Materiali per il design

DIFETTI DI SUPERFICIE E BORDI DI GRANO

Un materiale metallico commerciale non è mai costituito da un unico cristallo bensì da numerosissimi piccoli cristalli, detti grani cristallini, ognuno dei quali costituito da un reticolo cristallino con orientazione diversa da quello adiacente.

La deformazione plastica di un materiale metallico determina, oltre che creazione e movimento di dislocazioni, anche rottura dei grani cristallini, e conseguentemente porta a una diminuzione della dimensione dei grani stessi.

Solo una deformazione plastica a freddo consente di ottenere diminuzione della dimensione dei grani, che determina aumento della resistenza meccanica.

STRUTTURA DELLE LEGHE METALLICHE

Metalli diversi possono coesistere in un unico reticolo cristallino, oppure formare contemporaneamente due o più reticoli cristallini. Ciò è possibile grazie alla formazione di: soluzioni solide interstiziali, soluzioni solide sostituzionali.

fasi intermedie

• Soluzioni solide interstiziali: gli atomi del soluto, il metallo presente in minor quantità, sono sufficientemente piccoli da poter occupare i vuoti tra gli atomi del solvente. Il metallo presente in maggior quantità, all'interno del reticolo cristallino di questo elementi non metallici di piccole dimensioni come il carbonio, danno luogo a soluzioni solide interstiziali.
• Soluzioni solide sostituzionali: gli atomi di soluto prendono il posto di atomi del solvente. Solo poche coppie di metalli fra loro molto simili (Cu_Ni, AU_Ag) sono in grado di dare completa solubilità sostituzionale. Nella maggior parte dei casi la massima solubilità del soluto nel solvente è limitata.
• Le fasi intermedie, o composti intermetallici, sono costituite da reticoli cristallini differenti da quelli degli elementi puri che le formano e sono caratterizzate da particolari rapporti tra gli elementi che le compongono. Tipico esempio di fase

intermedia è il carburo di ferro. MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO Le caratteristiche meccaniche di tutti i metalli puri sono piuttosto basse e possono essere aumentate sfruttando vari meccanismi di rafforzamento. Qualsiasi trattamento riesca a creare ostacoli al movimento delle dislocazioni determina un aumento delle caratteristiche meccaniche. - Rafforzamento per alligazione: L'aggiunta di un elemento di lega a un metallo può dar luogo a soluzioni solide. Ad esempio, il rame puro commerciale (sforzo di rottura di 235 MPa) + il 10% di stagno = bronzo, che ha la stessa struttura cristallina e presenta uno sforzo di rottura di 455 MPa. - Rafforzamento per incrudimento: La deformazione plastica a freddo determina in un materiale metallico la moltiplicazione delle dislocazioni presenti e la loro interazione. Ad esempio, il rame puro (sR 235 MPa) diventa rame fortemente incrudito (sR 400 MPa). - Rafforzamento per trattamento termico: Mediante i trattamenti termici è possibile ottenere strutture quasi

Le trattamenti termici sono operazioni che vengono eseguite sui materiali metallici al fine di modificarne le proprietà meccaniche. Questi trattamenti possono essere suddivisi in diverse categorie:

- Rammollimento: Consiste nel riscaldamento del materiale a temperature elevate per renderlo più malleabile e facilitarne la lavorazione.

- Ricottura: Viene eseguita per eliminare le tensioni interne presenti nel materiale e migliorarne la duttilità.

- Tempra e rinvenimento: Questi trattamenti vengono eseguiti su alcuni acciai per ottenere caratteristiche meccaniche più elevate. La tempra consiste nel riscaldamento del materiale seguito da un rapido raffreddamento, mentre il rinvenimento è un ulteriore riscaldamento che permette di ottenere un compromesso tra resistenza meccanica e tenacità.

- Rafforzamento per precipitazione: Questo trattamento prevede l'aggiunta di piccole quantità di altri elementi al materiale metallico. Ciò provoca la formazione di piccoli precipitati all'interno del reticolo cristallino del materiale, migliorandone le proprietà meccaniche.

ostacola la deformazione del materiale, rafforzandolo.

PROPRIETÀ

• Classe di materiali con le densità più elevate
• Caratteristiche meccaniche mediamente elevate e diverse a seconda del metallo
• Leghe metalliche sono più resistenti meccanicamente rispetto ai rispettivi metalli puri
• Rigidità elevata e diversa tra i vari metalli
• Tutti i metalli conducono l’elettricità e il calore
• Sono opachi e lucenti
• Il principale tipo di degrado: corrosione

LEGHE DEL FERRO

Le Leghe di ferro sono leghe metalliche costituite da ferro e carbonio. Il ferro non è mai utilizzato come metallo puro, ma sempre in lega con carbonio e altri elementi. In funzione del tenore di carbonio (minore o maggiore di 2,06%) le leghe di ferro sono: acciai (minore di 2,06%) e ghise (maggiore di 2,06%). Le temperature di fusione e quelle allotropiche variano, in genere diminuendo all’aumentare del contenuto di

carbonio.ACCIAI

Un acciaio è definito come una lega ferro-carbonio con tenore di carbonio inferiore al 2,06%. Il tenore di carbonio non supera quasi mai l'1,2%

ACCIAI DA COSTRUZIONE DI USO GENERALE

Gli acciai da costruzione di uso generale possono essere suddivisi in: acciai di base e acciai di qualità.

Gli ACCIAI DI BASE sono gli acciai prodotti con cicli tecnologici di tipo semplice, senza aggiunta di microleganti posti in opera allo stato grezzo di deformazione a caldo. Sono designati in base alle caratteristiche meccaniche o in base all'impiego.

A seconda della specifica applicazione, gli acciai sono ottimizzati (ACCIAI DI QUALITÀ) in modo da migliorare la proprietà alla quale sono destinati. Si ottiene un netto miglioramento di caratteristiche per sforzo di rottura e limite elastico, saldabilità, tenacità, stampabilità con l'aggiunta di microleganti (alluminio, niobio, azoto, vanadio, titanio). Fra le varie classi di acciai di

qualità: - acciai a elevata resistenza e tenacità - acciai per tondino da cemento armato temprati superficialmente - acciai per laminati piani da profondo stampaggio - acciai Cor-Ten resistenti alla corrosione atmosferica - acciai al solo carbonio oppure debolmente legati (destinati a essere posti in opera dopo trattamento termico di tempra seguito da opportuno rinvenimento) SALDABILITÀ In una giunzione interessata da saldatura per fusione, con o senza materiale d'apporto, possono essere individuate tre zone metallurgicamente diverse: la zona di completa fusione, la zona termicamente alterata (ZTA o "heat affected zone": HAZ, nella letteratura inglese), la zona di metallo base TRANSIZIONE DUTTILE FRAGILE Indipendentemente dallo sforzo di snervamento, sotto una certa temperatura critica gli acciai tendono a diventare fragili (scarsa resistenza alle sollecitazioni dinamiche). La temperatura di transizione duttile-fragile era in passato prossima alla temperatura ambiente.

creando graviproblemi. Oggi gli acciai hanno una temperatura di transizione di alcune decine di gradi sotto lo zero O)

ACCIAI INOSSIDABILI

• leghe ferro-carbonio-cromo (spesso anche nichel)
• Applicazioni: campo dell'industria chimica, alimentare, farmaceutica, arredamento e casalinghi. In generale in tutti i casi in cui è richiesta una elevata resistenza alla corrosione o particolari qualità estetiche.
• Resistenza alla corrosione: Un tenore di cromo minimo del 12% che conferisce al materiale un'ottima passivabilità, ciò vuol dire che sulla superficie del metallo si forma un film di ossido che protegge il materiale dalla corrosione. Alla lega base possono essere aggiunti altri elementi (Ni, Mo, Ti, Nb, Ta) per migliorare alcune specifiche caratteristiche.
• L'unificazione maggiormente usata per designare gli acciai inossidabili è quella americana AISI, designa gli acciai inossidabili con numeri di tre cifre:

I materiali austenitici sono designati dai numeri delle serie 200 e 300 (2xx e 3xx). I materiali ferritici e martensitici sono designati dai numeri della serie 400 (4xx).

ACCIAI AUSTENITICI

• Gli acciai austenitici sono generalmente quelli che presentano la migliore resistenza alla corrosione, seguiti dai ferritici e dai martensitici.
• Rappresentano oltre il 60% della produzione di acciai inossidabili. A causa del maggior contenuto di elementi di lega, in particolare nichel, gli acciai austenitici sono i più costosi, seguiti dai martensitici. Anche se i ferritici sono meno legati, è necessario considerare i costi del trattamento termico e la maggiore difficoltà di lavorazione.
• Principali modifiche: l'aggiunta di molibdeno in percentuali del 2-3% per migliorare la resistenza alla corrosione localizzata come la vaiolatura o la corrosione a fessura. La riduzione del contenuto di carbonio per ridurre il rischio di corrosione intergranulare.

La realizzazione di saldature degli acciai inossidabili:

• Gli acciai a struttura austenitica non sono soggetti a trasformazioni di fase e non possono essere effettuati trattamenti termici di tempra per aumentare le caratteristiche meccaniche.
• Le caratteristiche meccaniche (limite elastico pari a circa 200 MPa), possono essere aumentate solo mediante incrudimento. In questo modo è possibile raggiungere caratteristiche meccaniche molto più elevate, fino a 800-1000 MPa in caso di barre e lamiere di normali dimensioni, e fino a valori anche molto superiori per lamierini e fili sottili.

ACCIAI FERRITICI:

• Gli acciai inossidabili ferritici contengono ferro, carbonio (<0,2%) e cromo (11,5-27%).
• Si può ottenere struttura ferritica anche solo con il 12% di cromo, ma in questo caso sarebbe necessario eliminare completamente il carbonio, che ha effetto austenitizzante. Il tipo più utilizzato è infatti l'acciaio AISI430 (0,12C.17Cr), con

limite elastico 300 MPa

• Rispetto agli acciai austenitici resistono meno alla corrosione
• Hanno il vantaggio di non contenere nichel, elemento costoso

ACCIAI MARTENSITIC

• Gli acciai martensitici sono invece quelli che hanno migliori caratteristiche meccaniche, seguiti dai ferriticie dagli austenitici, questi ultimi tuttavia, essendo più deformabili possono essere notevolmente incruditi
• Hanno un tenore di cromo variante tra l'11,5 e il 13%
• Sono utilizzati nei casi in cui si richiedono elevate caratteristiche meccaniche (struttura martensitica), resistenza alla corrosione
• L'acciaio più utilizzato è l'AISI 410 (0,15C-13Cr), con limite elastico che può raggiungere i 1000 MPa

LE GHISE

Le ghise sono leghe ferro-carbonio (in genere anche silicio), con carbonio compreso tra il 2,5 e il 4%

Le principali caratteristiche:

• fondono con facilità e possono essere colate anche in forme complesse
• hanno buona resistenza meccanica