Risposte alle domande teoriche dell'appello di Tecnologia dei materiali

4) DUREZZA DELL’ ACQUA, ADDOLCIMENTO.

1) La frattura a fatica rappresenta un tipo di frattura che si verifica in strutture sottoposte a sforzi

dinamici, cioè sforzi variabili nel tempo. In questi casi è possibile che il cedimento si mostri a livelli

di sforzo nettamente inferiori alla rottura o al limite di snervamento. Tipi di rottura del genere si

verificano dopo lunghi periodi di ripetuti cicli di sforzi o deformazioni. La fatica è inoltre la causa

principale della rottura dei metalli. Le rotture per fatica sono spesso improvvise, catastrofiche e

insidiose e si manifestano in maniera molto simile alla rottura fragile, in quanto si ha una scarsa

deformazione plastica associata alla rottura. Il processo avviene per innesco e propagazione di

cricche e in genere la superficie di frattura risulta perpendicolare alla direzione lungo la quale si

applica lo sforzo. Il processo di determinazione inizia sottoponendo il provino a uno sforzo ciclico

con ampiezza di carico massimo (σ max) relativamente grande. Viene contato il numero dei cicli a

rottura e riportato in funzione del carico per ogni provino. Più il carico è alto meno cicli regge. Per

alcune leghe di titanio la curva Sforzo-Cicli diviene orizzontale per alcuni valori di N, esiste quindi un

livello di sforzo limite detto limite di fatica al di sotto del quale la mia rottura non può avvenire. La

vita a fatica rappresenta il numero di cicli che provoca rottura a un determinato carico ed è variabile

nel grafico S-N. La propagazione della cricca avviene attraverso 3 fasi:

-Innesco della cricca: si forma la cricca nel punto dove si verifica un’elevata concentrazione di sforzo.

-Propagazione della cricca: la cricca avanza ad ogni ciclo di carico

- Frattura finale: la frattura si verifica rapidamente una volta che la cricca raggiunge dimensioni

critiche.

2) Il trattamento di tempra consiste in una completa austenitizzazione dell’acciaio, seguita da un rapido

raffreddamento al fine di ottenere una struttura completamente martensitica. Il raffreddamento

può essere effettuato in acqua, soluzioni saline, olio, metalli fusi, aria soffiata oppure più

semplicemente aria. La scelta del suo mezzo temprante dipende dalla sua attitudine alla tempra.

L’influenza della composizione della lega sulla capacità di un acciaio di trasformarsi in martensite è

espressa da un parametro chiamata temprabilità. Però ogni acciaio vi è una specifica relazione tra

le proprietà meccaniche e la velocità di raffreddamento. Un acciaio con una elevata temprabilità è

un acciaio che si indurisce, ovvero forma martensite, non solo sulla superficie ma anche in

profondità. La temprabilità viene studiata e valutata tramite la prova di profondità di tempra Jominy.

Tale prova ha come obiettivo quello di dare indicazioni globali sulla temprabilità di un acciaio,

mediante l’impiego di una provetta normalizzata e di condizioni di tempra standardizzate. Con

questa procedura vengono mantenuti costanti tutti i parametri che possono influenzare la

profondità a cui un pezzo indurisce. Viene mantenuta variabile la sua composizione di lega. La

procedura prevede l’austenitizzazione del provino cilindrico a una determinata temperatura alla

quale è sottoposto per un determinato tempo. Una volta estratto dal forno il provino viene

rapidamente appeso ad un’attrezzatura e temprato all’estremità inferiore da un getto d’acqua che

presenta un flusso determinato e una determinata temperatura. In tal modo la velocità di

raffreddamento è massima all’estremità inferiore. Una volta raffreddato il provino su di esso

vengono ricavate per molatura due strisce piane superficiali profonde 0.4 mm, sulle quali si misura

la durezza Rockwell. Riportando di conseguenza in un diagramma la durezza in funzione della

distanza dall’estremità temprata, ottenendo così la curva di temprabilità. Si nota dai grafici che la

curva di raffreddamento diminuisce con la distanza dall'estremità temprata. Talvolta conviene

riferire la durezza alla velocità di raffreddamento piuttosto che alla distanza dall’estremità temprata

di un provino. Si va quindi a creare un grafico nel quale si posiziona la velocità di raffreddamento

nell’asse orizzontale superiore. La velocità di raffreddamento può essere anche espressa in distanza

Jominy, ponendo come unità di distanza 1.6 mm. La presenza di altri elementi ritarda la formazione

dell’austenite in perlite e/o in bainite, quindi per una determinata velocità di raffreddamento si

forma più martensite e di conseguenza avremo una maggiore durezza. Inoltre la temprabilità

dipende anche dal contenuto di carbonio. All’aumentare della concentrazione di carbonio le durezze

per ogni distanza Jominy crescono. Infine a causa della variabilità dei prodotti industriali, la

temprabilità viene generalmente rappresentata dalla banda racchiusa da due curve che

rappresentano rispettivamente il valore massimo e il valore minimo di temprabilità.

3) Per conoscere i meccanismi che portano ad un aumento della resistenza è importante correlare il

movimento delle dislocazioni con il comportamento meccanico dei metalli. Dato che la

deformazione plastica comporta il movimento di un grande numero di dislocazioni, la capacità di un

metallo di deformarsi plasticamente dipende dalla capacità di movimento delle dislocazioni. Dal

momento che durezza e resistenza sono correlate alla facilità con cui si può verificare la

deformazione plastica, riducendo la mobilità delle dislocazioni, si può aumentare la resistenza

meccanica. Ciò però riduce la duttilità.

RAFFORZAMENTO PER INDUZIONE DELLE DIMENSIONI DEL GRANO

In un metallo policristallino la dimensione del grano, ovvero il diametro medio del grano, ha influenza

sulle proprietà meccaniche. I grani adiacenti hanno generalmente un’orientazione cristallografica

diversa e naturalmente un bordo del grano in comune. Segue che durante una deformazione plastica

lo scorrimento delle dislocazioni deve procedere attraverso questo bordo in comune. Perciò è lecito

supporre che un bordo grano si comporti come una barriera al movimento delle dislocazioni. Infatti,

dal momento che due grani presentano differente orientazione, una dislocazione che passa dal grano

A al grano B, deve cambiare direzione di movimento. Questo diventa tanto più difficile quanto

maggiore la differenza di orientazione tra i due grani. Inoltre lo stato di disordine in prossimità del

grano porta ad una discontinuità nello scorrimento dei piani passando da un grano a un altro. Nel

caso in cui due grani adiacenti presentino una eccessiva differenza di orientazione, diventa

impossibile il passaggio della dislocazione dal primo grano al secondo. Si forma così un processo di

impilazione delle dislocazioni presso i bordi dei grani. Tale processo però provoca una nuova serie di

dislocazioni nei grani adiacenti. Un materiale a grana fine, ovvero che presenta grani di piccole

dimensioni è più duro e più resistente di uno a grana grossa, poiché presenta una maggior superficie

di bordo di grano che impedisce il movimento delle dislocazioni.

RAFFORZAMENTO PER SOLUZIONE SOLIDA.

Un’altra tecnica utile per aumentare la resistenza e la durezza di un metallo è quella di allegarlo ad

altri atomi differenti in modo da formare soluzioni solide interstiziali o sostituzionali. Questo metodo

viene chiamato rafforzamento per soluzione solida. Si è avuto bisogno di andare ad aggiungere atomi

differenti a metalli di elevata purezza poiché quest’ultimi sono molto più teneri e meno resistenti

delle leghe formate dallo stesso metallo. Le leghe risultano più resistenti dei metalli puri perché gli

atomi che entrano in soluzione solida in genere inducono deformazioni reticolari sui circostanti atomi

ospitanti. Ne risulta un’interazione del campo di deformazione reticolare tra le dislocazioni e questi

atomi e di conseguenza il movimento delle dislocazioni risulta ridotto. Per esempio se un atomo è

più piccolo dell’atomo ospitante, con la sostituzione, si determinano nel reticolo cristallino

deformazioni di trazione sugli atomi che lo circondano. Al contrario se un atomo sostituzionale è più

grande si creano deformazioni di compressione sugli atomi più vicini.

INCRUDIMENTO

È quel processo con il quale un materiale duttile viene reso più duro e più resistente quando viene

deformato plasticamente. Talvolta tale processo è anche chiamato indurimento da lavorazione,

oppure poiché la temperatura alla quale si verifica la deformazione è più bassa rispetto alla

temperatura assoluta di fusione del metallo, lavorazione a freddo. La maggior parte dei metalli, a

temperatura ambiente si indurisce. Inoltre conviene in alcuni casi esprimere il grado di deformazione

0−

% = ( )× 100

plastica come percentuale di lavorazione a freddo 0

A0 = area originale della sezione trasversale che subisce deformazione. Ad = area dopo la

deformazione.

Nel grafico si vede inizialmente che il metallo inizia a deformarsi nel punto D. Rilasciato il carico, e

poi riapplicato, avremo che il metallo presenterà un limite di snervamento differente da quello

precedente, il metallo sarà più resistente e avrà un limite di snervamento più grande di quello iniziale.

Il fenomeno di rafforzamento per deformazione viene spiegato in base alle interazioni del campo di

deformazione. Infatti la densità di dislocazioni di un metallo cresce con la deformazione e quindi con

la lavorazione a freddo a causa della moltiplicazione delle dislocazioni. Di conseguenza la distanza

media fra le dislocazioni diminuisce e di conseguenza le interazioni tra esse risultano di tipo repulsivo.

Il risultato finale è che il movimento delle dislocazioni viene ostacolato dalla presenza stessa delle

dislocazioni, perciò all’aumentare della densità delle dislocazioni aumenta la resistenza al movimento

delle dislocazioni da parte delle dislocazioni, ne consegue che lo sforzo necessario per deformare un

metallo cresce all’aumentare della lavorazione a freddo.

4) Acque particolarmente dure generano numerosi inconvenienti. I danni più gravi si registrano nel

caso di acque destinate all’alimentazione delle caldaie per la produzione di vapore. L’impiego di

acque dure in tale circostanza porta alla formazione di precipitati insolubili all’interno delle caldaie.

Tali precipitati insolubili si originano mediante due differenti processi. I Sali, che danno durezza

temporanea, si decompongono per effetto del riscaldamento, i sali che invece danno durezza

permanente subiscono un graduale aumento di concentraz