Materiali Metallici (seconda parte)

N.B:

Nel caso di una lega eutettica abbiamo bordo grano dove cambia l’orientamento delle

• lamelle.

Nelle varie condizioni è bene vedere come cambia la curva di raffreddamento. Esse sono

• curve teoriche in cui non si considera nessun sottoraffreddamento.

Diagramma di stato ternari

Ho tre componenti e il diagramma diventa a 3 dimensioni. Inizio ad avere una superficie del

liquidus e una superficie del solidus. Si adottano degli accorgimenti per poter lavorare con dei

diagrammi pseudobinari:

- Anziché studiare cosa cambia termodinamicamente fisso un componente e vedo cosa

cambia al variare degli altri due. Applico un taglio verticale e fisso una concentrazione. 7

- Oppure posso fare dei tagli orizzontali fissando la temperatura e vedo come cambia lo stato

termodinamico al variare dei tre componenti. Cambiando le composizioni chimiche posso

studiare le fasi dei componenti.

Vi è un punto quadruplo in cui vi è un punto eutettico: liquido, A puro, B puro e C puro.

Varianza: 3-4+1=0. I componenti a due a due hanno un punto eutettico e presentano

immiscibilita allo stato solido. Lamelle alternate A,B,C.

Le segregazioni

Nei diagrammi di stato binari tutto il solido ha una composizione chimica che aumenta o

diminuisce all’abbassarsi della temperatura. La diffusione può operare raffreddando

lentamente. Al contrario se abbassassi la temperatura velocemente non si darebbe agli atomi il

tempo di portarsi alle composizioni chimiche di equilibrio e, quindi, creerei delle disomogeneità

dal punto di vista fisico che può sfociare in una disomogeneità dal punto di vista

segregazione:

microstrutturale. Questo fenomeno viene chiamato è un meccanismo che porta

alla formazione di disomogeneità di composizione chimica e disomogeneità di struttura nel

materiale. Essa può essere su due scale diverse: può interessare il grano cristallino

minore o micro-segregazione) segregazioni

(segregazione oppure ho dei pezzi o lingotti dette

maggiori (in lingotti di 150 tonnellate ho una differenza di composizione che interessa i m, cm).

Micro-segregazione

Fisso la composizione chimica c e guardo da un punto di vista chimico cosa accade all’interno

0

del grano:

Abbasso la temperatura per step infinitesimi. Il grano cresce in modo compatto: arriviamo

• alla temperatura di liquidus e inizia a formarsi il solido con composizione

chimica pari a c . Abbasso e vado alla temperatura T quindi il solido aumenta

1 2

e il grano cristallino già formato diventa più grande in modo equiassico.

Composizione chimica? c . Posso fare questa operazione fino a quando vedo

2

che il grano è sempre più grande con composizione chimica pari a c .

4

Raffreddo molto velocemente il materiale in modo di

•

inibire la diffusione. Il grano cresce e aumenta la

quantità di solido che si forma intorno al primo cristallo

formatosi. Il primo grano, nocciolo, ha composizione

chimica pari a c mentre l’esterno ha composizione

1

c1+c2/(numero di strati che ho creato) perché ogni strato, non

essendoci diffusione, mantiene la proprio composizione chimica. Si

continuano a creare strati di solido e i punti che trovo li traferisco nel

grafico: creo nuova retta (in rosso). Il nuovo grano all’interno è povero

di soluto e all’esterno è carico di soluto. La composizione chimica

media è più “scarica” di soluto. Ho creato una nuova curva del solidus

in condizione di equilibrio: micro-segregazione implica gradiente di composizione chimica

Il soluto dov’è?

all’interno del grano. Esso resta nel liquido. Il rischio è che se non ho

diffusione il liquido si arricchisce talmente tanto di soluto che l’ultimo solido che si forma è

completamente formato da soluto puro. Questa stratificazione prende il nome di “ad

aureole”.

N.B: Se avessimo un accrescimento dendritico sarebbe uguale ma avremmo un accrescimento

di questo genere sulle dendriti. Dal punto di vista fisico non cambia niente.

Raffreddo velocemente in totale assenza di diffusione: il grano si presenta micro-segregato.

• ︎

Quando abbassiamo velocemente la temperatura l’intervallo di solidificazione aumenta fino a

T : si crea la nuova curva del solidus. Se la lega ha un intervallo di solidificazione che si

Bf

amplia durante un ciclo termico o in esercizio, il materiale potrebbe essere liquido a una

temperatura in cui prima non lo era. L’ultimo liquido che solidifica è B puro.

︎ 8

Raffreddamento relativamente veloce ma in presenza di fenomeni

•

diffusivi. Tendenzialmente non inibiamo la diffusione ma rimaniamo

in una situazione intermedia (punto grigio) in cui comunque si

cambia la curva del solidus.

Quando il diagramma presenta un punto eutettico formo nuove

curve del solidus ma sto estendendo il campo di esistenza di

quest’ultimo: esso viene esteso fino al punto Ts’ in cui termina la

solidificazione. In questo caso è un problema perché l’eutettico è il

punto di bassa fusione quindi se alzo la temperatura del materiale,

in quel punto ho fusione della struttura eutettica.

solubilità limitata

Si possono avere segregazioni anche nel caso di una lega binaria a di B in A

allo stato solido, con possibile formazione di eutettico. Le segregazioni minori sono accentuate

quando:

- La differenza di concentrazione tra le curve del solidus e del liquidus è ampia;

- I cristalli sono di notevoli dimensioni (l’accrescimento è stato molto più efficace della

nucleazione);

- La temperatura di solidificazione è bassa (diffusione è meno efficace).

Bruciatura

A causa della segregazione, si forma un eutettico non “previsto” dal

diagramma di stato︎ : a bordo grano di sviluppa una “guaina” basso-

fondente. Durante un trattamento termico o una lavorazione plastica a

caldo, tale “guaina” subisce una fusione parziale, che danneggia la

microstruttura.

Il trattamento di omogeneizzazione

Per eliminare le micro-segregazioni dopo che il pezzo è solido, posso effettuare un trattamento

ricottura di omogeneizzazione.

termico: Essa prevede di effettuare un trattamento termico in

modo tale da attivare i fenomeni diffusivi. Gli atomi, possono muoversi all’interno del grano

cristallino e riuniformare la chimica nel singolo grano.

Esempio: alluminio(7)-silicio(0,3). Se faccio un trattamento ho un profilo di concentrazione che

si sta appiattendo: da un andamento parabolico ne ho uno orizzontale (ho scaldato a 540˚per

15 minuti). Il magnesio viene riuniformato. Devo scegliere comunque una temperatura non

troppo elevata in modo tale da non avere bruciature nel materiale ma devo permettere agli

atomi di muoversi. Questo trattamento si fa sui getti ma se ad esempio colo dei lingotti posso

trattamento

associare oltre a questo trattamento anche una lavorazione meccanica —>

termo-meccanico. Il materiale viene deformato e scaldato contemporaneamente. Esso può

essere fatto solo se l’oggetto può essere plasticizzato.

Macro-segregazione

La disomogeneità chimica che si forma è dovuta agli elevati tempi di solidificazione e

all’abbassamento lento della temperatura. Può essere di due tipologie:

Spostamento per diffusione nella fase liquida;

• Spostamento meccanico di una fase rispetto ad un’altra.

•

1. Spostamento per diffusione

Prendo un lingotto di grosse dimensioni. Il fronte di solidificazione procede dall’esterno verso

l’interno e gli elementi presenti all’interfaccia possono essere sospinti verso l’ultima zona che

solidifica. Alla fine osservo che ho solidificato tutto il pezzo e studio gli elementi. 9

Esempio: voglio formare un lingotto con 0,3% di carbonio (C30) ma alla fine si presenta che

nella zona corticale il materiale ha una chimica del 0,28% mentre nel cuore un]a del 0,36%. Mi

accorgo che gli elementi (C, S e P) sono migrati ad arricchire il cuore del materiale. Essi

aumentano la durezza ma fanno perdere duttilità: inizio ad avere un lingotto che è fragile nel

cuore.

2. Spostamento meccanico di una fase rispetto un’altra

• Spostamento del solido nel liquido (o segregazione per gravità): prendo un pezzo grande che

deve solidificare. La prima fase solida che si forma potrebbe avere una differenza di densità

rispetto al liquido. Quindi il primo solido sedimenta. Al contrario se il solido ha densità

stratificazione del materiale:

minore esso tende a galleggiare. Ho una i primi solidi o sono

sedimentati o fluttuano.

Esempio: ghisa. Se il pezzo è di grosse dimensioni la grafite ha una densità molto bassa quindi

nella tenderà a flottare (viene a galla) in superficie. Non ho la grafite uniformemente distribuita

nel pezzo.

Spostamento del liquido nel solido (o segregazione inversa): quando ho uno spostamento

• lento ma non all’equilibrio il liquido che diminuisce in quantità si sta arricchendo di soluto e

esso si infila nelle regioni interdendritiche oppure nelle cavità da ritiro. Quel solido sarà più

carico di elementi rispetto alla zona circostante: presenterà una struttura diversa rispetto alla

zona circostante. Nel materiale non ho proprietà isotrope cioè ha caratteristiche diverse che

variano da zona a zona. Questo problema si presenta ad esempio nel bronzo: rame e stagno.

In alcune zone c’è un ammasso di stagno e ad esempio nelle campane si crea un suono non

desiderato.

Per evitare le macro-segregazioni si fa solidificare velocemente il materiale ma così andrei

incontro al problema delle micro-segregazioni. Comunque quest’ultima è eliminabile tramite un

trattamento termico, al contrario la macro-segregazione non è fattibile in quanto dovrei far

muovere atomi di cm o m. Oppure, per risolvere il problema, scelgo una lega con piccolo

intervallo di solidificazione (poco spazio tra la curva del solidus e quella del liquidus) altrimenti

posso deformare e scaldare contemporaneamente il materiale.

IL DIAGRAMMA Fe-C

La descrizione delle caratteristiche dei prodotti siderurgici e delle loro possibilità di impiego

non può prescindere dalla conoscenza delle strutture di equilibrio delle varie leghe in funzione

della percentuale di Carbonio e della temperatura (acciai e ghise). Tali strutture sono

rappresentate nel diagramma di equilibrio Fe-C.

Il Ferro e il Carbonio si combinano tra loro per formare il Carburo Fe C, contenente il 6,67% in

3

cementite o carburo di ferro.

peso di C, denominato È opportuno precisare che, sulla base di

dati termodinamici, le condizioni di equilibrio stabile per il sistema Fe-C sono rappresentate dal

diagramma Ferro-cementite per temperature sup