Ma!lo!zolfo!serve!perché!può!intervenire!favorevolmente!quando!abbiamo!materiali!in!cui!

dobbiamo!avere!facile(lavorabilità(all’utensile!(ad!esempio!viti,!bulloni,…),!cioè!quando!

dobbiamo!lavorare!per!asportazione!di!truciolo.!

Il!problema!è!che:!se!il!truciolo!non!si!sgrezza!!!si!allunga!!!avvolge!l’utensile!e!lo!rovina.!Lo!

zolfo!mi!infragilisce!il!materiale!e!mi!spezza!subito!il!truciolo.!

In!genere!di!zolfo!se!ne!mette!il!0.1%,!quindi!10!volte!tanto,!poi!aggiungo!manganese!Mn,!che!

ha!affinità!per!lo!zolfo!maggiore!rispetto!al!ferro;!In!questo!caso!si!forma!il!solfuro!di!

manganese!MnS,!che!ha!l’eutettico!a!1250°C,!quindi!posso!lavorare!meglio:!E!il!caso!degli!

acciai(automatici!o!acciai!a!al!lavorabilità!migliorata.!Con!il!solfuro!di!manganese!però!ogni!

problema!della!ruggine;!anche!nel!caso!di!acciai!inossidabili,!se!ho!tanto!MnS,!!questi!possono!

arrugginire!oppure!rompersi!fragilmente.!

L’Idrogeno(atomico!e!un!altro!elemento!che!mi!dà!molto!fastidio!perché!ha!le!dimensioni!

simili!agli!interstizi!del!ferro,!quindi!si!può!inserire.!

L’idrogeno!atomico!salta!fuori!nei!processi!galvanici,!nei!processi!dissociativi,!durante!il!

decapaggio!o!anche!durante!i!processi!di!saldatura.!L’idrogeno!entra!come!atomo!nei!reticoli!

del!ferro,!va!ad!inserirsi!nelle!dislocazioni,!bordi!di!grano!o!vacanze,!che!sono!le!trappole!di!

idrogeno,!e!non!fa!nulla!fino!a!che,!per!motivi!termodinamici,!non!si!forma!H ,!con!

2

conseguente!aumento!di!volume,!aumento!di!tensioni!e!quindi!rottura!del!materiale!!!

Rottura(differita(da(idrogeno.!

E!pericoloso!perché:!!

I!non!posso!sapere!che!è!entrato!H;!!

I!frattura!fragile,!quindi!improvvisa.!

L’unica!possibilità!è!lavorare!preventivamente,!quindi!togliere!l’idrogeno!quando!ad!esempio!

effettuo!il!trattamento!galvanico,!perché!puo!entrare!facilmente!ma!anche!uscire!facilmente,!

allora!lo!tolgo!subito:!Dopo!il!trattamento!sottopongo!il!materiale!ad!una!ricottura(di(

deidrogenazione!(180°!per!4/24!ore,!48!ore!per!pezzi!aerei,!oppure!a!60°c!per!una!settimana!

se!il!mio!campione!mi!serve!per!produrre!milioni!di!pezzi).!

Oltre!alle!particelle!anche!la!matrice!influisce!sulla!duttilità;!per!questo!si!usa!la!matrice(

bonificata!(cioè!sottoposta!a!trattamento!termico),!detensionata.!

Rinvenimento!!!All’aumentare!della!temperatura!aumenta!la!tenacità.!

Più!la!matrice!e!in!grado!di!incrudirsi,!maggiore!e!la!resistenza!della!matrice!stessa.!

FRATTURA(FRAGILE(

Avviene!facilmente!cioè!con!poco!assorbimento!di!energia!nei!materiali!CCC!e!EX!se!lavoriamo!

a!temperature!molto!basse!(dislocazioni!che!non!si!muovono).!

(

CCC(

Le!facce!del!cubo!non!sono!attraversati!dalle!diagonali,!quindi!non!ho!scorrimento;!se!vado!a!

sollecitare!le!facce!del!cubo!allora!il!materiale!si!spacca!con!basso!assorbimento!di!energia;!

questo!fenomeno!è!detto!sfaldatura!o!clivaggio.!Non!è!possibile!nei!materiali!CFC.!

Carico!teorico!di!frattura:!

Dobbiamo!dare!energia!per!rompere!i!legami!e!creare!nuove!superfici!(energia!superficiale);!

questa!energia!e!integralmente!di!tipo!elastico:! !"

! = !

! !

γ!è!l’energia!superficiale,!E!è!il!modulo!di!Young!e!a!è!la!distanza!interatomica!media.!

!

FRATTURA(FRAGILE(ORIGINATA(DA(FESSURE(

!!Teoria!di!Griffith!!!All’apice!della!fessura!c’è!una!concentrazione!di!sforzi:!

!

! = 2! !

!"#$#%"&%" !

dove!c!è!la!lunghezza!della!cricca!e!ρ!è!il!raggio!di!curvatura!all’apice!della!cricca.!

Dall’equazione!si!nota!che:!

I Più!alto!è!c,!maggiore!è!la!tensione;!

I Più!piccolo!e!il!raggio!di!curvatura,!maggiore!è!la!tensione!(Per!questo!gli!spigoli!

devono!essere!raccordati).!

Posso!allora!calcolarmi!lo!sforzo!di!rottura!andando!ad!eguagliare!le!due!equazioni!sopra!e!

ottengo:! !"#

! = !

!"##$!% 4!"

Si!nota!che!questo!è!un!processo!che!si!auto!alimenta!cioè!man!mano!che!la!cricca!cresce,!

serve!meno!energia!per!farla!crescere!e!lo!sforzo!di!rottura!diminuisce.!

!

Prova!di!trazione!!!condizioni!ideali.!

Prova!K !!nelle!peggiori!condizioni.!

1c

!

Queste!fessure!possono!crearsi!a!causa!di:!

I Accumulo!di!dislocazioni!!!fessure;!

I Intersezione!di!due!piani!!!impilaggio!di!dislocazioni!!!fessure!

Le!fessure!sono!facilmente!nucleabili,!si!devono!propagare!e!l’energia!viene!assorbita!come:!

energia!superficiale,!energia!cinetica,!energia!di!deformazione!plastica!(possiamo!avere!una!

componente!plastica!all’apice!della!cricca).!Se!il!materiale!non!permette!la!deformazione!

plastica,!la!temperatura!è!bassa!e!la!velocità!di!applicazione!del!carico!è!bassa,!allora!il!

materiale!non!è!idoneo.!

Si!avviene!la!deformazione!plastica,!questa!mi!blocca!la!critica.!Quando!le!dislocazioni!

incontrano!le!critiche,!si!formano!le!tacche!che!ostacolano!la!cricca!stessa.!

!

!

!

Influenza(dei(bordi(di(grano:(

Più!i!grani!sono!piccoli,!più!le!critiche!avranno!difficoltà!ad!avanzare,!per!questo!e!

conveniente!fare!la!bonifica!(riduzione!dei!grani).Se!i!grani!sono!grossi!al!massimo!una!sola!

cricca!può!attraversare!il!materiale!e!spaccarlo.!

Se!i!grani!sono!grossi!il!carico!necessario!far!avanzare!una!cricca!può!essere!più!piccolo!

# del!carico!necessario!a!nucleare!nuove!cricche:!!!frattura(a(nucleazione(limitata!!!

una!sola!cricca!produce!il!tutto.!

Se!i!grani!sono!fini!!!frattura(a(propagazione(limitata!!!Tante!microfessure!che!si!

# originano!portano!alla!frattura.!

!

Influenza(del(carico:(

L’influenza!del!carico!è!importante!se!ho!grandi!carichi!a!tensione!e!piccoli!carichi!di!taglio.!

Tensione!uniassica!!!Il!taglio!massimo!è!a!45°;!

Con!carichi!in!tre!dimensioni,!l’azione!del!taglio!può!limitarsi!o!addirittura!annullarsi.!

!

Riassumendo…(

I(fattori(che(influenzano(la(frattura(fragile(sono:(

Basse(temperature;(

# Elevate(velocità(di(applicazione(del(carico;(

# Presenza(di(intagli((mi(trasformano(il(carico(da(monoassiale(a(triassiale);(

# Tipo(di(materiale.(

# LA#LUCENTEZZA#

#

Per$avere$lucentezza$è$necessario$che:$

La$superficie$deve$essere$100%$metallica;$

• La$superficie$deve$essere$piana.$

•

Questo$non$è$scontato,$perché$è$possibile$avere$ossidi$sulla$superficie$!$Allora$dovrò$

ripristinare$la$superficie$prima$di$osservare$il$metallo$al$microscopio;$il$procedimento$è$il$

seguente:$

1. Surriscaldo$il$materiale$ma$non$a$temperature$troppo$elevate;$

2. Passo$il$materiale$su$delle$carte$a$carburo$di$silicio$con$granulometria$diversa$che$

ruotano$e$uso$come$lubrificante$dell’acqua;$

3. Pulisco$il$campione;$

4. Utilizzo$un$secondo$tipo$di$carte$a$grano$più$sottile;$

5. Poi$uso$delle$resine$termoindurenti$che$mi$permettono$di$maneggiare$con$più$facilità$il$

campione,$di$proteggerlo,$di$scriverci$sopra$per$identificarlo$(inglobatura).$

6. Dopo$aver$passato$il$metallo$su$queste$carte,$passiamo$ai$panni:$cioè$sono$dei$tessuti$

di$cotone,$insieme$ai$quali$uso$come$mezzo$abradente$la$polvere$di$diamante$

(industriale$a$partire$da$7μm$fino$a$0.3μm).$Anche$in$questo$caso$ogni$volta$che$

cambiamo$panno$dobbiamo$ruotare$il$campione.$Non$usiamo$l’acqua$come$

lubrificante,$perché$le$sue$particelle$potrebbero$rigare$il$metallo,$ma$dell’alcool$

dietilico$(si$può$anche$usare$come$mezzo$abradente$la$soluzione$acquosa$di$allumina,$

che$è$un$ossido$di$alluminio$molto$duro,$però$in$questo$caso$c’è$il$rischio$di$sporcare$

ovunque$perché$l’allumina$liquida$“spruzza”$da$tutte$le$parti).$$