Metallurgia

Capitolo 1: principali proprietà meccaniche e relative prove

Classificazione delle prove

• Statiche: il carico cresce lentamente in alcuni minuti; trazione, compressione, flessione, durezza.
• Dinamiche: il carico è impulsivo (pochi secondi); resilienza.
• Periodiche: il carico varia periodicamente nel tempo; fatica.
• Per scorrimento viscoso: il carico è mantenuto costante per tempi lunghi e ad alte temperature; creep.

Tensione normale nominale: tensione dovuta ad una forza agente sull’asse del provino.

F
σ = con F = carico, A = sezione iniziale
0
Ao

l − lo
Δl
ε = = Deformazione nominale: con l = lunghezza iniziale, l = lunghezza con carico
0
lo lo

In condizioni di taglio:

F
s
τ = Tensione di taglio:
- Ao

δ
γ = = tan θ Deformazione di taglio:
- b

Prova di trazione

Prova statica che permette di valutare il comportamento dei materiali sottoposti ad un carico uniassiale crescente. Permette di scegliere materiali con la giusta combinazione duttilità-resistenza, verificare che dei materiali manifestino la giusta resistenza e spiegare le cause di un cedimento.

Duttilità = capacità di un materiale di deformarsi plasticamente prima di giungere a rottura.

Svolgimento: applicazione lenta di un carico monoassiale crescente con velocità costante ad un provino con geometria assegnata.

Tipo di provino: tratto utile di lunghezza L, sezione A
0 0
(circolare, quadrata, rettangolare), tratto calibrato Lc, teste raccordate.

Lo = k Ao = n * do con Ao = sezione iniziale, do = diametro iniziale.

La geometria è variabile in base al materiale, al processo di produzione del materiale e alla tipologia di componente da cui viene estratto il provino.

Misurazioni: carico F che agisce sul provino mediante una cella di carico, allungamento ΔL del tratto utile del provino.

Curva carico-allungamento: si ottiene dalla prova e dipende dalle dimensioni del provino; si trasforma in una curva tensione-deformazione per renderla indipendente dai parametri geometrici.

1 F Δl
ε = σ = Relazioni di passaggio da una curva F-Δl ad una σ-ε:
Lo So

Curva tensione-deformazione: è la curva carico-allungamento indipendente dalla geometria del provino.

Il provino passa attraverso le fasi:

Comportamento elastico

Primo tratto del grafico.

• Rappresentato da curva lineare che determina la reversibilità della deformazione.

Utilizza come parametro E (modulo di Young) che misura la resistenza alla deformazione, ovvero la rigidezza del materiale. Vale perciò la legge di Hooke:

σ = E * ε

Rigidezza = capacità di un materiale di opporsi alla deformazione elastica provocata da una forza applicata.

Il modulo elastico E dipende dal tipo di legame (proprietà intrinseca al materiale): elevate energie di legame determinano elevati valori del modulo elastico; inoltre, nei metalli, all’aumentare della temperatura, E diminuisce (materiali altofondenti hanno E grande).

• Geometricamente: pendenza del tratto iniziale della curva σ-ε. E = Δσ/Δε.
• Ingegneristicamente: E è inversamente proporzionale alla freccia.
• Metallurgicamente: E dipende dalle forze di legame e l’impacchettamento atomico.

Pendenza elevata con alte energie di legame determina E grande; con legami deboli, E piccolo.

Comportamento plastico

Determina deformazioni irreversibili.

Campo plastico uniforme:

• Inizia dal punto di snervamento in cui si percepisce l’inizio della deformazione permanente al quale si associa (Rs, Fm). È una zona di deformazione plastica generalizzata (periodo plastico senza strizione).

Campo plastico concentrato:

• È determinato dal punto massimo (Rm, Fm) che crea nel provino un collo di strizione, ovvero il provino si restringe facendo diminuire la sezione resistente che crea un cedimento nel provino che lo porta a rottura.

Tensione di snervamento: tensione alla quale si manifesta una percettibile deformazione plastica che misura la resistenza del materiale alla deformazione.

Quando compare Rs significa che la tensione di
Fs
R s =
snervamento sarà facile da individuare:
Ao

In (b) si ha il doppio snervamento mentre in (c) si
Fp
R p =
analizza la tensione allo 0,2%:
Ao

Fmax
Tensione di rottura e strizione: è la resistenza a trazione, ovvero il punto
R m = Ao
in cui la curva nominale presenta un punto massimo da cui si ha il fenomeno della strizione, dopo del quale la deformazione si concentra su un breve tratto.

Da questa si ottiene la duttilità che è data dall’allungamento a rottura e dalla riduzione della sezione resistente:

• Allungamento % a rottura: A = (Lf − Lo) / Lo * 100.
• Strizione % a rottura: Z = (Ao − Af) / Ao * 100.

Per un tecnologo: A% e Z% forniscono la deformabilità plastica, mentre Re e Rm la tendenza all’incrudimento: aumento della tensione necessario per continuare una deformazione in campo plastico quando si crea una forza opposta dal materiale per effetto della deformazione stessa.

La curva tensione-deformazione può essere nominale, dove la tensione si ricava rispetto al valore iniziale della sezione, o reale dove, per effetto della strizione con diminuzione della sezione, viene ricalcolato continuamente il valore della tensione reale in base alla variazione continua della sezione resistente.

Differenze: da Rm la curva reale assume un andamento divergente alla nominale, in quanto nella curva reale si guarda il valore istantaneo mentre in quella nominale quello iniziale.

Fattori d’influenza curva σ-ε

• Composizione chimica dipendente dal tenore di carbonio che, aumentando, crea un aumento della tensione di snervamento e di rottura.
• Temperatura che, aumentando, fa diminuire rigidezza e resistenza meccanica e aumentare la duttilità.
• Velocità di deformazione.
• Trattamenti termici e meccanici.

Tenacità statica: capacità di un materiale di assorbire energia di deformazione prima della rottura, dipendente da resistenza e duttilità.

Q = Rm + 150 * log(A)

Comportamento duttile: alto A%, estesa deformazione plastica, alta tenacità statica, avanzamento lento della frattura, effetto di deformazione del collo (strizione).

Comportamento fragile: basso A%, limitata deformazione plastica, frattura rapida ed inaspettata.

Prova di resilienza

Prova dinamica che permette di valutare il comportamento dei materiali metallici a frattura misurando l’energia d’impatto (resilienza) che il materiale assorbe in un urto.

Ur = KV = (H − h)F

Energia assorbita a rottura: (H-h) = differenza di altezza mazza, F = carico.

Resilienza = capacità del materiale di resistere ad urti fino al raggiungimento di una tensione in grado di deformarlo permanentemente.

Svolgimento: si sottopone a rottura mediante urto una barretta intagliata e si calcola l’energia assorbita J durante la frattura. Il carico viene applicato in frazioni di secondo tramite una mazza che viene lasciata cadere colpendo il provino alla base, il quale, sottoposto ad uno stato tensionale triassiale, si rompe sull’intaglio (utilizzo di condizioni gravose).

Tipo di provino: vengono entrambi raffreddati prima della prova.

• Provino Charpy: barretta intagliata che viene posizionata orizzontalmente e viene rotto dal dietro attraverso una mazza (semplice e veloce); questa successione si ripete tre volte per determinare un valore di resilienza.
• Provino Izod: barretta con intaglio fissata da due ganasce che subisce un urto provocato da un pendolo.

Condizioni prova Charpy: massa a caduta libera sulla faccia opposta a quella intagliata con velocità 5-7 m/s e temperatura del provino di 18-22°C. Se T≠Tamb si tiene il provino nel mezzo condizionante e all’estrazione è necessario romperlo entro 5 secondi.

Se le condizioni fossero differenti, sarà necessario specificarle:

Curva di transizione duttile-fragile: individua il campo di T entro cui un materiale metallico passa da un comportamento duttile ad uno fragile, individuando la temperatura di transizione duttile-fragile alla quale i materiali possono essere utilizzati restando duttili.

Un’alta energia assorbita implica una frattura duttile.

Determinare TdT

• Criterio FATT: temperatura in cui si ha il 50% di frattura duttile ed il 50% di frattura fragile.
• Temperatura per cui si ha un assorbimento di energia prefissato.
• Criterio FTP: la più bassa temperatura per cui si ha il 100% di rottura duttile.
• Temperatura media fra frattura duttile e fragile.

La scelta dei materiali dipende molto dalla temperatura di transizione; infatti quella di esercizio dev’essere maggiore di questa, in quanto è molto pericoloso utilizzare un metallo al di sotto della TdT. Alcuni acciai non presentano questa transizione come, ad esempio, gli inox che non hanno TdT.

Problematiche della prova: dispersione dei risultati dovuti a disomogeneità del materiale, impossibilità di ottenere intagli perfettamente uguali e variazioni temporali nel posizionamento del provino.

Fattori d’influenza

• Struttura cristallina: è il modo in cui gli atomi sono organizzati nello spazio, tipico di ciascun materiale:
  • CFC: non hanno transizione duttile-fragile.
  • CCC: netta temperatura di transizione.

Cambiando la struttura da CCC a CFC si ha un aumento della resilienza.

• Composizione chimica: influenza dei componenti.
  • %C: l’aumento del tenore di carbonio provoca una diminuzione della resilienza ed un aumento della temperatura di transizione; infatti gli acciai ad alto tenore sono più resistenti meccanicamente e non lavorano bene a basse temperature (fragili).
  • %Mn: l’aumento del tenore di manganese provoca un aumento della resilienza e riduzione della temperatura di transizione.
  • %Ni: l’aumento del tenore di nichel provoca una riduzione della TdT e modifica delle energie assorbite.
• Microstruttura: la solidificazione dei metalli liquidi parte dai nuclei attorno ai quali si creano isole che, ostacolandosi, creano delle superfici poligonali (grani cristallini) incluse nei bordi di grano.
  • L’aumentare della dimensione dei grani porta ad un aumento della TdT e riduzione della resilienza (infragilimento).
  • Forma e dimensione dei carburi (Fe + C + altro) hanno effetto sulla resilienza: utilizzo di trattamenti che sferoidizzano e affinano i carburi aumentano la resilienza.
  • La segregazione di elementi di lega a bordo grano può determinare la riduzione della resilienza.
  • Resilienza e TdT dipendono anche dall’orientazione dei grani dopo deformazione plastica.
• Infragilimento da idrogeno: l’assorbimento di idrogeno può ridurre la resilienza ed aumentando la concentrazione di idrogeno, cala l’energia assorbita.
• Infragilimento da irraggiamento: gli acciai sottoposti ad irraggiamento possono aumentare TdT che porta ad infragilimento.

Prova di durezza

Prova statica in cui il carico cresce lentamente e viene misurata la resistenza alla deformazione plastica permanente di un materiale, cioè la resistenza che un materiale impone all’indentazione di un corpo di durezza maggiore al quale è applicato un carico statico.

Svolgimento: applicazione di un carico noto e costante per un tempo definito e misurazione dell’impronta prodotta, ricavando un valore convenzionale di durezza a partire dalle dimensioni dell’impronta ottenuta.

Tipo di prova: si distinguono per tipo di indentatore usato, carico applicato e tecnica di rilevamento della dimensione dell’impronta:

• Prova Brinell (HB): premere, sotto il carico F, una sfera di acciaio ad alta durezza di diametro fissato contro la superficie del campione per misurare l’impronta:
  F 2F
  HB = =
  A 2πD (D − √D² − d²)
  Risente meno delle eterogeneità del materiale e non viene utilizzata per materiali molto duri.
  Condizioni standard: F = 3000 kg, d = 10 mm, t = 15 s.
• Prova Rockwell (HR): è la più semplice e rapida e misura la profondità di indentazione permanente, dalla quale si ricava il valore della durezza Rockwell. È una prova meno precisa ed affidabile.
• Prova Vickers (HV): si ottiene dall’impronta ottenuta con un penetratore di diamante a forma di piramide:
  θ
  2Fs en F F
  HV = = = 1,854
  2A d² d²
  Risulta essere la più versatile, precisa, non distruttiva e risente delle eterogeneità. Condizioni standard: F = 30 kg, t = 10-15 s.
• Prove di microdurezza: misura di durezza effettuata con un carico inferiore ad 1 kg che crea impronte piccole.
  Si utilizzano per oggetti di limitate dimensioni, per durezze superficiali, per stimare localmente la durezza, per materiali fragili.
  • Prova Vickers: stima localizzata della durezza di diversi costituenti microstrutturali in un dato componente.
  • Prova Knoop: utilizza il principio della prova Vickers ma viene usata una piramide di diamante a base rombica con un rapporto tra le diagonali 7:1.

Prova di rottura per fatica

Prova periodica che determina un cedimento che si verifica in strutture sottoposte a sollecitazioni cicliche molte volte inferiori rispetto alla resistenza di snervamento. È insidiosa perché improvvisa e senza deformazioni plastiche a seguito di innesco e propagazione della cricca.

Tipo di prove: ce ne sono molteplici, ma le più diffuse sono le prove a flessione rotante: il provino è soggetto ad un momento flettente e si generano sforzi alternati di trazione e compressione e si generano sforzi alternati di uguale ampiezza.

Curve di Wöhler: rappresentano il comportamento a fatica riportando, per una serie di tensioni applicate σ e per un determinato rapporto di carico R, il numero di cicli N che hanno portato a rottura il provino. N aumenta al calare di σ.

N = vita a fatica, ovvero i numeri di cicli che portano a rottura il provino ad una data sollecitazione.

• Leghe ferrose (acciai): la curva ha un punto detto limite di fatica Lf al di sotto del quale non si avrà frattura.
• Leghe leggere: il valore di cicli è convenzionale e si definisce la resistenza a fatica Rf.

Processo che porta alla rottura

1. Innesco della cricca: in corrispondenza di difetti di materiale o zone più sollecitate.
2. Propagazione: liscia con linee concentriche verso l’innesco.
3. Frattura improvvisa: morfologia caratteristica opaca e fibrosa con linee di spiaggia (variazioni macroscopiche che si creano durante le sollecitazioni) che mostrano l’avanzamento della propagazione. L’estensione relativa dell’area di propagazione rispetto all’area di rottura di schianto dipende dall’ampiezza di sollecitazione σ.

• Fatica ad alto numero di cicli: area di propagazione / area di schianto = ALTO.
• Fatica a basso numero di cicli: area di propagazione / area di schianto = BASSO.

Fattori d’influenza

• Fattori geometrici: dipendenza delle proprietà e progettazione del materiale, quindi evitare spigoli vivi, fori e raggi di curvatura.
• Resistenza del materiale.
• Qualità del materiale: presenza di difetti microstrutturali.
• Finitura superficiale: all’aumentare della rugosità, peggiora il comportamento a fatica.

Prova di creep (scorrimento viscoso)

Prova di scorrimento viscoso in cui il carico rimane costante per lunghi tempi e analizza i fenomeni verificabili ad alte temperature in cui la deformazione plastica è provocata da lunghi tempi di permanenza del carico a T > 0,3 ÷ 0,5 Tfus.

Svolgimento: la prova di creep consiste nell’applicazione di un carico F costante per tempi lunghi ad un provino mantenuto a T, misurandone la deformazione. La prova porta ad una deformazione permanente per effetto dell’esposizione ad alte temperature, dalla sollecitazione e dal tempo.

ε = f (σ)

• A T ambiente: ε = f (σ, t, T).
• Ad alta T: la curva si divide in tre stadi:
  1. Creep primario: calo.
  2. Creep secondario: velocità di deformazione costante.
  3. Creep terziario: aumento della velocità di deformazione. Si ha una nucleazione di cricche a bordo grano ed una riduzione della sezione resistente con conseguente frattura.

Si ricavano velocità di deformazione, tempo per raggiungere una deformazione prefissata e tempo di frattura.

Fattori d’influenza

• Un aumento della sollecitazione e/o della temperatura provoca un aumento della velocità di deformazione ed una diminuzione del tempo a rottura.
• Per limitare la deformazione per creep: limitare la superficie occupata dai bordi di grano, far precipitare composti a bordo grano che ne impediscono la rotazione e scegliere materiali ad alta temperatura di fusione.

Capitolo 2: diagrammi di stato e leghe metalliche

Struttura atomica: determina le proprietà chimiche ed il tipo di legame.

Struttura cristallina: descrive la disposizione spaziale degli atomi che si combinano in un ordine preciso. I metalli hanno una struttura ordinata a lungo raggio.

Microstruttura: descrive la disposizione spaziale di fasi e difetti, prevedibile ed interpretabile dai diagrammi di stato. Si analizza attraverso la metallografia.

Sistema: è costituito da una o più parti con differenti proprietà chimiche o fisiche omogenee.

Fase: stato della materia omogeneo in tutta la sua massa.

• Sistema omogeneo: consiste in una sola fase.
• Sistema eterogeneo: due o più fasi.

Componenti: sono i costituenti del sistema che definiscono la composizione di tutte le fasi del sistema.

Diagramma di stato: grafico temperatura-composizione in cui compaiono le percentuali degli elementi puri e le composizioni che li separano fornendo informazioni sulle trasformazioni.