Tecnologia meccanica

Cenni di materiali metallici

Strutture cristallografiche

Diversi metodi di fabbricazione di un oggetto portano a diverse caratteristiche chimico-fisiche. Queste proprietà sono generate da come gli atomi si dispongono: le strutture cristallografiche sono le disposizioni degli atomi nello spazio. Il più piccolo gruppo di atomi che evidenzia il reticolo cristallino è detto cella elementare. Le più comuni sono:

• Cubico a corpo centrato BCC (cromo, titanio, tungsteno - resistenza alle alte temperature)
• Cubico a facce centrate FCC (alluminio, rame, oro - gli atomi si dispongono su piani paralleli che aumentano la deformabilità del materiale)
• Esagonale compatto HCP [hexagonal compact] (zinco, magnesio – gli atomi si dispongono su “fogli” che prevede una forte resistenza alle deformazioni lungo il piano dei fogli e debole tra un foglio e l’altro)

Ovviamente diverse strutture richiedono livelli energetici diversi: una variazione di temperatura o pressione può determinare un cambio di reticolo. Quando un materiale presenta più di una tipologia di struttura cristallografica contemporaneamente si parla di allotropismo/polimorfismo.

Deformazione dei metalli

Quando carico un corpo metallico con una forza esterna di bassa intensità, questo si deforma elasticamente, ossia quando viene rilasciata la forza esso ritorna alla forma originale. Quando la forza supera una soglia limite allora la deformazione sarà permanente. Esistono due tipi di deformazione permanente:

• Scorrimento: gli atomi scorrono lungo direzioni preferenziali detti piani di scorrimento quando lo sforzo di taglio supera un valore limite detto tensione di scorrimento (es. il piano di fogli)
• Geminazione: una parte del cristallo forma un’immagine speculare di sé stessa dall’altra parte del piano di geminazione.

La tensione di taglio misurata su un atomo ha un andamento sinusoidale in quanto quando un atomo viene spostato dalla sua sede, sente all’inizio una forza contraria al suo moto (che lo farebbe tornare in sede) e una volta superato il punto medio della distanza della sua sede dalla sede dell’atomo affianco, vince la forza di richiamo della sede successiva.

Difetti nei metalli

I difetti riscontrabili in un metallo sono di più tipi:

• Presenza di un atomo autointerstiziale
• Presenza di un atomo interstiziale
• Presenza di un atomo sostituzionale
• Vacanza (mancanza di un atomo)
• Dislocazione (disallineamento dei reticoli cristallini)

In generale, questi difetti facilitano lo scorrimento perché allentano i legami degli atomi vicini. I metalli sono normalmente composti da molti grani cristallini, ossia sono policristalli. I cristalli si formano durante la solidificazione a partire dai nuclei di solidificazione ai quali si aggregano altri atomi.

• Se la solidificazione avviene in modo lento avrò pochi nuclei e grani grossi
• Se la solidificazione avviene in modo brusco avrò tanti nuclei e grani piccoli

I nuclei dei cristalli avranno punto di fusione alto mentre i bordi dei grani lo avranno più basso. La resistenza allo scorrimento in un metallo policristallino è data dalla media delle resistenze dei vari grani poiché ogni grano avrà una direzione preferenziale. Infatti, la deformazione avviene in modo differente tra grano e grano. A seguito della deformazione, inoltre, alcuni grani tendono ad allungarsi nella direzione della stessa e si contraggono nella direzione ortogonale (assumendo una struttura detta fibrosa). Questo determina un comportamento diverso in base alla direzione delle forze applicate - il materiale si dirà anisotropo.

I bordi dei grani influenzano la resistenza (massimo carico senza deformazione) e duttilità (capacità di deformarsi senza rompersi) dei metalli, influenzano l’incrudimento (la tendenza del metallo a resistere allo scorrimento man mano che la forza di trazione aumenta).

Le deformazioni permanenti sono reversibili effettuando un riscaldamento del materiale ad un range adeguato di temperatura per un tempo sufficientemente lungo. Possono avvenire due fenomeni:

• Riassetto: temperature “basse” permettono il rilascio delle tensioni residue nelle zone a maggiore deformazione
• Ricristallizzazione: a temperature più elevate (0.3-0.5) si formano nuovi grani in sostituzione a quelli deformati

Al limite posso raggiungere la temperatura di cristallizzazione alla quale il metallo subisce la completa ricristallizzazione in circa un’ora. Anche il fenomeno dell’incrudimento può essere contrastato se si riscalda il materiale.

Lavorazioni dei metalli

Le lavorazioni dei metalli possono essere fatte a diverse temperature e si parla di:

• Lavorazioni a freddo (<0.3 T_K): grande precisione dimensionale ma forze di resistenza alte e incrudimento
• Lavorazioni a tiepido (0.3-0.5 T_K)
• Lavorazioni a caldo (>0.6 T_K): grandi deformazioni con sforzo di deformazioni costante

Molti oggetti vengono lavorati inizialmente a caldo per sfruttare la duttilità e rifiniti a freddo per raggiungere grande precisione. Il cedimento è la condizione nella quale il metallo cessa di esercitare la funzione strutturale. Può essere di più tipi:

• Frattura: rottura del corpo
  • Duttile – con deformazione plastica
  • Fragile – senza deformazione plastica
  • Fragile a fatica – legato non al carico ma ai cicli di caricamento
• Instabilità: piegamento del corpo

In certi casi il cedimento di un componente è progettato al fine di assorbire carichi eccessivi o per adempiere uno scopo preciso.

Proprietà dei metalli

• Densità: interessante quando associata alla resistenza specifica (resistenza/massa)
• Punto di fusione: un elevato punto di fusione implica la conservazione delle caratteristiche meccaniche anche ad alte temperature
• Calore specifico: capacità di assorbire calore senza subire gli effetti della temperatura
• Conduttività termica: più è alta minore è il rischio di avere aumenti localizzati di temperatura
• Dilatazione termica: tendenza ad aumentare di dimensione a fronte di un innalzamento della temperatura
• Resistenza alla corrosione: capacità di resistere ad attacchi chimici da parte dell’ambiente di lavoro

Leghe ferrose

Contengono ferro (che non viene mai utilizzato allo stato puro perché estremamente malleabile) che viene messo in leghe con percentuali variabili di carbonio. Se la percentuale di C è relativamente bassa si parla di acciai, se alta si parla di ghise.

Acciai al carbonio

• Acciai a basso tenore di carbonio (dolci): <0.3%, usato per viti, lamiere, tubi. Per componenti che non richiedono elevata resistenza
• Acciai a medio tenore di carbonio: 0.3-0.6%, bielle, ruote assiali. Maggiore resistenza
• Acciai ad elevato tenore di carbonio: >0.6%, molle, cavi, rotaie. Elevata resistenza meccanica

Acciai legati

Contengono elementi leganti in percentuali non trascurabili per migliorare ulteriormente le caratteristiche meccaniche di resistenza.

Acciai inossidabili

Contengono un’elevata percentuale di Cromo (>12%) che crea una patina superficiale di ossido di cromo che protegge il metallo dalla corrosione chimica-meccanica (passivazione). Si distinguono:

• Austenitici (Cr, Ni, Mn, Fe) -> facilmente lavorabili
• Ferritici (Cr 27%) -> difficilmente lavorabili
• Martensitici (Cr 18%, Ni) -> elevata resistenza meccanica. Il nichel presenta un’elevata resistenza termica-chimica-meccanica quindi viene utilizzato in applicazioni “estreme”.

Acciai per stampi ed utensili

Progettati per resistere a sforzi meccanici e usura anche ad alta temperatura:

• Acciai rapidi (HSS-High Speed Steel) contengono Mo, Va, Cr, Co, W: estrema resistenza all’usura e per questo utilizzati per utensili come punte di trapani, seghe circolari
• Acciai a caldo contengono Mo, Va, Cr, W: resistono alle alte temperature
• Acciai a freddo: applicati per la formatura a freddo
• Acciai resistenti agli shock: alta resistenza agli impatti

Ghise

Il carbonio è in percentuali tra il 2.11 e il 6.67% che favorisce la formazione di grafite (di per sé poco resistente ma nella ghisa conferisce una nervatura interna con l’effetto opposto) e cementite (carburo di ferro – conferisce durezza e resistenza). Le caratteristiche meccaniche (soprattutto la durezza) dipendono, oltre che dagli elementi in lega, dalla velocità di raffreddamento: all’aumentare della velocità di raffreddamento aumenta la resistenza portata dalla cementite, la quale si forma ad alte temperature ma che tende a sciogliersi e formare altri composti al diminuire della temperatura. Se invece raffreddo bruscamente la ghisa allora riesco a ottenere una quantità di carburo di ferro elevata, la quale appunto conferisce durezza e resistenza alla ghisa.

Le ghise hanno punti di fusione più basse dell’acciaio e per questo si possono formare oggetti in ghisa tramite colata. Hanno inoltre una eccellente stabilità strutturale e sono considerate per nulla elasticamente deformabili.

Alluminio e leghe di alluminio

L’alluminio ha un elevato rapporto resistenza/peso. Ha un’elevata resistenza alla corrosione in quanto forma naturalmente una patina superficiale di allumina (ossido di alluminio). Ha elevata conducibilità termica ed elettrica: non è tossico. È facile da lavorare anche se l’elevata dilatazione termica durante la lavorazione può lasciare segni sul materiale. Viene utilizzato nei contenitori alimentari, per la costruzione di telai per i trasporti, per il trasporto di energia elettrica (al posto del rame che è più costoso) per la fabbricazione di elettrodomestici.

Leghe di magnesio

Materiale ingegneristico più leggero disponibile ed è applicato per applicazioni strutturali quali: aeronautico, biciclette, attrezzatura sportiva. La lavorazione è però pericolosa in quanto altamente reattivo con l’ossigeno e potrebbe dar luogo a esplosioni.

Leghe di rame

Usato per componenti elettrici, molle, scambiatori di calore, tubature. Le leghe più utilizzate sono l’ottone e il bronzo.

Superleghe

Sono a base di ferro, cobalto o nichel e contengono cromo, cobalto, alluminio, tungsteno, titanio. Sono resistenti alle alte temperature, alla corrosione, a sforzi meccanici e attacchi chimici.

Leghe di titanio

Leggero e resistente ad alte temperature e corrosione, è biocompatibile e adatto per essere stampato in 3D. Questo lo rende un materiale adatto alla creazione di oggetti di precisione e protesi umane.

Materiali refrattari

Caratterizzati da un elevatissimo punto di fusione che li rende applicabili in contesti estremi come l’aerospaziale. Troviamo il molibdeno, niobio, tungsteno e tantalio. Sono molto costosi.

Altri metalli

Per applicazioni nucleari:

• Berilio
• Zinco

Metalli a basso fusione

• Piombo (tossico)
• Zinco
• Stagno

Carburi metallici

Materiale sostitutivo all’hss per la realizzazione di utensili. Inventato nel 1930. Sono composti da un carburo (di tungsteno o titanio) annegati in una matrice metallica di cobalto. Di per sé i carburi sono fragili in quanto sono materiali ceramici, ma uniti al cobalto diventano duri e tenaci.

Widia

Carburo di tungsteno. Tedesco: wi diamant

Cermet

Carburo di titanio. Giapponese: ceramic metal. All’aumentare della percentuale di cobalto e al diminuire della grandezza dei grani, aumenta la tenacità del carburo. I componenti vengono prodotti per sinterizzazione: viene preparata la miscela di polveri di cobalto e carburo che poi vengono pressate al fine di estrarre l’aria e successivamente riscaldate fino ad una temperatura tale da permettere la parziale fusione dei cristalli di cobalto così che possano legarsi ai cristalli di tungsteno/titanio. Spesso vengono rivestiti con uno strato sottile (ad esempio il nitruro di titanio) che aumentano la durezza superficiale o abbassano il coefficiente di attrito o isolano termicamente/chimicamente la parte esterna da quella interna. Sono utili anche per determinare lo stato di usura del componente.

Metalli ceramici

Sono di due tipi:

• A base di ossido di alluminio (allumina)
• A base di nitruro di silicio

Sono caratterizzati da elevata durezza a caldo e stabilità chimica. Vengono utilizzati per la creazione di utensili da taglio e componenti speciali come cuscinetti.

Diamante policristallino (PCD)

Il diamante monocristallino viene estratto in miniera e per questo molto costoso. Per questo motivo si preferisce sinterizzare polvere di diamante dentro una matrice di cobalto. Il MCD è un cristallo di carbonio con struttura tetraedrica molto stabile che gli conferisce una durezza eccezionale. Il carbonio tende però a reagire e legarsi con molti elementi tra cui l’ossigeno e il ferro; questo impone una particolare attenzione all’utilizzo del diamante. È molto fragile se sottoposto a temperature sopra i 600°.

Nitruro di boro cubico (CBN)

Materiale inventato per ovviare ai problemi del pcd e costituito da cristalli cubici di nitruro di boro con lo stesso reticolo cristallino del diamante immerso in un legante ceramico (che ne aumenta la resistenza all’abrasione) o metallico (per maggiore tenacità). Può raggiungere in lavorazione temperature superiori ai 2000°.

Comportamento dei materiali metallici

Comportamento meccanico

Prendiamo in esempio la deformazione plastica. Vi sono più tipi:

• Trazione
• Compressione
• Taglio

La prova di trazione viene effettuata con una macchina capace di misurare l’allungamento ΔL di un provino (con diametro e lunghezza standardizzati) a fronte di una forza di trazione F crescente in modo uniforme. La macchina misura anche la forza di resistenza del provino. L’andamento di tale forza viene riportato su un grafico con assi ΔL e F.

Il grafico mostra che in un primo momento la deformazione avviene in modo proporzionale alla quantità di forza. Questa fase si chiama fase di deformazione elastica e termina al raggiungimento della forza di snervamento. La seconda fase è caratterizzata dalla deformazione plastica del provino in cui avviene un allungamento con forza costante. In una terza fase sopraggiunge l’incrudimento che determina un innalzamento della curva fino a raggiungere un massimo. L’ultima fase è caratterizzata dall’indebolimento strutturale del provino dovuto alla formazione di un collo (strizione) in prossimità della sezione più debole dello stesso.

Dal grafico posso ricavare alcuni valori interessanti quali:

• Fe = Tensione elastica
• Fe = Tensione di snervamento
• Fmax = Resistenza massima (o Ultimate Tensile Strength)
• ΔLmax = Massimo allungamento
• K = Costante elastica o Modulo di Young (pendenza del primo tratto di curva)

Quando supero la tensione di snervamento di un materiale, non avrò più un comportamento elastico; quindi se mollo il carico esso non ritornerà alla forma originaria perché avrà già subito una deformazione permanente. Le forze interne al materiale però porteranno a un riassetto interno del reticolo cristallino che si traduce in un apparente deformazione elastica. Questa deformazione viene chiamata recupero elastico e ha importanti percussioni su molte lavorazioni dei metalli come la piegatura.

La vera tensione σ e la vera deformazione ε vengono introdotte perché più rappresentative dello stato istantaneo del materiale: σ = F/A ε = ln(L/L0)

Utilizzando queste due nuove dimensioni si può creare un grafico più facilmente leggibile detto diagramma di Hollomon. Infatti da questo grafico si può trovare una semplice relazione tra σ ed ε con l’aiuto della grandezza K ed n (coefficiente di incrudimento – calcolato come il rapporto dei logaritmi delle due grandezze). L’area sottesa alla curva nel diagramma di Hollomon è pari al lavoro speso durante la deformazione.

È facile intuire che al variare di n varia il comportamento del materiale di fronte alle forze di trazione. Si distinguono quindi i casi in cui:

• n=1: il materiale ha un comportamento perfettamente elastico
• n=0÷1: il materiale ha un comportamento intermedio
• n=0: il materiale ha un comportamento perfettamente plastico

Non ha matematicamente senso parlare di valori di n esterni a [0,1]. Il modello di Hollomon è adatto a descrivere la prova di trazione solo in condizioni a freddo. Infatti con l’aumentare della temperatura, la deformazione è via via meno energivora e non può essere descritta con il modello appena proposto poiché questo non tiene conto della temperatura.

All’aumentare della temperatura il materiale acquisisce caratteristiche plastiche e quindi varia n. Si può descrivere questa situazione con il strain rate (velocità di deformazione) definito come la derivata nel tempo di ε [s⁻¹] ossia come (velocità su lunghezza). A caldo quindi si può usare il modello seguente: ε̇ = Cσ^m con C ed m costanti calcolate empiricamente imponendo al provino una temperatura costante e alla macchina di trazione un moto tale da garantire una velocità di deformazione costante.

Il lavoro unitario di deformazione per unità di volume è definito da: w = ∫σdε = Y(εm - ε0m) dove Y viene chiamato tensione di flusso plastico media.