Tecnologia dei materiali metallici (Prof. Giorgio Scavino) PoliTo

Tecnologia dei materiali metallici

Prof. G. Scavino – Appunti delle lezioni a cura di Elia Nicola

Esami

Possibilmente nello stesso giorno, uno dopo l'altro. Alla sessione di giugno/luglio ci saranno due appelli. Si può dare una parte in un appello ed in una parte l'altro appello. La frequenza alle lezioni è libera.

Modalità di esame: l’esame sarà uno scritto, molto probabilmente con domande aperte. Non si può fare più l’esonero perché sono stati ammoniti e sanzionati.

Corso

• Cosa sono i materiali metallici
  • Proprietà e caratteristiche
  • Perché i metallici hanno le suddette
  • Difetti (nei materiali metallici il termine difetto non sempre è negativo, anzi in alcuni casi ci permette l’utilizzo dei materiali metallici stessi); perché i difetti; tipologia dei difetti; uso dei difetti
  • Controllo e gestione dei difetti (meccanismi di rafforzamento)
  • Frattura, analisi e causa delle fratture (come e perché si rompono i MM) [failure analysis]
• Diagramma di stato Fe-C
• Colata degli acciai (peritettico)
• Ghise (eutettico)
• Trattamenti termici (eutettoide)
• Trattamenti superficiali: cementazione, tempra superficiale, nitrurazione, PVD, CVD, … (non necessariamente)
• Acciai
  • Varie tipologie di acciai:
    • Profondo stampaggio (carrozzerie, …)
    • Da carpenteria (HSLA, alto resistenziali)
    • Da TT (Trattamenti Termici) cioè da bonifica
    • Acciai speciali (Inox, acciai rapidi per lavorazioni a caldo, acciai per lavorazioni a freddo, …)
  • Leghe di alluminio: varie tipologie
  • Leghe di rame
  • Leghe di titanio
• Cenni di corrosione
• Usura, infragilimento, effetti di altri elementi chimici (H₂)
• Prova di trazione
• Prova di durezza (HRC, HB, HV)
• Valutazione effetto H₂
• Resilienza
• Prova di fatica
• Osservazioni metallografiche
  • Microscopi ottici
  • Microscopi elettronici (SEM, TEM)

Libri

Superare l’esame: basta seguire le lezioni. Non ci sarà niente nell’esame oltre alle lezioni. Nicodemi Walter – Metallurgia Vol. I e II

Materiali metallici

Sono alla base di qualsiasi costruzione di tipo meccanico. Dunque il loro studio è di fondamentale importanza relativamente all’industria meccanica. Effettivamente l’era geologica dell’essere umano è indicata in base al materiale da esso utilizzato (età della: pietra, bronzo, ferro, …).

Nel 1700 si hanno i primi altoforni industriali rivoluzione tecnologica. Prima di questa data si conoscevano gli acciai ma non si sapevano lavorare. I materiali metallici hanno particolari caratteristiche che li rendono indispensabili nell’industria meccanica.

Leghe: materiali con caratteristiche metalliche. Es.: acciai: Fe + C (<2%) “leghe a base ferro con tenore di carbonio inferiore al 2%”; ghise: Fe + C (>2%); bronzi: Cu + Sn; ottoni: Cu + Zn; alluminio: Al + altri elementi (serie 1000: quasi puro, serie 2000: con rame, serie 3000 con manganese, serie 4000 con silicio, serie 5000 con magnesio, serie 6000 con silicio e magnesio, serie 7000 con zinco, serie 8000 con litio od altri elementi).

“Ferro”: in realtà in ferro puro non si trova mai se non nei laboratori. Difatti ciò che viene in gergo chiamato ferro è un tipo di acciaio a basso contenuto (basso tenore) di carbonio. Le leghe per definizione non sono mai intese come formate da un singolo elemento: sono sempre base + aggiunta. Quando l’aggiunta è un secondo elemento metallico avremo dei composti intermetallici. Nel caso dell’acciaio invece vediamo che la lega contiene C, elemento non metallico: l’acciaio è una lega Fe-C. In un acciaio si trovano sempre Fe, C, Mn, Si, S, … perché le leghe sono prodotte a partire da minerali che non sono puri al 100%. Generalmente una lega si forma con un:

• Me +
  • Metallo → Ottoni, leghe di Al, Ti, …
  • Metalloide → Acciaio, ghisa, oppure materiali che non avendo caratteristiche metalliche non sono considerabili leghe.

Esempio:

• Fe +
  • C → Leghe: acciai, ghise
  • O → Ossidi (non hanno caratteristiche metalliche → non sono leghe!)

La superficie dei materiali metallici è spesso legata ad ossidi (“parte ossidata”) che non presenta le tipiche caratteristiche dei materiali metallici. Vengono prodotte leghe di materiali metallici perché i materiali puri sono solitamente poco resistenti alle sollecitazioni meccaniche; invece le leghe permettono di ottenere materiali con ottime proprietà meccaniche ed ottima resistenza chimica all’usura.

Caratteristiche

Le caratteristiche metalliche, che caratterizzano i materiali sopra descritti, sono:

• Elevata conduttività elettrica di 1° tipo
• Elevata conduttività termica di 1° tipo
• Riflettono la luce (lucentezza) (→ specchi), tanto è vero che un modo per determinare se un materiale è di tipo metallico è quello di controllare se lo stesso rifletta o meno la luce
• Tendenza all’ossidazione (capacità di cedere elettroni): i materiali metallici tendono ad ossidarsi in superficie quando vengono a contatto con l’ossigeno.
• Comportamento magnetico: dettagli in seguito

Es: l’acqua conduce tramite ioni (conduzione di tipo ionico), i metalli conducono elettroni (conduzione di tipo elettronico).

Saldabilità: caratteristica in comune a due stessi materiali di effettuare una cosolidificazione una volta arrivati al punto di fusione. Non è esclusiva in quanto anche i materiali vetrosi si comportano in questo modo.

Riciclabilità (end of life), condivisa con i vetri.

Deformazione plastica: La maggior parte (Fe, Cu, Al, …) cristallizzano in sistemi cubici (a corpo centrato ed a facce centrate). La maggior parte delle caratteristiche dipendono da questa ordinata disposizione degli atomi. Alcuni metalli hanno struttura comparabile all’esagonale compatta (vedremo più avanti).

Riciclabilità (end of life)

Un’importante caratteristica dei materiali metallici è la riciclabilità. I metalli si ottengono per lavorazione dei minerali (l’operazione è l’altoforno esempio Ilva: minerali → acciaio), o per lavorazione dei rottami (l’operazione è una fusione in forno elettrico). La domanda è: arriveremo al punto di poter chiudere gli altoforni e fondare la produzione di acciai sul riciclaggio dei rottami, senza più estrarre minerali? No perché i rottami, come si suol dire, sono inquinati. Ad esempio, se durante una rottamazione di un’automobile viene lasciata la batteria del veicolo dentro, l’acciaio sarà inquinato dal piombo presente nell’accumulatore. Lo stesso discorso vale per i fili elettrici, che costituiscono rame inquinante.

È necessario l’acciaio fresco per rendere funzionante il processo di riciclo dei rottami, “purificando” i rottami: durante la produzione di acciai negli altoforni vengono prodotti alcuni scarti, ad esempio durante la produzione di particolari geometrie, che, essendo acciai buoni appena formati, vengono riutilizzati per bilanciare l’impurità dei rottami in fusione nei forni elettrici.

Deformazione plastica

I materiali metallici sono importanti ingegneristicamente perché hanno la deformabilità plastica, cioè la capacità di sopportare senza rompersi un movimento relativo di piani reticolari. Sono gli unici materiali che godono di questa proprietà. Possono dunque subire una deformazione permanente sotto l’azione di un carico. Per tutti i materiali, solitamente la deformazione è linearmente proporzionale al carico applicato, e si dice deformazione elastica. L’energia della forza applicata viene conservata come energia elastica, che si traduce in una maggiore ampiezza di vibrazione degli atomi nei reticoli cristallini del materiale. Quando tolgo il carico, torniamo alle condizioni iniziali (il fenomeno è reversibile, il materiale torna nelle condizioni iniziali).

Ma cosa succede se continuo a caricare? Nella maggior parte dei materiali ad un certo punto avviene la rottura del materiale, ossia l’energia che io fornisco serve alla creazione di nuove superfici. In campo di forze statiche basta aumentare la dimensione di un pezzo per migliorare la resistenza al carico statico, ma in campo di forze dinamiche bisogna tener conto che aumentare le dimensioni di un pezzo favorisce la diminuzione della sua deformabilità (capacità di assorbire energia e ridistribuirla), che potrebbe essere spesso un effetto indesiderato.

Per i materiali metallici, quando gli altri materiali arrivano al punto di rottura senza preavviso ed in modo istantaneo senza deformazione e con basso assorbimento di energia (sono cioè fragili), essi invece entrano nel tratto plastico, cioè i materiali metallici continuano a deformarsi ma non più in modo direttamente proporzionale al carico, assorbendo un’enorme quantità di energia. Inoltre, se io non aumentassi il carico fino alla rottura, la deformazione non avanzerebbe. Dunque ciò che contraddistingue i materiali metallici nell’ambito ingegneristico è che si rompono con un elevato apporto di energia, cosa che permette un maggior livello di sicurezza.

Lo scopo degli studi sui materiali metallici è di spiegare come nasce, come serve, come si controlla e come si può bloccare o favorire la deformabilità plastica. Il fatto che ci sia deformabilità plastica indica la presenza di un difetto particolare, cosa che favorisce le dislocazioni. Inibire il moto delle dislocazioni significa aumentare i carichi di rottura, ad eccezione del processo di affinamento del grano. La deformazione plastica è possibile solo in presenza di piani cristallini che scorrono, dunque solo in solidi con struttura cristallina. Si possono avere diversi tipi di rottura, il che si valuta con metodi che vedremo più avanti.

Conduttività elettrica (proprietà elettriche)

I materiali metallici conducono la corrente elettrica. Ad esempio, il rame è il materiale di principale impiego come conduttore elettrico. La conduzione è di tipo prevalentemente elettronico: potendo cedere elettroni, i materiali metallici hanno alcuni elettroni che possono abbandonare l’atomo ed andare a formare una nuvola di elettroni che si può muovere in spazi ad essi energicamente concessi (invece di tipo ionico è tipico nei liquidi attraverso l’elettrolisi). La proprietà di cedere elettroni accomuna tutti gli elementi metallici, ma considerando aspetti tecnologici ed economici ci riduciamo ad una piccola rosa di materiali. Il rame ha infatti ottime caratteristiche meccaniche ed è relativamente poco costoso. I metalli non si trovano mai allo stato puro, ma combinati ad altre sostanze, per motivi puramente termodinamici (tendendo a livelli di energia bassi, le reazioni chimiche, modi di abbassare l’energia, sono molto favorite). Con operazioni semplici è possibile estrarre i metalli ossidati, ad esempio se scaldo carbonato di calcio il gruppo carbonato si separa e rimane l’ossido di calcio. Dunque la domanda principale è come può essere più o meno facile (in termini tecnologici) separare il metallo dall’ossigeno. Ad esempio separare il rame dall’ossigeno è semplice (riscaldamento a 100°C) e dunque è molto favorevole alle lavorazioni tecnologiche; di contro, il titanio vuole una temperatura di 2000°C ed infatti è molto più costoso.

Il rame per impieghi elettronici deve essere molto puro, e questo è molto costoso: le dimensioni delle orbite atomiche sono dell’ordine di 10^-10m e la velocità della luce è di [...]; il principio di indeterminazione dice che misurare qualcosa che viaggia per [...] m/s ad una precisione di 10^-10m è impossibile, perché l’errore sarebbe troppo grande (Esempio: cattedra lunga 5m ± 5km); essendo gli orbitali connessi fra gli atomi, se abbiamo un elemento estraneo, quest’ultimo varierà l’energia nell’intorno in cui si trova rovinando la capacità di trasmissione di elettroni del metallo puro (esempio della viabilità con un masso in mezzo alla strada). Le vacanze sono dunque strettamente connesse alla conducibilità del metallo. Concludendo, il rame è un ottimo conduttore ma deve essere puro. Ciò che costa per applicazioni di tipo elettronico è sostanzialmente la produzione del rame pulito.

I metodi per rendere il rame pulito sono: fusione per zone: considerando un diagramma di stato, notiamo che passando da solido a liquido e risolidificando otteniamo meno concentrazione di un materiale, dunque questo processo può purificare un metallo. Elettrolisi: l’anodo (rame impuro) si scioglie, gli ioni rame puri si depositano sul catodo; è un metodo molto costoso. Torniamo al discorso del rame per applicazioni elettroniche. Cercando un’alternativa, notiamo che ad esempio l’oro ha caratteristiche meccaniche molto scarse se preso puro, dunque per la trasmissione di elettricità, che migliora tanto quanto è più puro il metallo, è sconsigliato. Viene, però, utilizzato per i connettori e le connessioni: gli ossidi non sono conduttori, ed il principale problema delle applicazioni elettroniche è proprio la formazione di ossidi con l’umidità; essendo l’oro un materiale molto nobile, è inossidabile e dunque consigliato per la protezione dei connettori. Inoltre, è da considerare anche il peso specifico del materiale con cui si produce, per esempio, un impianto elettrico domestico: l’oro è più denso del rame e richiederebbe una struttura apposita per reggerne stabilmente il peso; difatti a volte viene utilizzato l’alluminio come conduttore per via della sua scarsa massa volumica, che lo rende molto leggero.

Quando bisogna trasferire della potenza elettrica (P=V*I), si può avere elevato voltaggio V, elevata intensità I o entrambi elevati. Generalmente si tende ad avere basse correnti ad elevate tensioni perché i conduttori, non essendo ideali, hanno una resistenza propria che genera una caduta di tensione (V=R*I²) e che provoca un aumento di temperatura del conduttore. Per minimizzare R*I² è ovviamente necessario minimizzare la corrente (ciò viene fatto come detto a monte) e la resistenza. La resistenza è pari a ρ·l/A, dove ρ è funzione del materiale (ad esempio per il rame: tipo di rame e grado di purezza) e della temperatura. I difetti di punto più importanti sono le vacanze; le vacanze sono punti vuoti in cui può stare un atomo (ad esempio i vertici del cubo ecc.). Esse sono difetti di equilibrio, cioè prevedibili in base alle leggi della termodinamica, in quanto dipendenti dalla temperatura. La legge che controlla questo comportamento è la seguente: ( ) −= ( )→ alla temperatura di 0 [K] non avrò nessuna vacanza. Le vacanze sono problematiche ai fini della trasmissione di elettricità, per il motivo visto prima dei “buchi” di orbitali mancanti durante la trasmissione. Infatti all’aumentare delle vacanze aumenta la resistività del materiale. Scaldando un materiale, aumenta, secondo le leggi appena viste, resistività e dunque resistenza; ciò porta ad un maggior riscaldamento, processo ciclico ed auto alimentato. Sul parametro l (lunghezza) del conduttore posso giocare ben poco, ma su A (sezione del conduttore) si può intervenire: essendo a denominatore, una sezione maggiore implica una minore resistenza dello stesso. Qui interviene, però, la questione del peso specifico: tanto è vero che converrebbe un materiale più leggero come ad esempio l’alluminio se lo scopo fosse solo di aumentare la sezione del conduttore mantenendo basso il peso. Anche l’alluminio per essere buon conduttore deve essere puro (pulito).

Leghe di alluminio solitamente prodotte

Proprietà magnetiche

Comportamento magnetico: tutti i materiali possono avere comportamento: dia-, para- e ferro- magnetico (ferro: aumentano il campo magnetico; para: influenti al campo magnetico; dia: si oppongono generando un campo opposto). A livello elettronico, il campo magnetizzante H provoca la distorsione delle orbite di percorrenza elettronica, e ciò genera la creazione di un campo magnetico opposto che tende a riequilibrare la situazione verso una condizione a bassa energia. La temperatura a cui si trovano i metalli può alterare le proprietà degli stessi. Ferro, cobalto e Nichel ad esempio da ferromagnetici diventano paramagnetici al raggiungimento di una certa temperatura. Affinché un materiale possa essere definito ferromagnetico devono essere soddisfatte due condizioni: un orbitale interno all’atomo (non con elettroni di valenza) che sia incompleto (= hanno elettroni spaiati, quindi hanno spin residui che generano campo magnetico).