Tecnologia dei materiali

TA. 01.10.2013

Libri

CHIMICA APPLICATA di Cesare Brisi

• cap 6
• cap 16
• cap 17

SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI di Williams Smith

• da cap 1 a cap 6

TECNOLOGIA DEI MATERIALI E CHIMICA APPLICATA di Marchese

• cap 5
• par 6.5
• par 7.1

TA. 03.10.2013

CRISTALLO

Solido composto da atomi ioni e molecole organizzate in un modello che si ripete nelle tre dimensioni.

STRUTTURA CRISTALLINA

Sequenza ordinata e ripetitiva nelle tre dimensioni dello spazio di atomi e ioni.

RETICOLO CRISTALLINO

Sequenza tridimensionale di punti ognuno dei quali ha punti prossimali identici. (Sono tutti uguali)

CELLA ELEMENTARE

Opportuna unità base del reticolo cristallino che si ripete le lunghezze degli assi e gli angoli tra gli assi sono le costanti reticolari della cella. In natura ci possono essere 14 tipi di celle elementari.

Strutture cristalline metalliche

• CCC (cella cubica a corpo centrale)
• CFC (cella cubica a facce centrate)
• EC (cella esagonale compatta)

Cella cubica a corpo centrale

Contiene al suo interno un atomo completo e ad ogni spigolo si trova 1/8 di atomo. Se consideriamo uno stesso spigolo possiede in numero atomico pari a 2.

Per numero atomico si intende il numero di atomi interi contenuti nella cella.

Tre atomi diversi si toccano sulla diagonale del cubo.

ac = diagonale cubo R = raggio atomo

√3R = 3a

Possiede un fattore di compattazione atomico (FA) pari al rapporto tra il volume pieno e il volume totale della cella.

FCA (cc) = V (2 atomi = sfere) / V (volume cella = cubo) = 0.68

Questo fattore indica quanto è densa la materia.

Data: 08.10.2013

Diffusione atomica nei solidi

Fenomeno con il quale la materia è trasportata attraverso la materia. Nei solidi i movimenti atomici sono lenti quindi si servono delle vibrazioni termiche affinché alcuni atomi possano muoversi.

Meccanismo di diffusione per vacanza

Le vacanze nei solidi sono difetti di equilibrio e qui non sono sempre presenti, consentono così che avvenga la diffusione sostituendo degli atomi mentre le vibrazioni termiche consentono:

• di superare l'energia di attivazione;
• di far aumentare il numero di vacanze;
• una elevata velocità di diffusione.

→ Nel caso della diffusione per vacanza, i due elementi devono avere dimensioni di atomo pressoché uguali.

Meccanismo di diffusione interstiziale

Avviene quando gli atomi si muovono da un sito interstiziale ad un altro sito interstiziale, viene senza spostare permanentemente nessuno degli atomi del reticolo cristallino. Affinchè questo meccanismo sia efficace la dimensione degli atomi che si vuole diffondere deve essere più piccola rispetto a quella degli atomi del cristallino.

Diffusività

I valori di diffusività dipendono da

1. Tipo di meccanismo diffusione
1. Temperatura
2. Tipo di struttura cristallina

• natura della sollecitazione applicata:
  • COMPRESSIONE
  • TRAZIONE
  • TAGLIO
  • FLESSIONE
  • TORSIONE
• durata della sollecitazione:
  • STANTANEA
  • CONTINUA
  • CICLICA
• condizioni ambientali:
  • TEMPERATURA
  • PRESSIONE

PROVA DI TRAZIONE

La prova di trazione consente di valutare la resistenza meccanica dei metalli e delle leghe. Effettuiamo una prova di trazione distruttiva (ovvero la prova finisce quando si arriva alla distruzione del provino in due parti. La forza che agisce sul campione durante la prova viene riportata su un grafico detto DIAGRAMMA SFORZO-DEFORMAZIONE.

^sforzo

_stress

^deformazione

_strain

Fatica dei Metalli

Un metallo soggetto a sollecitazioni cicliche di trazione o compressione, può rompersi pur se soggetto ad uno sforzo molto inferiore a quello che il metallo può sopportare in condizioni di sollecitazione statica. Queste sono rotture a fatica.

Vita a Fatica

Numero di cicli di sollecitazione che un materiale riesce a sopportare prima di rompersi.

Lo strumento usato per le prove a fatica è la macchina per prove di fatica a flessione rotante. Il diagramma G-I-M

punti in cui varia la geometria del metallo sono punti di concentrazione di sforzi.

Fasi di una sollecitazione a fatica

1. innesco della cricca. Primo sviluppo del danno.
2. propagazione della cricca.
3. rottura duttile.

Creep e creep: rottura dei metalli

Quando un materiale metallico è sottoposto ad una sollecitazione costante ad elevata temperatura, superiore a ₁/² T_f, esso può subire una progressiva deformazione plastica nel tempo. Questa deformazione dipende dal tempo ed è chiamata "scorrimento viscoso a caldo" o "creep".

FORMAZIONE DELLA LOPPA

La loppa è una miscela composta da tutti gli elementi diversi da ferro che si trovano nei minerali di ferro.

• Avviene per reazione indesiderata: una parte di ossido di ferro FeO invece di fermare ossido di ferro si lega al SiO₂ (ossido di silicio) presente ma meno gangae ma più generati dal carbonio.
• FeO + SiO₂ ⇒ FeO·SiO₂ silicato di ferro
• Per eliminare questo composto indesiderato si usa il carbonato di calcio che in presenza è dissociato termicamente intorno al 1700°C.
• CaCO₃ ⇒ CaO + CO₂
• FeO·SiO₂ + CaO ⇒ CaO·SiO₂ + FeO
• silicato di calcio

Gli stessi meccanismi avvengono per l’alluminato di ferro e l’alluminato di calcio.

Oltre agli ossidi di ferro e al carbonio nella loppa ci sono altre sostanze (ossidi di manganese, MnO, ossidi di fosforo P₂O₅, silicio e zolfo)

RIDUZIONE PARZIALE DEGLI OSSIDI DI MANGANESE

• MnO₂ + CO ⇒ MnO + CO₂ + Q
• Mn₂O₃ + CO ⇒ 3MnO + CO₂ + Q

RIDUZIONE TOTALE DEGLI OSSIDI DI MANGANESE, SILICIO E FOSFORO

Avvengono contemporaneamente alla carburaione del ferro con conseguente passaggio totale o parziale in soluzione di manganese fosforo e silicio meticutti (AVVIENE NELLA SASCA)

• MnO + C ⇒ Mn + CO = Q 1500°C
• SiO₂ + C ⇒ Si + 2CO = Q >1800°C
• P₂O₅ + 5C ⇒ 2P + 5CO = Q →1100° C

Le SECCHIE o SIVIERE portano la ghisa fusa dai carri ai convertitori

I convertitori possono essere:

• Convertitori usati per acciai comuni o a carbone
• Ad aria e soffiati
• A ossigeno e LD
• Forni usati per acciai speciali
• Martin-Siemens
• Elettrici

Convertitori ad aria

Le ghise inserite in questi due convertitori devono avere caratteristiche specifiche

• Per il convertitore Bessemer le ghise devono essere contemporaneamente ricche di silicio e povere di fosforo.
• Per il convertitore Thomas le ghise devono essere contemporaneamente ricche di fosforo e povere di silicio.

Convertitore Bessemer

I convertitori sono macchine discontinue

Il materiale di rivestimento è refrattario acido. Perché? Perché le ghise sono acide, per via del silicio. Devono essere povere di fosforo perché è basico.

Se le ghise fossero basiche avverrebbe una reazione chimica con il materiale refrattario che è acido.

Il convertitore è riempito al 15%

• Fase attiva: soffiaggio di aria. L’aria attraversa lo strato di ghisa e l’ossigeno reagisce con il carbonio e gli altri elementi ossidandoli.