Riassunto scienza e tecnologia dei materiali

NITRURAZIONE

Processo di indurimento superficiale ottenuto per diffusione di azoto a temperatura di circa 500 °C. A

differenza della cementazione non necessita di ulteriori trattamenti termici. Viene in genere effettuata

sugli acciai da bonifica con un tenore di carbonio compreso tra 0.2- 0.4%.

Il processo viene effettuato in ambiente di ammoniaca parzialmente dissociata (preriscaldata a 900°C):



NH3 N + 3/2 H2

L’azoto forma con il ferro e con gli elementi di lega dei nitruri su un sottile strato superficiale.

Vantaggi:

-Durezza superiore a quella ottenuta con la cementazione.

-Variazione durezza superficiale solo a T>550°C (Fe4N inizia a trasformarsi in fasi meno dure).

-Per le basse temperature non si hanno distorsioni e deformazioni.

-Elevata resistenza alla fatica e alla corrosione.

-Non è necessario alcun trattamento termico successivo.

Svantaggio:

Processo costoso

TEMPRA SUPERFICIALE:

Può essere eseguita su tutti gli acciai.

È un trattamento puramente termico: riscaldamento sopra la A3 solo di un sottile strato di metallo

immediatamente adiacente alla superficie e successivo brusco raffreddamento.

-Si utilizza un cannello composto con miscele di ossigeno e acetilene e getto d’acqua.

-Nel riscaldo ad induzione (o riscaldamento ad alta frequenza) il calore necessario è generato per

produzione elettromagnetica: il pezzo viene circondato da solenoidi percorsi da correnti ad alta frequenza

la cui regolazione permette di agire sullo spessore del materiale interessato al passaggio della corrente.

ACCIAI LEGATI

Gli acciai legati oltre a Fe e C, contengono quantitativi non trascurabili di elementi di lega, appositamente

introdotti.

Limitazioni degli acciai non legati:

• Carico di rottura inferiore a 690 MPa (perdita di duttilità e resilienza per valori superiori).

•Non possono essere prodotti pezzi con elevato spessore con struttura interna martensitica (non

possono essere temprati in profondità)

•Bassa resistenza all’ossidazione e alla corrosione

•La tempra deve essere effettuata molto velocemente per avere struttura interamente

martensiticadeformazioni e cricche

•Bassa resilienza a bassa temperatura

ACCIAI SPECIALI

Microstruttura e proprietà possono essere modificate con l’introduzione di altri elementi.

Esempi:

Si, Cr, V, Mo, W, Al: (elementi alfogeni) stabilizzatori α sono più solubili nella ferrite che nell’austenite

(cristallizzano come CCC) e favoriscono la formazione di ferrite.

formano

Mn, Ni, Co, Cu (elementi austenitizzanti) stabilizzatori ɣ soluzioni solide complete con

l’austenite poiché’ cristallizzano CFC e hanno parametri reticolari simili si possono ottenere acciai

austenitici a temperatura ambiente, con maggiore facilità di tempra, fino agli autotempranti.

Influenza degli alfogeni e dei gammogeni:

 Innalzano o abbassano la T eutettoidica

 spostano la composizione eutettoidica, aumentando o diminuendo la solubilità del C nel Fe ccc

 in soluzione solida (Ni, Si, Mn, Cr, Mo): ne aumentano la resistenza meccanica, ma ne riducono la

tenacità

 come carburi (V, Mo, Cr, Mn): aumentano la resistenza meccanica, al creep e all’usura

 composti non metallici (ossidi, solfuri, silicati, …): riducono la resistenza a fatica

Gli elementi stabilizzanti dell’austenite (es. Ni, Mn) rimangono in soluzione solida nell’ acciaio perché’

hanno minore tendenza del ferro a formare carburi. Abbassano la temperatura dell’eutettoide quindi

stabilizzano l’austenite.

Gli elementi stabilizzanti della ferrite sono quelli che formano carburi (W,Mo,Ti). Aumentano la

temperatura eutettoidica e riducono il campo della fase austenitica.

Il cromo si ripartisce fra la ferrite e i carburi (forma carburi più facilmente del ferro). La sua distribuzione

dipende dal tenore di carbonio e dalla presenza di altri elementi con maggiore tendenza a dare carburi.

Acciai inossidabili

•Ferritici

•Austenitici

•Martensitici

•Duplex (austinitico-ferritici)

•Indurenti per precipitazione

Acciai inossidabili ferritici

Leghe binarie ferro-cromo (12-13% di cromo). La loro struttura dopo i trattamenti termici rimane ferritica



(CCC). Il cromo (CCC) estende il campo di esistenza della ferrite chiusura del campo dell’austenite.

Acciai inossidabili Martensitici

Leghe ferro-cromo con cromo 12-17% e carbonio 0,15-1%. Ad alta temperatura l’acciaio assume forma

austenitica che si trasforma in martensite durante la tempra a temperatura ambiente. Segue

rinvenimento per eliminare le tensioni interne. Elevata temprabilità.

Acciai inossidabili Austenitici

Leghe ternarie ferro-cromo nichel contenenti 16-25% di cromo e 7-20% nichel. La struttura rimane

austenitica dopo tutti i trattamenti termici fino a temperatura ambiente. La struttura CFC è responsabile

della elevata lavorabilità e formabilità. Migliore resistenza alla corrosione di quelli ferritici e di quelli

martensitici perché’ i carburi possono essere mantenuti in soluzione solida tramite raffreddamento

rapido. Ma se sono necessari trattamenti lenti o saldature nell’intervallo 850-500ºC i carburi possono



precipitare a bordo grano corrosione. Per ovviare a questo inconveniente si tiene basso il tenore di

carbonio (<0,03%). Se la percentuale di carbonio supera lo 0,03 % aumenta il rischio di corrosione a causa

della formazione di carburi tipo Cr23C6, che tendono a precipitare al bordo di grano impoverendo i grani

adiacenti di Cr, e di conseguenza diminuendo la capacità di formare Cr2O3 corrosione localizzata ai

bordi di grano. I POLIMERI

I polimeri sono macromolecole organiche formate da un insieme di molecole di elevate dimensioni e di elevato peso

molecolare. Ciascuna di queste macromolecole è a sua volta formata dalla ripetizione di molte piccole unità strutturali

legate tra di loro con legami covalenti: tali unità sono dette monomeri.

Il numero di monomeri che costituisce una macromolecola (grado di polimerizzazione, n) è determinante per lo stato

fisico, la T di rammollimento, la rigidità del polimero.

I polimeri presentano di solito una certa distribuzione del peso molecolare, maggiore è il peso molecolare migliori

saranno le proprietà fisiche e meccaniche del polimero.

Tuttavia un elevato peso molecolare corrisponde anche ad una elevata viscosità, anche a caldo, con conseguente



difficoltà di lavorazione cercare un compromesso.

Polimeri termoplastici

•Costituiti da macromolecole di grandezza limitata, lineari o ramificate, con legami secondari fra le catene.

•Rammolliscono con il calore e solidificano per raffreddamento in modo reversibile, senza alterazioni della struttura.

(es: polietilene)

•Esistono allo stato solido in forma amorfa (vetro organico) oppure in forma semicristallina, che conferisce loro

maggiore resistenza alla temperatura e agli agenti chimici.

•Si lavorano per stampaggio, a temperature più basse rispetto ad altri polimeri, con ritmi di produzione estremamente

elevati.

Elastomeri

•Polimeri lineari in cui si sono introdotti un certo numero di legami a ponte che conferiscono al materiale una

struttura tridimensionale e assicurano proprietà di elasticità molto elevate.

•Questi legami covalenti sono introdotti dopo lo stampaggio del materiale, mediante una reazione chimica chiamata

vulcanizzazione.

Polimeri termoindurenti (reticolati): non fondono ma si decompongono.

•Due categorie: gli elastomeri (gomme) e i termoindurenti ad alto grado di reticolazione (rigidi fragili e resistenti alla

temperatura).

•Legami primari, covalenti anche fra le catene

•Sono lavorabili a caldo solo una volta, prima della reticolazione

•A successivi riscaldamenti si decompongono

•Hanno resistenza meccanica superiore a quella dei termoplastici

Polimeri termoindurenti ad alto grado di reticolazione: il tasso di reticolazione è più elevato rispetto agli elastomeri

con un'energia di coesione molto più elevata tra le catene, che permette di raggiungere una resistenza meccanica e

soprattutto termica superiore ai termoplastici.

La lavorazione dei termoindurenti è molto meno rapida e facile dei termoplastici, poiché lo stampaggio di questo

polimero deve avvenire prima della formazione dei legami tridimensionali che li rende insolubili e infusibili, quindi

difficilmente riciclabili.

LA SINTESI:

- addizione

- policondensazione

Addizione: monomeri insaturi reagiscono fra loro attraverso i tre stadi di reazione (inizio, propagazione, termine) per

dare il polimero.



Iniziatori Aprono il doppio legame e producono i siti di reazione nel monomero. Sono radicali liberi, cationi, anioni,

catalizzatori stereospecifici ecc.…

Struttura e proprietà

Le lunghe catene polimeriche possono assumere differenti conformazioni grazie alla capacità di rotazione attorno ai

legami semplici.

Policondensazione: del tutto simile alla condensazione fra molecole a basso peso molecolare.

Due monomeri reagiscono per dare un legame covalente, di solito eliminando una molecola basso peso molecolare

 

(H2O, HCl…). Reazione difficoltosa procede a stadi e non a catena per la formazione del polimero occorre che vi

sia un urto efficace fra monomeri orientati favorevolmente.

ESEMPIO: Nylon materiale poliammidico proveniente dalla policondensazione di una diammina e di un acido

bicarbossilico. lunghe

•Monomeri con due gruppi reattivi molecole a struttura linearemateriali termoplastici

 

•Monomeri con più di due punti reattivi macromolecole reticolate tridimensionalmente materiali

termoindurenti

Bachelite Termoindurente

Si ottiene per reazione fra fenolo C H OH e formaldeide CH O. La formaldeide forma ponti −CH − fra due molecole di

6 5 2 2

fenolo, producendo catene.

I polimeri possono essere omopolimeri (contenenti un solo tipo di unità ripetitiva) o copolimeri (contenenti due o più

tipi di unità ripetitive). A seconda delle condizioni di reazione e della reattività dei monomeri di partenza, nei

copolimeri possiamo avere strutture diverse: casuale, alternata, a blocchi, a innesto.

A seconda della posizione assunta rispetto alla catena principale da gruppi sostituenti (es.: il metile nel polipropilene)

durante la polimerizzazione, il polimero può essere isotattico, atattico o sindiotattico.

Nei polimeri isotattici i sostituenti identici sono situati dallo stesso lato della catena, nei sindiotattici si alternano da

una parte e dall'altra della catena (possono cristallizzare), mentre negli atattici si ripartiscono in modo casuale



(solitamente non cristallizzano polimeri amorfi).

In genere non si arriva a completa cristallizzazione, e si parl