Riassunto e spiegazione Metallurgia

LA FATICA

Iniziamo con cercare di capire cosa è la fatica:

La fatica è un fenomeno di rottura che avviene in condizioni di carico ciclico o fluttuante (aerei, ponti). Pertanto, la fatica può indurre ad una rottura fragile anche materiali che sono duttili. Inoltre si può verificare anche sotto il carico di snervamento.

Carico ciclico

Questo tipo di carico è un carico, che viene applicato più volte successivamente. Può essere di tre tipi, e ciascun tipo può essere applicato in 3 modi diversi, generando così dei grafici sforzo-tempo differenti:

Tipologie:

• Flettente
• Assiale
• Torsionale

Grafici:

• Carico invertito:
  • Intervallo costante e ampiezza di sforzo simmetrica con asse laretta sforzo pari a 0
• Carico ripetuto:
  • Intervallo costante, ampiezza simmetrica ma non rispetto all'aretta sforzo = 0
• Carico casuale:
  • Intervallo e ampiezza variabili

Caratteristiche della fatica:

1. La frattura ha un aspetto prevalentemente fragile
2. Avviene

Il fenomeno della fatica avviene attraverso 3 specifiche fasi:

1. Innesco
2. Propagazione
3. Frattura

La fatica si verifica senza preavviso e la causa di frattura è documentata nel 90% dei casi.

Per comprendere meglio il fenomeno della fatica, è necessario capire come avvengono i test di fatica. Durante tali test, il pezzo da provare viene sottoposto a carichi di intensità diverse che oscillano tra un valore massimo (σmax) e un valore minimo (σmin). Di solito, il valore massimo è circa i 2/3 del carico di resistenza a rottura. Questo processo viene ripetuto per un numero di cicli (N) fino alla rottura del pezzo.

Le prove di fatica vengono eseguite utilizzando macchine che seguono i test illustrati nella figura. Il test più comune è quello della flessione rotante, in cui il pezzo viene sottoposto a flessione mentre ruota su se stesso.

Creiamo ora un grafico S-N, in cui:

• S rappresenta l'ampiezza dello sforzo
• N rappresenta il numero di cicli

INFORMAZIONI TRAIBILI

DALLA CURVA S-N Limite di fatica e resistenza a fatica Osservando i grafici ne vediamo due tipi differenti: quindi per le leghe ferrose, esiste un'ampiezza dello sforzo per cui la fatica non si verifica. Infatti per quell'ampiezza il numero di cicli è infinito. Al contrario per le leghe non ferrose sforzo esiste un numero limite di cicli sopportabili. Vita a fatica Ovvero il numero massimo di cicli sopportabili ad un determinata ampiezza, prima di giungere alla frattura. Abbiamo visto che la fatica avviene in tre fasi che poi esamineremo. Queste fasi permettono di scrivere la vita a fatica anche in un modo alternativo. Ovvero come somma dei cicli richiesti per l'innesto e di quelli necessari alla propagazione. I cicli per la frattura si escludono in quanto pressoché istantanea. PROBLEMA È molto difficile ricreare le stesse condizioni ad ogni ciclo, pertanto c'è grande dispersione di dati nel grafico S-N. Per ovviare a questo problema siè deciso di usare come curve, delle CURVE PROBABILISTICHE a probabilità costante, che esprimono con che probabilità un pezzo si rompe. Ad esempio in un dato numero di cicli N avremo che 1% si rompe a S1, 99% a S2. Adesso analizziamo approfonditamente le tre fasi che portano alla fatica un pezzo. L'INNESCO DELLA CRICCA L'innesco è il punto da cui parte a propagarsi la cricca. Può essere situato: - Sulla superficie (quasi sempre) In punti "critici", come ad esempio intagli, fori, scalfitture, raccordi bruschi, saldature. - Qualche mm sotto la superficie A volte può esserci un innesco sotto la superficie, soprattutto laddove vi siano elementi non metallici e difetti. LA PROPAGAZIONE DELLA CRICCA Durante questa fase la cricca inizia a propagarsi fino a giungere alla frattura. Le fasi sono 2 e a ciascuna fase è possibile associare una zona di fatica con caratteristiche ben diverse. 1. Fase I In questa fase la cricca si espande molto.lentamente con un angolazione di 45° rispetto all'innesco. Per questo è facile associarvi: La Zona Piana, ovvero una zona liscia e senza particolari segni. 2. Fase II Questa fase è la più importante, in questa fase la velocità aumenta dramaticamente e anche l'angolazione cambia diventando ortogonale alla direzione di applicazione della forza. La cricca poi proseguirà seguendo uno schema preciso fino a raggiungere dimensioni sufficienti alla rottura. La zona di fatica è: La Zona di Sovraccarico, ovvero una zona che ha dei segni particolari: linee di spiaggia e striature. Le linee di spiaggia sono tipiche dei pezzi in cui la fase II è continuamente interrotta, ad esempio nei pezzi di macchinari che lavorano solo per certe ore e poi si fermano. Pertanto ogni linea ci indica un intervallo di tempo in cui la cricca si è propagata. In ogni linea di spiaggia, che è visibile a occhio nudo, usando il microscopio si nota.

La presenza di moltissime striature. Queste aumentano la loro distanza con l'aumento dello sforzo, pertanto si pensa che la loro distanza indichi lo spazio percorso dall'apice della cricca ad ogni ciclo.

Ora cerchiamo di capire come si propaga la cricca. In poche parole, ad ogni ciclo, l'apice della cricca che in partenza è formato da una doppia punta con intaglio, cambia e diventa rotondo. Così ogni volta, facendo un continuo affinamento-arrotondamento, fino alle dimensioni di rottura.

FATTORI DI INFLUENZA SULLA VITA A FATICA

Sul numero di cicli dopo il quale un prodotto va incontro a fatica incidono 3 cose fondamentali:

1. Sforzo medio
2. Presenza di punti critici all'innesco (fori, filettature, scalfitture, raccordi bruschi...)
3. Superficie del pezzo

Il pezzo infatti può essere stato sottoposto a pratiche che vanno ad aumentare la sua durezza e quindi lo sforzo necessario alla deformazione e quindi alla fatica. Un esempio di queste pratiche sono:

• ...

Pallinatura è una tecnica di lavorazione a freddo, va a sparare palline d'acciaio sulla superficie del pezzo, deformandolo plasticamente e quindi andando a creare dislocazioni e ad alleviare la tensione totale, rendendolo più duro.

Cementazione

LUCIDO 7

COMPORTAMENTO DEI METALLI AD ALTA TEMPERATURA

DIFFUSIONE è un fenomeno mediante il quale gli atomi di un dato materiale cambiano di posizione. Per cambiare la loro posizione hanno chiaramente bisogno di energia, in quanto devono rompere i legami interatomici. In natura questa energia è fornita dalla vibrazione, che a sua volta è fornita dalla temperatura. Infatti un aumento di temperatura, provoca agitazione negli atomi che acquisiscono energia e iniziano a cambiare la loro posizione, si diffondono. Nei Metalli la diffusione è di due tipi diversi, in entrambi i casi è necessario che la "Vacanza" e "l'interstizione" siano adiacenti l'atomo.

Diffusione

Vacante è un tipo di diffusione mediante la quale l'atomo prende la posizione di una vacanza adiacente, quest'ultima chiaramente si muoverà in direzione opposta a quella dell'atomo. Naturalmente richiede la presenza di vacanze, queste sono molto più frequenti ad alte temperature. Diffusione Interstiziale è un tipo di diffusione mediante la quale un atomo si colloca in uno spazio interstiziale adiacente. L'atomo deve avere le dimensioni necessarie per entrare nello spazio, tuttavia questo tipo di diffusione è molto diffusa, infatti gli atomi interstiziali sono molto piccoli e pertanto hanno più facilità di movimento. N.B. Autodiffusione quando c'è movimento di atomi che si collocano in luoghi formati da atomi dello stesso elemento. Interdiffusione quando atomi di impurezza si collocano all'interno del reticolo formato da atomi di altri elementi. LA RICOTTURA Come si vede dall'immagine, la ricottura

è una procedura mediante la quale è possibile riportare al suo stato iniziale un materiale che è stato incrudito, ovvero deformato plasticamente in seguito ad una lavorazione a freddo.

Questo procedimento di ricottura si compone di 2 fasi diverse, più una terza che però in realtà non necessita delle prime due:

1. Recovery
2. Ricristallizzazione
3. Crescita del grano

La recovery

Questa prima fase inizia già a temperature relativamente basse. In particolare mira a diminuire il numero di dislocazioni che si sono venute a creare, così da riniziare a riportare al suo stato iniziale il materiale. Infatti in seguito alla deformazione il materiale conserva un’energia di deformazione interna, tale energia permette agli atomi di muoversi (diffusione), e questi creano delle condizioni affinchè le dislocazioni possano godere di una maggior libertà di movimento. Infatti le dislocazioni a vite si muoveranno con uno slittamento deviato.

Quelle aspigolo con un arrampicamento. Salgono quindi di piano atomico, cercando di avere una maggior libertà di movimento, questo determina una riduzione della tensione generale.

La ricristallizzazione

Questa seconda fase avviene a temperature già elevate, e in questa fase si ricostruiscono i cristalli, quindi nascono dei nuovi grani equiassici e con poche dislocazioni, che crescendo andranno a completare nuovamente il reticolo deformato, ricreando le condizioni iniziali.

La ricristallizzazione dipende da diversi fattori:

• Temperatura (temperatura di ricristallizzazione = temperatura necessaria per ricristallizzare un materiale in un'ora)
• Tempo
• LF % (più è, più temperatura serve)

Inoltre, chiamiamo deformazione critica la deformazione minima che permette la ricristallizzazione, sotto tale deformazione non è più possibile, in quanto è troppo deformato.

La crescita del grano

Questa è la parte finale, non necessita delle

prime due.Affinché avvenga è necessario che la temperatura resti molto elevata, infatti a temperatureelevate, i grani iniziano a ingrandirsi. In particolare l’ingrandimento provoca uno spostamentodei bordi di grano. Questi bordi di grano, si spostano in direzione opposta rispetto alloscambio di atomi che avviene a cavallo del bordo. Ho detto scambio di atomi, perché è proprioquesto il responsabile della crescita dei grani. Gli atomi si spostano da un grano all’altro, igrani più piccolo vengono riassorbiti da quelli grandi, pertanto alla fine si avrà un numero digrani inferiore e di magg