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 ed 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: Fs

τ =

Tensione di taglio:

- Ao δ

γ = = ta n 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 * d o con Ao=sezione iniziale, do=diametro iniziale

La geometria è variabile in base al materiale, al processo di produzione del materiale e la

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 de 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

σ = E * ε

materiale. Vale perciò la legge di Hooke:

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).

Δς

- geometricamente: pendenza del tratto iniziale della curva σ-ε. E = 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

Fma x

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 di ottiene la duttilità che è data

dall’allungamento a rottura e dalla riduzione

della sezione resistente: L f − Lo

- Allingamento % a rottura: A = * 100

Lo

Ao − A f

- Strizione % a rottura: Z = * 100

Ao

Per un tecnologo: A% e Z% forniscono la

2 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

Q = R m + 150 * l og(A)

rottura dipendente da resistenza e duttilità.

duttile:

Comportamento alto A%, estesa deformazione plastica, alta

tenacità statica, avanzamento lento della frattura, effetto di

deformazione del collo (strizione).

fragile:

Comportamento basso A%, limitata deformazione plastica,

frattura rapida ed inaspettata.

3 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 = K V = (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 acciaio 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

4 • 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 idrgeno, cala

l’energia assorbita

- Infragilimento da irraggiamento: gli acciai sottoposti ad

irraggiamento possono aumentare TdT che porta ad infragilimento.

5 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 è 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 intentatore 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 2 2

π D (D − D − d )

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

θ

2Fs e n

F F

2

forma di piramide: H V = = = 1,854

2 2

A d d

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. E’

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.

6

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

f

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 versi 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 .

a

ar ea dipr op aga z ion e

- Fatica ad alto numero di cicli: = A LT O

ar ea di sch i a n to

ar ea dipr op aga z ion e

- Fatica a basso numero di cicli: = B A SSO

ar edi sch i a n to

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 T .

fus

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 di 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.

7

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.

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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 false

- 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