Tecnologia meccanica pag. 33-46

Trattamenti superficiali dei metalli

Sono trattamenti finalizzati ad impartire determinate proprietà meccaniche alle superfici metalliche (proprietà specifiche). Generalmente i trattamenti più impiegati sui metalli sono quelli di indurimento superficiale. Basti pensare alle ruote dentate: i denti vengono induriti allo scopo di rallentare la loro usura mentre ingranano. Esempi di trattamenti impiegati su questi organi meccanici sono quelli di carbocementazione e di nitrurazione. Un altro tipo di trattamento superficiale è la galvanizzazione che viene effettuata sulla carrozzeria delle automobili contro la ruggine. I trattamenti superficiali sono adottati massicciamente nell'elettronica, per esempio per rendere determinati materiali dei conduttori elettrici oppure per la trasmissione della luce.

Solidificazione dei metalli

I metalli sono dei solidi cristallini, quindi gli atomi si dispongono in maniera regolare per formare appunto una struttura cristallina. Gli

gli atomi del metallo si riorganizzano in una nuova struttura cristallina. Questo processo avviene a causa di cambiamenti nella temperatura o nella pressione. Durante la solidificazione, gli atomi si allineano in modo ordinato e formano un reticolo cristallino. Questo reticolo conferisce al metallo le sue proprietà caratteristiche, come la resistenza meccanica e la conduzione elettrica. Durante il raffreddamento, il materiale liquido perde calore e si solidifica. Durante questa fase, la temperatura rimane costante finché tutto il materiale non si è solidificato. Successivamente, se il calore continua ad essere rimosso, il materiale si raffredda ulteriormente. Durante questo processo, possono verificarsi trasformazioni allotropiche, che causano un cambiamento nella struttura cristallina del metallo. Queste trasformazioni possono essere influenzate da fattori come la composizione chimica del metallo o la velocità di raffreddamento. In conclusione, la solidificazione dei metalli puri avviene attraverso un processo di raffreddamento in cui gli atomi si organizzano in una struttura cristallina. Le trasformazioni allotropiche possono influenzare la struttura finale del metallo.avremo che il calore viene ceduto a tem-peratura costante. Questo per quanto riguarda i metalli puri. Un singolo cristallo è anisotropo, cioè presenta proprietà meccaniche diverse in ogni direzione, ma quando il metallo solidifica, la massa complessiva è globalmente isotropa, cioè la massa del metallo presenta le stesse proprietà meccaniche in ogni direzione. 32 Esaminiamo ora il grafico (d): in ascissa è indicata la temperatura e in ordinata il volume specifico; in generale durante il raffreddamento il volume specifico diminuisce progressivamente sia in fase liquida, solida ed infine di trasformazione. Il metallo si contrae dal 2,5% fino al 6,5% durante la solidificazione e di circa l'1% ogni 1000°C di raffreddamento. Nella fase solida ci sono delle trasformazioni allotropiche tali che il volume specifico del materiale aumenti. Esiste un materiale che a basse temperature aumenti di volume? Esiste ed è l'acqua; per

Questo gli iceberg galleggiano. Facciamo un'anticipazione sulla fonderia: quando si versa il metallo fuso in uno stampo, quest'ultimo si riempie, mentre quando il metallo solidifica si contrae e lo stampo è riempito parzialmente, comportando la realizzazione di un oggetto non completo. Pertanto è necessario prevedere dei serbatoi di metallo fuso che vada a compensare la contrazione del metallo all'interno dello stampo. Se l'oggetto viene realizzato con una lega che subisca una trasformazione allotropica tale da farne aumentare il volume, allora l'impiego dei serbatoi è quasi del tutto superfluo. Questo è quello che si fa con le ghise grigie.

I metalli danno luogo generalmente a tre tipi di reticolo cristallino (vedi figura 6-2):

• sistema cubico a facce centrate,
• sistema cubico a corpo centrato,
• sistema esagonale compatto.

Si noti che l'ultimo sistema è suddiviso in due categorie:

1. figura (c). Alto valore di c/a,

in cui c è l'altezza del prisma e a è il lato dell'esagono, figura (d). Basso valore di c/a.

Per ogni tipo di cristallo è possibile individuare diversi sistemi di scorrimento.

Cos'è un sistema di scorrimento? È dato da un piano ad alta densità atomica, cioè quel piano in cui si ha il massimo riempimento. All'interno del piano sono individuabili tre direzioni caratterizzate da continuità di atomi, quindi lungo le direzioni non ci sono vuoti.

Perché i sistemi di scorrimento sono importanti? Perché sono quelli lungo i quali avvengono le deformazioni dei metalli.

Il sistema cubico a facce centrare presenta molti sistemi di scorrimento, in quanto sono individuabili quattro piani tetraedrici, ognuno dei quali presenta tre direzioni di scorrimento: quindi 4x3=12 sistemi totali di scorrimento. Generalmente questi metalli sono più duttili in quanto, appunto, hanno più sistemi di scorrimento.

quindi al diminuire del numero dei sistemi di scorrimento avremo metal-li meno duttili.
Se volessimo lavorare una lega per deformazione plastica, quali leghe prenderemo in riferi-mento?
Prenderemo quelle aventi più sistemi di scorrimento proprio perché sono più duttili.
Perché vengono identificate due categorie di sistema esagonale compatto?
Perché dipendono dal fatto che i due sistemi di scorrimento sono diversi: osservando la figura precedente si può vedere che nel caso (c) possiamo vedere che i piani di scorrimento sono quelli basali (cioè a forma esagonale) e i sistemi in tutto sono tre; mentre nel caso (d) i piani sono quelli piramidali e le facce del prisma.
Prima abbiamo menzionato le trasformazioni allotropiche: che cosa sono?
Vuol dire che un materiale passa da un certo reticolo cristallino ad un altro, quindi il ferro ha una struttura cubica a facce centrate, il ferro e il hanno una struttura cubica a corpocentrato.

Soluzioni solide

Cos'è una soluzione solida?
È una sostanza costituita da un materiale in percentuale maggiore e da uno o più materiali definitialligati. Ci sono anche altri materiali indesiderati che vengono definiti contaminati e che sono ingrado di compromettere le proprietà meccaniche desiderate per il nostro materiale.

Le soluzioni solide si suddividono in due tipi, ma esistono casi rari in cui il materiale base el'alligante presentano lo stesso raggio atomico, cristallizzano con lo stesso tipo di reticolo cristallinoe a livello di compatibilità elettronica devono soddisfare determinate esigenze. Se queste richieste sono soddisfatte si può passare dal 100% dell'elemento A al 100% dell'elemento B. I tipi di soluzioni solide sono:
- soluzioni solide sostituzionali;
- soluzioni solide interstiziali.

Le soluzioni sostituzionali soddisfano le richieste indicate prima. Un esempio sono rame e nichel: il raggioatomico del rame è di 0,128 nm e il nichel di 0,125 nm. Lo schema generale delle soluzioni solide è il seguente: Nella figura (a) l'elemento presente in maggior quantità è A, quello in percentuale minore è B. Le soluzioni solide interstiziali sono soluzioni in cui i raggi atomici sono molto diversi fra loro, quindi gli atomi di B si possono insediare fra gli atomi di A come in figura (b); per questo tipo di soluzione solida gli atomi di B devono essere inferiori almeno del 60% rispetto gli atomi di A. Un esempio è l'atomo di idrogeno che si incastra quasi dappertutto. Ma ci sono dei casi in cui gli atomi del soluto incastrandosi causano delle deformazioni localizzate all'interno del reticolo cristallino, cioè provocano delle tensioni. Nel caso del ferro, questo avviene nelle soluzioni interstiziali con carbonio o azoto. Nelle figura (d) gli atomi delle soluzioni interstiziali possono diffondersi facilmente e la

La velocità di diffusione dipende essenzialmente dal gradiente della curva di trazione e dalla temperatura. Questo è importante perché in alcune lavorazioni, come quelle ad alta temperatura, se la velocità di lavorazione è alta gli atomi non possono diffondersi, se invece la lavorazione è condotta più lentamente, gli atomi interstiziali possono diffondersi.

Vediamo la solidificazione delle soluzioni solide: il loro studio viene effettuato mediante i diagrammi di stato. Incontreremo spesso gli eutettici (vedi figura) che sono particolarmente apprezzati in quanto la composizione eutettica presenta la più bassa temperatura di solidificazione: se vogliamo riempire uno stampo basta portare la lega ad una temperatura più bassa, risparmiando così energia di riscaldamento. In questa figura si possono notare le due categorie di composizioni possibili, oltre quella eutettica: ipoeutettica e ipereutettica.

Esistono anche i sistemi

peritettici e si ve-rificano quando due leghe presentano temperature di fusione molto diverse. Non ci interessano più di tanto, quindi non le guardiamo molto.

Solidificazione in assenza di equilibrio-ATTENZIONE: questa è una parte molto importante-I diagrammi di stato solo chiamati anche diagrammi di equilibrio perché si parte con l’idea che tutti i fenomeni studiati avvengano in modo talmente lento che in ogni punto dove si passa sia un punto d’equilibrio. Ma nella realtà non è così. Tanto per intenderci, se prendiamo in riferimento la figura della pagina precedente e consideriamo un punto la cui composizione è quasi al 100% di rame, quando comincia la solidificazione con una certa composizione ci si aspetta che finisca con la stessa composizione ancora. Ma nella realtà succede che, facendo solidificare una composizione quasi del tutto al 100% di rame, la solidificazione termina sempre alla composizione eutettica a causa

dellamancanza di equilibrio. Cioè il raffreddamento è talmente rapido che gli ultimi cristalli che si formano presentano sempre composizione eutettica. Questo aspetto comporta delle variazioni delle proprietà meccaniche dei materiali, come si può vedere nella figura 6-9.





omposizione di alluminio (C