Metalli, vetri, ceramici, cementi

Metalli: rafforzamento dei metalli

Le dislocazioni. Le proprietà meccaniche dei materiali metallici sono largamente determinate dalle dislocazioni. Il rafforzamento, inteso come incremento del carico di snervamento σ, è perciò ottenibile mediante meccanismi che ne ostacolano il moto. Va sempre tenuto presente che, come conseguenza di un incremento di σ, si ha anche una diminuita deformabilità plastica, duttilità, ed una minore tenacità.

Incrudimento

1) È una lavorazione a freddo che mi contrae il provino e aumenta il numero di dislocazioni; è causato dalla ostruzione delle dislocazioni nei bordi di grano, dovuta all’interazione tra dislocazioni in moto su piani di scorrimento e per il fatto che nella deformazione plastica aumenta il numero delle dislocazioni. Determina: aumento dello snervamento, rottura a trazione, della durezza; diminuzione della duttilità, dimensioni del provino.

Grana cristallina

2) Poiché i bordi di grano costituiscono un ostacolo al moto delle dislocazioni, tanto più fine è la grana cristallina, tanto maggiori sono il carico di snervamento e la resistenza a trazione e tanto minore la duttilità, relazione di Hall Petch. Il controllo della grana cristallina può avvenire in diversi modi:

• Introduzione di agenti nucleanti nel fuso, controllando la quantità di nuclei in formazione mediante la nucleazione eterogenea.
• Controllo della velocità di raffreddamento del fuso, agendo sulle velocità di nucleazione ed accrescimento.
• Ricristallizzando un materiale incrudito, ricottura: ho il metallo incrudito con i grani deformati e ammassi di dislocazioni, nel ricupero le dislocazioni si dispongono in maniera ordinata, nella ricristallizzazione si crea per nucleazione una nuova grana non deformata che elimina le dislocazioni in eccesso. A T elevate il grano accresce.

Aggiunta di elementi leganti

3) La presenza di atomi estranei nel reticolo cristallino impedisce il moto delle dislocazioni. Per le leghe ho due casi, che il legante sia solubile nel metallo o che si origini un’altra fase dispersa nella matrice:

• Soluzione solida: come ottone e zinco; inserisco atomi estranei nel reticolo ed è importante la differenza di diametro rispetto al metallo ospitante. Attorno agli atomi ospitanti si creano dei campi di deformazione elastica che ostacolano il moto delle dislocazioni. L’addizione di un soluto sostituzionale è la pratica più comune di indurimento e più ne aggiungo e più aumenta lo snervamento. L’addizione interstiziale con azoto o ossigeno crea una brusca caduta dello sforzo, perché questi tendono a migrare lungo le dislocazioni anziché distribuirsi uniformemente in ogni grano cristallino, sotto le dislocazioni c’è un vuoto più largo del reticolo, e quando si applica uno sforzo forte questi si ridistribuiscono, ecco perché il calo brusco. Nelle bande di Luders, che si formano in superficie perché il provino si snerva irregolare, vedo che ci sono zone che hanno ceduto e altre no, vuol dire che la deformazione plastica si è estesa a tutto il provino e l’incrudimento fa sì che lo sforzo debba aumentare. Per evitarle deformo prima la superficie prima della formatura.
• Per precipitazione, invecchiamento: come alluminio, poco denso e leggero e per miglioria delle proprietà meccaniche lo indurisco così. Si possono ottenere particelle disperse mediante fenomeni di precipitazione, cioè provocando l’insolubilizzazione di elementi in lega, ovvero determinando la formazione di nuove fasi insolubili. A diminuire della T c’è una diminuzione della solubilità che dà luogo a precipitati finemente dispersi. Questi precipitati influenzano la mobilità delle dislocazioni per resistenza e durezza. Es. Al-Cu - Voglio portare la lega a una T che abbia 1 fase solida. Nello stadio iniziale ho alpha a T ambiente sovrassatura, molto Al; Cu vuole formare fase beta, quindi si aggregano tra loro in fase intermedia. Tante fasi intermedie disperse ostacolano le dislocazioni.

Trattamenti termici degli acciai

Le proprietà degli acciai sono legate anche alle temperature oltre che alle dislocazioni: per ottenere migliori proprietà mi servono grani piccoli. I trattamenti termici degli acciai sfruttano la trasformazione di fase austenite-perlite per realizzare, a seconda delle modalità del trattamento, microstrutture di tipo diverso, da microstrutture prossime a quella di equilibrio fino a microstrutture completamente fuori equilibrio, e quindi non previste dal diagramma di stato, ottenendo in tal modo una estesa gamma di proprietà meccaniche.

Su un acciaio è necessario anzitutto portarlo in campo austenitico, cioè al di sopra della sua temperatura di austenitizzazione. Non voglio un eccessivo ingrossamento del grano austenitico. Tale ingrossamento si trasmette poi alle strutture di trasformazione dell'austenite, in quanto se il grano austenitico è grosso i centri di nucleazione di tali strutture saranno poco numerosi, e quindi l’accrescimento dei nuclei sarà rilevante, degradando le caratteristiche meccaniche del materiale, in particolare diminuendone la tenacità. Una volta portato l'acciaio in campo austenitico, a seconda della velocità di raffreddamento adottata si può innescare la trasformazione austenite-perlite e permettere il suo compimento, raffreddamento brusco, denominato “tempra”, con la comparsa di una nuova fase, la martensite, che non compare nel diagramma di stato ferro-carbonio in quanto metastabile.

Diagrammi isotermici TTT, tempo, temperatura, trasformazione

Guardo cosa succede all’acciaio in condizioni isoterme: prendo l’acciaio e lo porto sotto la T eutettoidica, tenendolo a quella T in maniera costante. Uso le curve di Bains ottenute per raffreddamento isotermo che ci dicono cosa succede all’austenite, acciaio solo austenitico; guardo solo cosa succede in campo eutettoidico nel nostro caso, non considero altre T perché non avrei solo perlite ma anche campi bifasici. A seconda della T a cui raffreddo ottengo microstrutture diverse.

Poco sotto Te, aspetto fino al tempo per avere trasformazione austenite perlite, l’austenite si trasforma in perlite grossolana, lamelle spesse di perlite e cementite; nel naso della curva procede più velocemente e ottengo perlite fine, lamelle sottili di ferrite e cementite; la bainite, lamelle di cementite e ferrite, è la più lenta e la più sottile. Se raffreddo veloce a Tamb si trasforma in martensite, metastabile.

Nell’austenite CFC, la martensite TCC, la cella si deve allungare ed è ottenuta non per diffusione. La struttura della martensite è tetragonale a corpo centrato e può essere pensata come una deformazione della cella CCC del ferro alpha, che ha dovuto però deformarsi, allungandosi lungo un asse, per allocare tutto il carbonio contenuto precedentemente nella cella CFC dell’austenite. È una fase estremamente dura e resistente, ma fragile. La durezza deriva dalla diminuzione del numero di sistemi di scorrimento rispetto alla struttura FCC, ma anche dalla presenza del carbonio nei siti interstiziali, che si oppone al moto delle dislocazioni.

Nel diagramma ho sopra solo austenite che mi dà 100% martensite, 50% 50% perlite bainite, 100% bainite.

Diagrammi anisotermici CCT

Rispetto TTT sono spostate verso il basso, a destra chiusa. Alla rappresentazione delle trasformazioni con le curve isoterme si preferisce spesso sostituire una rappresentazione più realistica che tenga conto che, di fatto, il raffreddamento può avvenire in modo più o meno rapido, ma tuttavia continuo.

Le curve CCT sono, rispetto alle corrispondenti TTT, spostate verso tempi più lunghi e temperature leggermente più basse. La curva 1 corrisponde ad un raffreddamento lento, che porta alla formazione, dapprima di ferrite e, successivamente di perlite. Tutta l’austenite risulta così trasformata e la microstruttura perlitica si mantiene fino a temperatura ambiente. Questo tipo di raffreddamento è quello che si realizza nel trattamento termico di ricottura, vedi oltre.

La curva 2 rappresenta un raffreddamento più veloce, nel quale si realizza la trasformazione a ferrite, a perlite ed, infine, a bainite. Ciò accade nel trattamento denominato normalizzazione. Con la curva 3 si interseca la curva di inizio trasformazione dell’austenite in bainite, ma non quella di fine trasformazione, parte destra della campana, e si entra invece nel campo di formazione della martensite. La microstruttura sarà perciò costituita da bainite e martensite. Questo raffreddamento corrisponde ad un trattamento di tempra incompleta. L’ultima curva rappresenta un raffreddamento molto rapido, che porta direttamente ad intersecare le rette di inizio e fine della formazione di martensite. A questo trattamento si dà il nome di tempra completa.

Il diagramma CCT evidenzia chiaramente che la temperatura di inizio della trasformazione austenite-perlite viene spostata a temperature tanto più basse quanto maggiore è la velocità di raffreddamento adottata. Per velocità di raffreddamento maggiori della velocità critica superiore di tempra, l’austenite arriva senza trasformarsi fino alla linea Ms, al di sotto della quale si trasforma in martensite, trasformazione che si completa all’Mf. È importante notare che le linee Ms ed Mf rimangono invariate per raffreddamenti continui rispetto alla posizione che avevano nel corrispondente diagramma TTT, e non sono influenzate dalla velocità di raffreddamento.

Le due velocità limiti, rappresentate dalle tangenti alle due curve nei rispettivi “nasi”, delimitano quindi tre campi di trasformazione: un campo perlitico, un campo martensitico, ed uno intermedio di coesistenza della martensite con perlite fine. Definiamo come “tempra” ogni processo tale da portare alla formazione di martensite; questa definizione spiega anche le denominazioni date alle due velocità critiche: la velocità critica inferiore di tempra è la minima velocità di raffreddamento con cui, accanto alla perlite, inizia a comparire della martensite; la velocità critica superiore di tempra è invece la minima velocità di raffreddamento che consente di ottenere, una volta oltrepassato il punto Mf, il 100% di martensite.

Tutto quanto detto finora vale per gli acciai eutettoidi: gli acciai più impiegati sono però ipoeutettoidi. Per questi acciai, e analogamente per gli ipereutettoidi, è noto dal diagramma di stato che prima della cristallizzazione della perlite si ha formazione di ferrite, detta appunto ferrite proeutettoide. Nei diagrammi di trasformazione, sia TTT che CCT, comparirà quindi un campo di formazione di ferrite proeutettoide, delimitato da una curva di inizio trasformazione che si congiunge a quella di inizio formazione della perlite all’incirca in corrispondenza del “naso”.

Trattamenti termici

Molti avvengono dal campo austenitico, raffreddando più o meno velocemente, perché a parità di volume ho più bordi di grano che ostacolano le dislocazioni. Ottengo microstrutture specifiche semplicemente controllando la velocità di raffreddamento. È in questo modo possibile manipolare le proprietà degli acciai sottoponendoli a dei trattamenti termici.

I principali trattamenti termici sono:

• Ricottura: 1) consiste generalmente nel riscaldare il materiale ad una temperatura superiore alla linea di separazione tra austenite e ferrite, mantenerlo a tale temperatura per un tempo sufficiente ad assicurare la completa trasformazione in austenite e nel raffreddarlo lentamente per ottenere una struttura perlitica.
• Normalizzazione: 2) viene eseguita scaldando il pezzo fino ad ottenere la trasformazione ad austenite e raffreddandolo poi all’aria. Si ottiene così una microstruttura che dipende dalla composizione dell’acciaio, caratterizzata da una grana fine ed uniforme, che garantisce durezza superiore a quella ottenibile con la ricottura.
• Tempra: 3) lo scopo è l’ottenimento di martensite ed il conferimento al materiale di notevole durezza superficiale. Essa viene realizzata attraverso un riscaldamento di austenitizzazione, T > A3, seguito da un raffreddamento rapido ottenuto per immersione del pezzo in un mezzo refrigerante. Poiché la tempra dipende dalla velocità di raffreddamento e questa è sempre maggiore in superficie, le curve di raffreddamento cambiano in funzione della distanza dalla superficie e così accade che la percentuale di martensite, e quindi la durezza, diminuiscano con la profondità. Si creano delle tensioni interne per la velocità di raffreddamento.
• Distensione: 4) trattamento tempra+distensione intorno ai 200 °C, perché un po’ di carbonio viene espulso e riduco le tensioni.
• Bonifica: 5) tempra+rinvenimento, ossia ho trattata a T > 400 °C, l’acciaio è bonificato. Il rinvenimento mi permette di ottenere un materiale con buona durezza, duttilità e tenacità, ottenendo una microstruttura stabile secondo la reazione: martensite-carburo-ferrite.