Metallurgia

Programma

Definizione materiale metallico, conducibilità termica ed elettrica

che cos’è una lega, caratteristiche specifiche di un materiale

metallico, meccanismi di corrosione, acciai inox, superleghe.

Saldature, effetti del riscaldamento, fusione e solidificazione,

raffreddamento, trattamenti termici, deformabilità plastica, acciai

da profondo stampaggio, meccanismi di frattura, failure analysis,

controlli non distruttivi, frattura duttile e frattura fragile, i

meccanismi di rafforzamento, produzione dei materiali metallici,

cenni di termodinamica, altoforno, convertitore ecc… proprietà

magnetiche, acciai innovativi DSHLA, ghise, riciclo, acciaieria

elettrica.

Produzione degli acciai.

METALLURGIA

Lezione 30/09/2020

La metallurgia si occupa dei metalli in senso lato e delle applicazioni

ingegneristiche dei materiali metallici soprattutto in campo aeronautico ed

aerospaziale.

Failure analysis: analisi della difformità, analisi della rottura, del

malfunzionamento o del disastro; è importante perché se trovo il motivo del

malfunzionamento posso prevenire un disastro, anche per la prevenzione

futura di componenti simili, come un difetto insito del materiale o della

lavorazione.

Saldatura: processo tecnologico che permette di realizzare una giunzione

mediante una fusione localizzata e una cosolidificazione, porto le parti da

saldare a fusione dopo di che si fanno solidificare insieme.

Saldatura a punti che utilizza l’effetto Joule, saldatura ossiacetilenica, saldatura

ad arco, saldatura laser, saldatura elettronica, saldatura neutronica non ci

entreremo nel dettaglio, parleremo di cosa succede dalla parte del materiale.

Saldatura= fusione + cosolidificazione.

Non tutti i materiali possono essere saldati, altri materiali, in particolare le

leghe di alluminio se si saldano, non si rompono, però perdono completamente

le caratteristiche meccaniche. I durallumini, le leghe di

alluminio, sono dei materiali a base alluminio, quindi estremamente

kg Mkg

=

2,6−3

leggeri (densità duralluminio siamo intorno ai , gli

3 3

d m m

3

acciai siamo sui , con ordini di resistenza di 500-600 MPa,

/d

7,8 kg m

però nel momento che gli saldo diventano 50MPa,infatti, ad esempio,

le ali degli aerei quando erano in leghe di alluminio erano rivettate

non saldate.

Parleremo di:

-casi pratici;

-scelta dei materiali, in funzione dell’utilizzo e lavorazione (=del processo).

I materiali metallici sono gli unici materiali, insieme ai vetri, che possono

essere saldati.

In Italia come produzione di acciaio siamo introno ai 30 milioni di tonnellate

all’anno, infatti siamo il secondo produttore europeo.

Ci sono due strade per produrre l’acciaio (produzione siderurgica- sideros=ferro

ossia acciaio): partendo dal minerale o partendo dal rottame. Le

acciaierie da rottame stanno in montagna, vedremo il perché.

Il ferro è un elemento costosissimo, che a contatto con l’atmosfera si ossida;

tutto ciò che noi chiamiamo ferro in realtà è acciaio.

La differenza tra ferro è acciaio è che il ferro è un elemento chimico puro

l’acciaio è una ferrolega a base ferro con carbonio in percentuali variabili, lega

con comportamento metallico.

Gli acciai a basso tenore di carbonio, facilmente deformabili e con scarse

caratteristiche meccaniche, quindi scarsamente legati (non ci sono elementi

leganti) a volte vengono chiamati, volgarmente ed erroneamente, ferri, quindi il

ferro è un materiale con scarse caratteristiche meccaniche facilmente

deformabile.

Quello che usualmente, in officina viene chiamato acciaio, ha caratteristiche

meccaniche migliori resiste meglio ed è anche più pregiato e magari con la

presenza di elementi leganti.

La cottura della vernice avviene a 175°C.

Le leghe di alluminio ad alta resistenza hanno il problema dell’infragilimento da

idrogeno.

LEZIONE DEL 07/10/2020

Faylure analysis: analisi delle deformità, per trovare il motivo del

malfunzionamento.

Lavorazione: scelta dei materiali in funzione dell’utilizzo e del processo.

Il ferro per l’ingegnere non esiste perché altamente costoso; il ferro è un

elemento puro, l’acciaio è una ferro lega con il carbonio. I materiali utilizzati

sono tutti acciai ma quelli a basso tenore di carbonio a volte vengono chiamati

erroneamente ferri perché sono facilmente deformabili.

CARATTERISTICHE SPECIFICHE DEI MATERIALI METALLICI

RICICLABILI AL 100%

(insieme ai vetri)

LUCENTEZZA DEFORMABILITA’ PLASTICA

CONDUCIBILITA’ TERMICA ED

ELETTRICA

Ci sono tre stati di aggregazione della materia ( 4 con il plasma): solido, liquido

e gassoso il passaggio da uno all’altro è condizionato da temperatura e

pressione.

Il mercurio a temperatura ambiente è liquido.

L’alluminio fonde a 654°C.

L’allumina è un materiale refrattario e fonde ad altissime temperature.

IL FERRO PURO FONDE A 1537°C.

LUCENTEZZA: capacità dei materiali di riflettere la luce(cioè di essere uno

specchio), è una proprietà tipica dei materiali metallici. La prima applicazione

dei materiali metallici è stata quella degli specchi, la lucentezza dei

materiali metallici è utile perché ci permette di indagare sulle

caratteristiche del materiale.

Il rame, dopo opportuni trattamenti, era trattato come specchio.

Il materiale reagisce con l’ossigeno formando degli ossidi ed andando ad

eliminare la lucentezza.

Il materiale metallico ha grande conducibilità termica, i termosifoni sono in

ghisa, rame o in leghe di alluminio.

Quando scaldiamo un materiale metallico si dilata, peggiora la sua capacità di

condurre corrente, si ossida.

Quando parleremo di conducibilità termica ed elettrica parleremo di

meccanismi di corrosione per l’ossidazione.

Esistono due tipi di corrosione di tipo elettrochimico e la corrosione di

tipo ossidativo dovuto alle alte temperature, la prima anche detta

corrosione a umido la seconda corrosione a secco.

GLI ACCIAI CHE RESISTONO MEGLIO ALLA CORROSIONE SONO QUELLI

INOX.

Gli acciai inox sono acciai costituiti da tenori di Cromo e Nichel, il cromo in

quantità notevole almeno al di sopra del 13%, ovviamente può aumentare 20-

30-40%, anche il nichel gioca un ruolo fondamentale. Chi garantisce

l’inossidabilità agli acciai inox è il cromo.

Se io aumento il tenore di Cromo e Nichel devo diminuire il tenore di Ferro fino

a che, ad un certo punto, non possiamo più parlare di acciai inox ma parliamo

delle superleghe.

Gli acciai che vanno meglio contro la corrosione sono gli inox la loro evoluzione

sono le superleghe.

PUNTO DI UNIONE FRA CONDUCIBILITA’ TERMICA ED ELETTRICA:

tecnologicamente possiamo utilizzare la resistenza elettrica per saldare. Le

saldature sono uno dei mezzi più importanti di giunzione dei materiali metallici,

e i materiali metallici sono gli unici, assieme ai vetri, che possono essere

saldati.

SALDATURA: la saldatura è la realizzazione di una giunzione continua

meccanicamente resistente metallica che avviene mediante fusione localizzata

da una parte + solidificazione.

Alcuni materiali metallici non possono essere saldati come alcune

leghe di alluminio.

TRATTAMENTO TERMICO=

Tutti gli altri materiali: legno, materiali lapidei o materiali compositi possono

RISCALDAMENTO + PERMANENZA DI

essere incollati, chiodati, incastrati ma non possono essere saldati.

Quando noi parliamo della saldatura non andiamo a parlare delle varie tecniche

TEMPERATURA + RAFFREDDAMENTO

ma vediamo la risposta del materiale.

Come si salda un materiale metallico? Scaldiamo, quindi parleremo degli effetti

del riscaldamento (che cosa succede quando scaldiamo un materiale

metallico), quando scaldo un materiale metallico questo si dilata e ciò

comporterà una serie di conseguenze poiché la dilatazione non avviene

simultaneamente in tutti i punti del materiale, la parte esterna è più calda e si

dilata prima rispetto alla parte interna che è più fredda, e siccome c’è una

continuità meccanica, il pezzo è un solido continuo, ciò porta alla nascita di

tensioni. Quando scaldo il materiale possono avvenire delle trasformazioni

all’interno del materiale, si modificano le fasi e si modifica la struttura del

materiale. Quando saldiamo il materiale arriva alla temperatura di fusione dopo

di che deve solidificare (allora studieremo fusione e solidificazione) fusione e



solidificazione ossia in altri termini le colate.

Parleremo delle colate e dei lingotti.

Lingotti: prodotti che si ottengono dalla lingottiera (la lingottiera è quel

recipiente in cui viene messo il metallo fuso).

Una volta che il materiale è solidificato si raffredda, si ritira, anche in questo

caso possiamo avere cambiamenti di fase. Il raffreddamento può essere

condizionato dalla velocità, posso raffreddare in modo estremamente lento, per

esempio lasciando il pezzo in forno, o estremamente veloce, per esempio

gettando il pezzo in qualche bagno liquido (acqua, olio, sali fusi) e ciò comporta

diversi effetti sul materiale.

Nel raffreddamento dal punto di vista termico succede l’opposto del

riscaldamento nel senso che le parti più fredde sono quelle esterne che

tendono a contrarsi mentre le parti più calde sono le interne che si contraggono

dopo, quindi c’è un , un gradiente.

∆

Il ferro solidifica a 1537°C, gli acciai che sono delle leghe ferro – carbonio a

temperatura inferiore.

Riscaldamento + permanenza in temperatura + raffreddamento =

TRATTAMENTO TERMICO.

Le caratteristiche finali di un materiale metallico sono date al 50%

dalla composizione chimica (una lega di alluminio è differente da un bronzo,

è differente da un acciaio, è differente da una ghisa, è differente da una lega di

magnesio) e 50% dipende dal trattamento termico.

Un Duralluminio può avere una resistenza di 500-550 MPa la stessa precisa e

identica lega trattate in un altro modo piò arrivare a 50 MPa, un decimo.

Parleremo dei diagrammi di stato Fe-C (Cr, Ni). I diagrammi di stato mi

fotografano la situazione del mio materiale, in condizioni di equilibrio

(escludono la variabile tempo, tutte le trasformazioni hanno il tempo per

seguire il principio cardine del minimo di energia), in funzione della

temperatura e della composizione. Per vedere le fasi.

Parleremo dei trattamenti termochimici superficiali.

Parleremo del concetto di duttilità e fragilità.

Altra caratteristica specifica dei materiali metallici è la DEFORMABILITA’

PLASTICA (un motore in vetro sarebbe fragile) (è la caratteristica più

importante) dei materiali metallici ci porta a parlare degli ACCIAI DA

PROFONDO STAMPAGGIO, sono degli acciai che sfruttano la deformabilità

plastica.

Gli acciai da profondo stampaggio sono quelli più prodotti al mondo, la maggior

produzione dell’acciaio è per acciai da profondo stampaggio.

Il piombo, materiale metallico, si deforma facilmente.

Il vetro è fragile ma molto resistente.

La deformabilità plastica ci porta a parlare dei meccanismi di frattura: frattura

duttile o fragile.

Tutta la metallurgia si basa sul confronto e il compromesso tra l’avere leghe

meccanicamente resistenti (elevato carico di rottura ed elevato carico di

snervamento) e però più aumento il carico di rottura e il carico di snervamento

più il materiale diventa fragile, resiste di più ma si deforma di meno, devo

trovare il giusto equilibrio vedremo anche i meccanismi di rafforzamento,



cioè vedremo quali fattori influiscono sulla frattura duttile e sulla frattura

fragile.

Facile aumentare il carico di rottura e di snervamento il problema è che poi il

materiale diventa fragile.

Certi materiali, soprattutto se esalto i meccanismi di rafforzamento, poi ho

problematiche in saldatura, non li posso saldare o per lo meno perdo i benefici

del meccanismo di rafforzamento.

Parleremo della produzione dei materiali metallici, con cenni di termodinamica,

diremo cos’è un altoforno, convertitore ecc…

Parleremo delle proprietà magnetiche dei materiali metallici.

Controlli non distruttivi come: controlli roengenografici, controlli ad ultrasuoni,

controlli con metodi magnetici, controlli con metodi indotti, controlli con liquidi

penetranti.

Altra caratteristica importante: i materiali metallici e i vetri sono riciclabili al

100%, molto importante perché quando progetto deve tenere conto che circa il

100% di un’autovettura dovrebbe essere riciclabile, quello che inquina è la

produzione del cock, la coccheria, la trasformazione da carbon fossile a cock

(che è il carbonio che mettiamo dentro).

Vettura già progettata in base ad un end of life: cioè fine vita, la diffusione di

materiali compositi in campo automobilistico è abbastanza ridotta perché i

materiali compositi non sono riciclabili, la carrozzeria è riciclabile al 100%.

Parleremo dell’altoforno e convertitore ed è la classica acciaieria che parte dal

minerale grezzo e arriviamo all’acciaio, alla bramma.

Altro modo per produrre l’acciaio è l’acciaieria elettrica che va a rottami che

significa riciclo ossia riduzione dell’impatto ambientale.

Esistono anche tecniche di lavorazione che riducono l’impatto ambientale, il

bilancio è sempre fatto su costi e benefici, in Svezia c’è un’acciaieria che va

avanti ad Idrogeno.

Una volta si utilizzavano bagni ad altissimi tenori di Cianuro, adesso 2-4%

prima erano decimi superiori 40-50%.

Il metallurgista deve utilizzare dei materiali che siano i più performanti,

maggiore resistenza, in modo da impiegarne di meno ed alleggerire il peso

dell’autovettura, ecco perché vengono introdotti questi acciai innovativi HSLA:

high strenght low allowery (HSLA) acciai alto resistenti basso legati.

Una normale carrozzeria, acciai da profondo stampaggio la resistenza è intorno

ai 200-300MPa, con questi acciai HSLA si supera tranquillamente i 1000 MPa e

si può realizzare un notevole alleggerimento.

Addirittura, oltre questi acciai si inizia ad utilizzare l’alluminio in campo

automobilistico, vero che con l’alluminio alleggerisco il peso della vettura

quindi mi salvo dalle norme però non ho risolto il problema dell’impatto

ambientale perché devo vedere anche come si realizza l’alluminio per l’impatto

ambientale.

Stanno prendendo trattamenti chimici in vuoto che ha senso in pochi casi e

sono molto costosi, tecnologia dell’alta pressione, ad esempio stampi per

materie plastiche, però non inquina.

LEGA

Definizione di lega: la lega è un materiale che ha caratteristiche

metalliche. Per realizzare una lega è necessario partire dai metalli. Ad

esempio, l’acciaio è una ferrolega (lega a base di ferro, che è un metallo, al

carbonio (oltre al in un acciaio o in una ghisa è presente il carbonio, che non è

un metallo)); possono essere presenti anche degli elementi non metallici, ad

esempio, l’acciaio e la ghisa sono ferro leghe al carbonio (che non è un

metallo).

Definizione: la lega è un materiale metallico con caratteristiche metalliche

(lucentezza, conduce calore e corrente, deformabilità plastica, anche alcune

caratteristiche magnetiche, etc…) nella quale possono essere presenti degli

elementi non metallici.

Definizione di metallo: i metalli sono quelli elementi che si trovano a sinistra

della tavola periodica a parte l’idrogeno che non è un metallo.

A destra ci sono gli elementi non metallici o metalloidici.

La caratteristica principale che hanno i metalli è quella di cedere

elettroni, mentre quella dei non metalli è quella di acquisire elettroni. Poi

esistono casi particolari come il Rame e lo Zinco dove lo Zinco cede elettroni

ma il Rame li prende. Il metalloide è l’elemento che riceve elettroni.

Gli elementi metallici del primo gruppo hanno tutti gli orbitali completi tranne 1

elettrone nell’orbitale S del livello superiore, nel secondo gruppo due elettroni

liberi nell’orbitale S, i metalli tendono a cedere questi elettroni per arrivare alla

configurazione dei gas nobili (non reagiscono nemmeno con sé stessi) perché

sono alla configurazione ottezziale.

Ad esempio, il cloro e il sodio reagiscono tra di loro, legame ionico; se abbiamo

metallo con metallo, tipo sodio con sodio, non c’è nessuno che possa prendere

in modo stabile l’elettrone qui si instaura il legame metallico.

Il legame metallico è il “compendio” tra legame ionico e legame covalente. Nel

legame ionico c’è un elemento metallico che cede elettroni e l’elemento non

metallico li prende. Nel legame covalente, non metallo con non metallo, gli

elettroni vengono utilizzati simultaneamente. Nel caso del legame metallico c’è

la cessione degli elettroni, cioè c’è la parte ionica, però poi saranno condivisi da

tutti gli altri atomi, parte covalente (parte condivisiva), NUVOLA



ELETTRONICA gli elettroni non sono vincolati possono muoversi. Nel legame



ionico e covalente gli elettroni non possono muoversi, sono vincolati agli atomi.

Nel caso del legame metallico gli elettroni non sono vincolati, possono

muoversi, secondo i dettami della meccanica quantistica ed identificati con la

loro energia, si possono muovere in spazi a loro energeticamente concessi.

Definizione ELETTRONE: l’elettrone è un’entità (“una particella”) dotata

di una certa energia. L’elettrone si trova in certe zone probabilisticamente

migliori, chiamate orbitali la caratteristica