Metallurgia e materiali non metallici

M & Metallurgia Materiali Non Metallici

Stati di aggregazione & reticoli cristallini

Stato solido: con il raffreddamento si iniziano a formare i germi/nuclei di solidificazione, che iniziano a legarsi a un edificio cristallino già costruito (ACCRESCIMENTO) o a costruire nuovi nuclei (NUCLEAZIONE). I bordi che separano i grani cristallini si chiamano "bordi di grano".

Sistemi cristallografici: esistono diversi reticoli, tra i quali il Cubico Facce Centrate (CFC) e il Cubico Corpo Centrato (CCC): il primo è un cubo con ai vertici del reticolo 1/8 di atomo e sulle facce 1/2 di atomo (piano a maggior densità atomica: piano che interseca i tre assi), mentre il secondo è un cubo con ai vertici del reticolo 1/8 di atomo e al centro un atomo intero (piano a maggior densità atomica: piano diagonale).

Difetti reticolari: divisi in difetti di punto e in difetti di linea. I difetti reticolari di punto consistono in un'errata disposizione di un atomo in un punto, e sono caratterizzati da una vacanza reticolare e da un atomo interstiziale (che occupa una posizione che dovrebbe essere un sito interstiziale, quindi vuoto). I difetti reticolari di linea consistono in una mancanza di un semipiano cristallografico, e sono dette dislocazioni (➞).

Sollecitazioni meccaniche, resistenza & duttilità

Sollecitazioni assiali: sono il risultato di forze esterne omogeneamente distribuite agenti lungo l'asse del corpo, e si dividono in trazione (Sforzi di trazione: σ > 0 [N/mm²]) e compressione (Sforzi di compressione: σ < 0 [N/mm²]).

Sollecitazioni non assiali: sono risultato di forze esterne omogeneamente distribuite agenti su assi diversi del corpo, e si dividono in taglio (due forze assiali contrapposte e disassate agenti uniformemente sulla "superficie di taglio": Sforzo di taglio τ [N/mm²]), torsione (azione di torsione longitudinale) e flessione.

Sollecitazioni elastiche: temporanee deformazioni del reticolo metallico a seguito di un carico esterno; non appena viene rimossa l'azione che produce la forza, il provino torna alla sua geometria originale.

Sollecitazioni plastiche: superato un certo carico il metallo, anche se non giunge a rottura, manifesta variazioni di geometria irreversibili. Queste deformazioni avvengono grazie alle dislocazioni, che evitano che il metallo si comporti in maniera fragile poiché i piani di dislocazione, muovendosi a causa delle sollecitazioni, provocano la deformazione irreversibile del contorno reticolo. Se le dislocazioni sono libere di muoversi, il metallo sarà poco resistente (RESISTENZA = capacità del materiale di resistere al carico senza deformarsi plasticamente), assumendo però un carattere duttile (DUTTILITÀ = proprietà di un materiale di deformarsi in modo plastico sotto bassi carichi); se invece le dislocazioni sono impedite nel loro movimento, il materiale sarà resistente ma poco duttile, assumendo quindi un carattere fragile. Un metallo può essere tenace, ovvero un compromesso tra fragile e duttile.

Meccanismi di rafforzamento dei metalli

Rafforzamento per soluzione solida: perturbando localmente il reticolo (aggiungendo atomi "ospiti") quando le dislocazioni incontrano questa zona perturbata, essendo ostacolata, questa si ferma.

Rafforzamento per precipitazione: particelle estranee al reticolo limitano il moto delle dislocazioni; le particelle possono essere coerenti (con la struttura reticolare che le ospita, vengono superate dalle dislocazioni) o incoerenti (la dislocazione non supera queste particelle), anche dette "precipitati", poiché non tutte possono essere ospitate all'interno del reticolo di base.

Rafforzamento per incrudimento: nell'avanzamento dovuto al carico le dislocazioni interne al grano creano nuove dislocazioni, arrivando a essere un numero tale da ostacolarsi a vicenda.

Rafforzamento per affinamento del grano: le dislocazioni che arrivano a bordo grano a causa del carico possono o transitare da un grano a quello contiguo, oppure fermarsi a bordo grano (se il reticolo del grano contiguo è troppo disallineato da permettere la transizione): in questo caso questa dislocazione blocca tutte le dislocazioni seguenti.

Diagrammi di stato delle leghe binarie

QUESTI DIAGRAMMI DI STATO SONO VALIDI SOLO SE IL RAFFREDDAMENTO PROCEDE CON TEMPI MOLTO LUNGHI

FASE = porzione di spazio delimitata dove si riscontra uguale ed omogenea composizione chimica, temperatura, pressione e stato di aggregazione.

COSTITUENTE STRUTTURALE = disposizione strutturale delle fasi in porzioni di materia

VARIANZA (regola di Gibbs): V = C_i + m_i – f (C = composti indipendenti, m = n° di fattori fisici, f = fasi).

EUTETTICA = composizione chimica del sistema che fonde alla più bassa temperatura.

Regola di Gibbs per le leghe metalliche binarie: V = 3 – f

Se V = 0, si ha un sistema zerovariante (in corrispondenza della temperatura di solidificazione, quindi sulla curva di raffreddamento si denota un tratto lineare).

Regola della leva:

Completa miscibilità allo stato solido

• Nella zona monovariante la trasformazione procede più lentamente, poiché il sistema restituisce calore Q_L.
• La composizione chimica della lega analizzata al 10% B è il 10% B e il 90% A.
• Il risultato della trasformazione è la formazione del 100% di fase α.

Completa immiscibilità allo stato solido

• Il sistema analizzato è il sistema di una lega ipo-eutettoidica (concentrazione < concentrazione eutettica).
• Durante il raffreddamento, nella zona monovariante inizia la formazione di grani di fase A, conclusasi a un infinitesimo prima della T_eutettica. Giunti alla temperatura eutettica inizia il processo di formazione di grani lamellari composti da lamelle di A e di B dal liquido eutettico: alla fine del processo si ottengono quindi due costituenti strutturali, ovvero grani di A e grani lamellari di A e B.

Parziale miscibilità allo stato solido

• Il sistema analizzato è il sistema di una lega iper-eutettoidica (concentrazione > concentrazione eutettica).
• Il risultato di questa trasformazione è un sistema composto da grani lamellari di fase α e fase β, e grani lamellari di fase β.

Parziale miscibilità con singolo smiscelamento

Questo tipo di diagramma prevede il fenomeno dello smiscelamento, ovvero l'abbattimento del contenuto di B in eccesso in soluzione solida α attraverso la formazione di fase β. Questo fenomeno avviene:

• Mediante formazione di placchette ai bordi di grano;
• Mediante l'ispessimento delle lamelle di una fase, a scapito dell'altra, in un costituente strutturale lamellare.

La trasformazione peritettica

La trasformazione peritettica è caratterizzata da:

• Curva del liquidus al di sotto della trasformazione zero-variante;
• Cuspide "bassa".

Questa trasformazione origina, a partire da liquido e cristalli di fase α, cristalli di fase β. Lo smiscelamento dovuto alla trasformazione peritettica si divide in:

• Con presenza di placchette di fase α per leghe con concentrazione superiore a quella peritettica;
• Con accrescimento dei grani di fase α sui bordi di grano della fase β per leghe con concentrazione inferiore a quella peritettica.

Trasformazioni eutettoidica e peritettoide

Trasformazioni simili a eutettica e peritettica, con la differenza che avvengono in presenza di fasi tutte solide.

Regole per la comprensione dei diagrammi di stato complessi

• Sugli assi bisogna avere due campi monofasici;
• Ad un campo monofasico se ne alterna uno bifasico.

Il diagramma di stato binario Ferro-Carbonio (Fe-C)

I punti notevoli del diagramma di stato Fe-C sono:

• A₄: luogo geometrico della trasformazione fase δ → γ;
• A₃: luogo geometrico della trasformazione fase γ → α;
• A₁: luogo geometrico della trasformazione eutettica (727°C);
• A_cm: luogo geometrico della trasformazione fase γ → Fe₃C.

Il diagramma Fe-C viene semplificato, considerandolo al di sotto della fase δ e contraendo la fase α sull'asse delle ordinate. A seguito di tale semplificazione, si denotano delle differenze:

• Per acciai ipo-eutettoidici a T ambiente si formerebbe un terzo costituente strutturale, la CIII, che non modifica le proprietà della struttura;
• Per acciai eutettoidici e iper-eutettoidici lo smiscelamento di Fe₃C produce un ispessimento delle lamelle perlitiche, che non modifica le proprietà meccaniche.