Scienze e tecnologia dei materiali

Materiali cristallini, amorfi e semicristallini

La struttura fisica dei materiali solidi di interesse tecnologico dipende principalmente dalla disposizione di atomi, ioni o molecole che compongono il solido e dalle forze intermolecolari.

Cristallini

Quando è possibile riconoscere una sequenza ripetitiva di celle.

Amorfi

Quando non è presente una struttura a celle.

Semicristallini

Hanno atomi che in parte si dispongono in modalità cristallina, quindi in posizione ordinata, e in parte vanno ad occupare posizioni random nello spazio.

Curva di solidificazione e raffreddamento

Curva di solidificazione e raffreddamento, che evidenzia i cambiamenti del volume specifico in funzione della temperatura.

• Tg = temperatura di transizione vetrosa
• Tm = temperatura di fusione
• → Linea ABCD andamento materiali amorfi
• → Linea ABEF andamento materiali semicristallini
• A = liquido
• B = liquido altamente viscoso
• C = liquido sovraraffreddato
• D = solido vetroso
• E = regioni solide cristalline in matrice liquida sovraraffreddata
• F = regioni solide cristalline in matrice vetrosa

Cristallini

Il materiale allo stato liquido si presenta in struttura non ordinata, in conseguenza del raffreddamento assume la conformazione a celle organizzate. Raffredda seguendo l’andamento della curva e si osserva una repentina contrazione del volume specifico, che avviene in corrispondenza del punto chiamato temperatura di fusione. Ciò significa che lo stesso grammo di materiale che prima occupava un certo volume, dopo il raffreddamento e la conseguente contrazione, occupa un volume minore.

Amorfi

Quando una sostanza liquida passa allo stato solido, man mano che la temperatura si abbassa, il liquido si trasforma in un liquido sovraraffreddato e si verifica una graduale diminuzione del volume specifico (linea ABC). Il punto intermedio all’interno dell’intervallo di temperature oltre il quale si ha la modificazione della pendenza della curva è detto temperatura di transizione vetrosa (punto di transizione tra lo stato viscoso per valori maggiori e lo stato fragile per valori inferiori).

Semicristallini

Quando il materiale solidifica e si raffredda, si ha un’improvvisa diminuzione del volume specifico (BE), in conseguenza di un impacchettamento delle catene polimeriche in regioni cristalline. Continuando il raffreddamento, si giunge alla Tg come indica il cambiamento di pendenza della curva (EF). Al di sotto della Tg è completamente rigido, al di sopra della Tg è gommoso; questo avviene perché la parte cristallina del materiale resta tale mentre quella amorfa diventa mobile.

Forza e lunghezza – sforzo e deformazione

Per standardizzare le prove effettuate con il provino, è necessario depurare le grandezze dalla dipendenza della geometria del provino stesso. Quindi sforzo e deformazione sono:

• Forza variazione di lunghezza → sforzo
• Forza superficie larghezza iniziale → deformazione

Materiali duttili

Presentano valori di allungamento relativamente elevati e la presenza di un massimo o di un lungo tratto a sforzo costante.

• Zona elastica = dove il materiale sottoposto a sollecitazione torna alla forma iniziale
• Zona plastica = dove il materiale sottoposto a sollecitazione rimane deformato
• Punto di snervamento = punto limite al di sotto del quale permane la reversibilità e al di sopra del quale il materiale sollecitato non ritorna alla forma iniziale.

Si ha una zona più o meno lineare (elastica), seguita da una zona curva, con un'eventuale presenza di massimo, e una zona che tende ad appiattirsi (plastica); fino a quando si giunge alla rottura.

Snervamento = i piani cristallini si spostano ma il materiale resta integro.

Materiali fragili

Presentano allungamenti relativamente ridotti e rottura brusca, senza alcuno snervamento. Si ha una zona, più o meno lunga, rettilinea (elastica) seguita immediatamente dalla rottura. Nel momento in cui si ha una deformazione elastica, gli atomi si spostano ma tornano subito alla posizione assegnata loro appena si lascia la sollecitazione. Se si supera la zona elastica, però, non vi è la fase di allungamento, si perviene subito alla rottura. Infatti non sono presenti punto di snervamento e zona plastica.

• Zona elastica lineare = proporzionalità tra sforzo e deformazione
• Zona elastica non lineare = non proporzionalità tra sforzo e deformazione

Prove meccaniche

Prove statiche

Prova di trazione

Si effettua tenendo fissata un’estremità del provino ad un sistema capace di misurare la forza e ammorsando l’altra estremità a una barra che si muove a velocità costante. Il provino si deforma fino alla rottura e si registra un diagramma della forza in funzione del tempo. Si fa in modo che il materiale si trovi nella sua parte elastica quando lo si sta utilizzando, per garantire la massima stabilità.

Prova di compressione

Si effettua schiacciando un provino, in genere cilindrico, e quindi applicando un carico, in direzione opposta a quella della prova di trazione, che come risultato porterà ad un accorciamento.

Prova di flessione

Serve per stimolare una combinazione di trazione e compressione: quando il provino viene flesso, le fibre della parte superiore vengono compresse, mentre quelle della parte inferiore vengono stirate. Si hanno quindi entrambe le deformazioni contemporaneamente. I materiali non si comportano sempre allo stesso modo sottoposti a trazione e a compressione, spesso si osserva un comportamento opposto (ad esempio i materiali che a trazione sono fragili, si comportano come duttili in compressione).

Prove di impatto

Prove in cui la forza viene applicata in maniera impulsiva, quindi in un breve intervallo di tempo. Resilienza = capacità di un materiale di assorbire energia impulsiva, importante per quei casi in cui serve la resistenza all’urto. Le prove di resilienza si effettuano secondo due modalità:

• Izod: il provino è ammorsato da un solo lato, viene svolta rilasciando un pendolo a partire da un'altezza determinata e facendolo urtare al provino del materiale, in modo da portarlo a rottura; su di esso viene applicato un intaglio.
• Charpy: il provino è ammorsato dai due lati, su di esso viene applicato un intaglio nel punto di impatto della linea. Lo strumento è composto da un'asta che prevede da un lato una cerniera fissata alla base e dall'altro una mazza.

L’energia massima che il materiale può sopportare, assorbita e che porta alla rottura, si divide in tre contributi, ciascuna con un rapporto diverso nei confronti del materiale:

• Energia necessaria per creare una frattura superficiale sul provino: è legata sia al materiale sia a come il provino è preparato. Per eliminare questo tipo di relativizzazione, invece di aspettare che la frattura si causi in seguito all’urto, viene procurata la frattura a priori tramite l’intaglio. Per cui, l’energia necessaria a causare la frattura può essere trascurata. È vero che così facendo si ottiene un’energia inferiore rispetto a quella che effettivamente il materiale può sopportare, ma questo processo permette di dimensionarla in sicurezza.
• Energia che serve per propagare la frattura all’interno: è l’unico contributo che effettivamente si utilizza per l’effettuazione dei calcoli.
• Energia che serve per staccare definitivamente in parti il provino: è una quantità minima, per cui si trascura.

Prove di fatica

Rientrano tra le prove dinamiche, dove la forza e la deformazione cambiano nel tempo con un andamento ciclico. Queste prove servono per caratterizzare quelle parti che sono in movimento e che possono subire delle vibrazioni. La rottura per fatica si innesca in un punto di concentrazione degli sforzi, ovvero nella “chiavetta” (zona in cui viene applicato un intaglio e da cui parte la frattura) o dove sono presenti dei difetti del materiale. Iniziata la frattura, la cricca si propaga per effetto della sollecitazione ripetuta e ciclica e l’effetto di questo processo è reso visibile dalla rugosità presente sul materiale, dovuta alle linee di avanzamento sulla superficie.

Le prove in laboratorio consistono nel valutare quanti giri il materiale sopporta, data una determinata sezione e un carico prestabilito. Più il carico è elevato, più piccolo è il numero di giri a cui il materiale resiste. I risultati vengono poi registrati in diagrammi dove gli sforzi applicati al provino vengono riportati in funzione del numero di cicli N dopo i quali avviene la rottura.

I materiali rispondono in modo diverso a questi sforzi; ad esempio per la lega dell’alluminio, lo sforzo che provoca la rottura diminuisce all’aumentare del numero di cicli, per l’acciaio e il carbonio all’aumentare del numero di cicli si ha dapprima una riduzione della resistenza alla fatica e successivamente la curva tende ad un asintoto orizzontale, al di sotto del quale la resistenza alla fatica non diminuisce più all’aumentare del numero dei cicli. Esistono materiali per i quali vi è una soglia, detta limite di fatica, al di sotto del quale non si osserva più la fatica. Sono dei metalli aventi una struttura cristallina tale per cui la propagazione della frattura viene bloccata quando lo sforzo applicato è al di sotto di una certa soglia. Molte leghe ferrose mostrano un limite di fatica pari a circa la metà del loro carico di rottura, mentre le leghe non ferrose, come l’alluminio, non hanno un preciso limite di fatica e ne possono avere una resistenza pari anche ad un terzo del loro carico di rottura.

Prove di durezza

Determinano quanto la superficie di un materiale resiste all’abrasione e alla scalfittura. Un materiale duro è nello stesso tempo resistente al consumo e all’usura. Esiste una gradualità numerica di resistenza dei materiali alla scalfittura, in relazione ai legami chimici presenti: per legami ioni o secondari, si ha una scarsa resistenza; per legami covalenti, si ha una maggiore resistenza. La durezza si misura effettuando un processo che consiste nel pressare una sferetta di dimensione nota sulla superficie del materiale e valutare le caratteristiche dell’impronta rimasta, in base a questa si determina il valore corrispondente di durezza nella scala Mohs.

Trattamenti termici

Ricottura

Viene eseguito con cicli diversi caratterizzati da riscaldamento elevato per un tempo prolungato e successivo raffreddamento lento, sufficiente per determinare nella massa metallica le trasformazioni volute. Si applica per attenuare sulla struttura gli effetti dovuti alla precedente lavorazione e ripristinare il materiale per effettuare nuove modellazioni.

Normalizzazione

Viene eseguito per modificare il grano del metallo, rigenerandolo e rendendolo più fine e uniforme. Permette di ottenere una durezza maggiore, questa durezza non solo superficiale ma che coinvolge tutto il pezzo. Essa dipende dalle modalità di raffreddamento, dalle dimensioni del pezzo e dalla temprabilità dell’acciaio.

Tempra

Avviene immergendo la lega di ferro-carbonio, mentre si trova ad alte temperature, dentro un fluido refrigerante a bassa temperatura; tale sistema cristallizza secondo uno schema che porta alla formazione di una struttura, la cui morfologia dei cristalli cambia a seconda della velocità del raffreddamento, che deve necessariamente essere superiore della velocità critica di tempra in una zona sufficientemente ampia della sezione del pezzo. Questo successivo rapido raffreddamento porta alla formazione di questa struttura cristallina solo nello strato superficiale del pezzo, dentro cui invece la struttura resta inalterata. Così si ottengono superfici molto dure, resistenti ad usura e un miglioramento della resistenza a fatica. Tanto più il materiale è temprato, tanto meno è duttile, a tal punto da diventare fragile. La temprabilità è la proprietà degli acciai che determina la profondità e la distribuzione della durezza ottenuta con il trattamento di tempra, il cui valore dipende dalla composizione chimica dell’acciaio e dalle dimensioni del grano. Quasi tutti gli elementi di lega tendono ad aumentare la temprabilità, riducendo la velocità critica di tempra, infatti gli acciai al carbonio sono molto meno temprabili rispetto a quelli con la presenza di leghe.

Rinvenimento

Generalmente costituisce lo stadio finale di un ciclo di trattamenti, ha lo scopo di conferire all’acciaio le caratteristiche meccaniche richieste e di eliminare parzialmente o completamente le tensioni interne generatesi durante la tempra.

Bonifica

Consiste in una tempra eseguita da un rinvenimento a temperatura tale da ottenere nell’acciaio la struttura della sorbite, alla quale corrispondono proprietà meccaniche migliori. Negli acciai bonificati si ha l’assenza di tensioni residue e un aumento di resilienza. Lo stato di sorbite si ottiene facendo una combinazione di tempra e rinvenimento, giocando con i tempi relativi ai due processi, infatti non lo trovano nel diagramma ferro-carbonio (perché, appunto, dipende dal tempo).

Distensione

Si effettua sottoponendo a riscaldamento, con temperatura bassa (sui 200°C), acciai temprati con alta percentuale di carbonio e serve per riarrangiarne la struttura.

Trattamenti termochimici

Molte caratteristiche che si ricercano nei materiali non è necessario siano presenti nell’intero pezzo, spesso basta che lo strato superficiale abbia determinate caratteristiche perché è questo ad entrare in contatto con altri pezzi. Lo scopo è ottenere strati superficiali con elevata durezza, resistenza a fatica e usura, mantenendo tenacità nel cuore.

Cementazione

Consiste nel riscaldare l’acciaio a temperature abbastanza elevate all’interno di un fluido carburante, con lo scopo di arricchire di carbonio la superficie del pezzo per il miglioramento delle proprietà. Questo permette di avere un pezzo che internamente resta acciaio ma al di fuori si comporta come una ghisa.

Nitrurazione

Consiste nel riscaldare l’acciaio a temperature non troppo elevate all’interno di un fluido contenente azoto, per 10-20 ore, con lo scopo di arricchire di azoto la superficie del pezzo per conferire determinate proprietà.

Metalli ferrosi – acciai e ghise

Si definiscono acciai le leghe Ferro-Carbonio con C<2% – materiale duttile. Si definiscono ghise le leghe Ferro-Carbonio con C>2% – materiale fragile.

Acciaio

Viene prodotto a partire dal ferro in complessi industriali definiti “impianti a ciclo integrale”, secondo lo schema:

• Pretrattamento dei minerali per ottenere un materiale con caratteristiche chimiche e fisiche adatte per l’altoforno;
• Formazione del monossido di carbonio, ottenuto con il carbon coke presente nell’altoforno, e formazione di ghisa liquida;
• Fusione dei minerali e il carbonio entra a far parte del reticolo cristallino con il ferro;
• Affinazione della ghisa liquida, togliendo il carbonio in eccesso tramite il contatto con l’aria per l’affinità con l’ossigeno, per diventare acciaio;
• Colatura dell’acciaio fuso, versandolo in stampi, e solidificazione per la produzione di lingotti.

Acciai inox (inossidabili)

La denominazione fa riferimento alla loro resistenza alla corrosione, dovuta alla presenza di cromo e nichel nella matrice dell’acciaio. Nell’ambiente ossidante si forma spontaneamente l’ossido di cromo, per l’interazione carbonio-cromo, e va a creare un sottilissimo film sulla superficie del pezzo che conferisce questa particolare caratteristica. Sono acciai inox con buona resistenza a fatica e refrattari.

Ghise

La ghisa pura, composta solo da ferro e carbonio, è il primo prodotto che esce dall’altoforno, dalla quale si ricavano l’acciaio con la diminuzione di carbonio o le ghise con l’aggiunta di elementi di lega. Sono usate come leghe in fonderia perché possiedono una bassa temperatura di fusione e un’elevata fluidità, confrontate all’acciaio, e durante le fasi di solidificazione e raffreddamento il carbonio si separa in parte sotto forma di grafite o sferoidi, delle sferette interne che permettono lo scivolamento del materiale, per cui favoriscono il riempimento di stampi pieni anche complessi. Quindi sono ottime leghe per getti, perché particolarmente fluide allo stato liquido, non formano pellicole superficiali indesiderate quando vengono colate e solidificano con un ritiro basso e moderato. Hanno una buona resistenza meccanica, una buona durezza e sono facili da usare alle macchine utensili generalmente. Possono essere accoppiate con elementi leganti per raggiungere un’elevata resistenza all’usura, all’abrasione e alla corrosione.

Però hanno resilienza e duttilità relativamente basse, che ne limitano l’utilizzo per determinate applicazioni. Sono comunque predilette per stampi pieni e sconsigliate per lamiere o pezzi sottili. (Ad esempio viene sfruttata la loro caratteristica di rompersi, anziché piegarsi e deformarsi, per la realizzazione di pezzi delle macchine industriali; infatti in molti casi è più conveniente che un determinato pezzo si rompa in seguito ad una sollecitazione e la macchina si arresta, anziché il pezzo si deformi e comporti ulteriori problemi).

Ghise bianche

Presentano un livello di carbonio basso combinato con cementite (non si aggiunge nessun elemento di lega sennò si avrebbe la formazione di grafite), che conferisce loro la caratteristica di essere molto dure e fragili, per cui vengono utilizzate per fabbricare pezzi per i quali è richiesta un’elevata resistenza all’usura.

Ghise grigie

Presentano una quantità di carbonio media ed è presente il silicio, che favorisce la formazione di lamelle di grafite. È il tipo di ghisa più usato industrialmente.

Ghise nere / ghise sferoidali

Presentano un’elevata quantità di carbonio combinato con grafite sotto forma di sferoidi, appunto, che provocano una ridotta interruzione della matrice metallica. Duran