Appunti Metallurgia e materiali non metallici

Pasquale Carbone Metallurgia e materiali non metallici Politecnico di Milano

Metallurgia e materiali non metallici

Introduzione

La metallurgia è la disciplina tecnica che riguarda essenzialmente lo studio dei metalli, del loro

comportamento e dei procedimenti tecnici relativi al loro ottenimento e lavorazione

La metallurgia è fondamentale per scegliere i materiali per una data applicazione sulla base della

struttura, le proprietà, il processo di produzione, le performance e i costi.

I materiali sono caratterizzati da proprietà fisiche (elasticità, conduzione, magnetismo,

comportamento ottico) e proprietà meccaniche (resistenza alle forze di trazione, compressione,

impulsive, cicliche o di fatica o ad elevate temperature). Quando si sceglie un materiale, bisogna

considerare che la performance di un materiale è influenzata da diversi fattori (struttura,

proprietà, composizione e processo).

Il materiale più importante: l’acciaio

L’acciaio è una lega metallica composta prevalentemente da ferro e carbonio. Esso è il metallo più

prodotto e usato al mondo (quasi 1 miliardo di tonnellate di acciaio vengono prodotte. La

produzione dell’acciaio, così come quella di molti altri metalli, passa dallo stato liquido. Il processo

viene poi completato con la solidificazione.

Esistono due metodi per produrre l’acciaio, che differiscono tra loro per la materia prima

utilizzata:

• Produzione primaria, attraverso la creazione di acciaio a partire da minerali ferrici (ad

esempio la bauxite) e da carbone (in genere carbon Coke).

• Produzione secondaria, attraverso il riciclo di acciaio, fatto fondere e fatto solidificare

nuovamente.

Produzione primaria

Il metodo di produzione primaria è basato sull’utilizzo di minerali ferrici, in cui il ferro si trova sotto

forma di ossido o solfuro, e di carbone. Il carbone ha la funzione di agente riducente, per separare

il ferro dall’ossigeno o dallo zolfo. L’azione riducente del carbone avviene all’interno

dell’altoforno, impianto siderurgico che produce ghisa. Per permettere il corretto funzionamento

dell’altoforno è necessaria la presenza di ossigeno, di carbone (usato come combustibile di fatto) e

di fondenti, ossia dei calcari che permettono di ottenere una ghisa di qualità migliore. In seguito

alla sua formazione, la ghisa viene fatta colare nel crogiolo. Essa si trova allo stato liquido e

presenta delle impurità: bisogna infatti considerare che i materiali di partenza sono stati estratti

da miniere, quindi non sono puri. Possono infatti presentare tracce di altri elementi, come silicio o

zolfo ad esempio. Forando il crogiolo, si inserisce il carro siluro, necessario al trasporto della ghisa

verso il convertitore, in cui avviene la purificazione della ghisa. Si ottiene così l’acciaio, ancora

fuso, che viene purificato ulteriormente nel forno siviera.

Produzione secondaria

Il riciclo di acciaio avviene all’interno dei forni elettrici (E.A.F.). Nelle industrie che presentano il

forno elettrico, non è presente l’altoforno: l’acciaio viene infatti prodotto all’interno del forno

elettrico, a partire da acciaio vecchio, come ad esempio quello delle automobili rottamate. Il forno

1

Pasquale Carbone Metallurgia e materiali non metallici Politecnico di Milano

elettrico fonde l’acciaio rottamato, rendendolo liquido, allo scopo di far ripartire il ciclo di vita

dell’acciaio, attraverso il processo di produzione descritto in precedenza. L’unica differenza è la

sostituzione dell’altoforno con il forno elettrico. Avere un forno elettrico o un altoforno, comporta

una grande differenza dal punto di vista della produzione: in primis, il forno elettrico non è sempre

funzionante, può essere interrotta la corrente che ne permette il funzionamento; l’altoforno

invece, brucia carbone e ferro ininterrottamente per anni. Questa differenza comporta una diversa

quantità di acciaio prodotto: il forno elettrico produce 80 tonnellate/h di acciaio, l’altoforno 300.

La solidificazione dell’acciaio

L’acciaio, per essere utilizzato, deve essere solidificato. Ciò avviene durante il processo di

produzione. L’acciaio può essere solidificato in due modi:

• Colata in fossa: processo non continuo in cui l’acciaio fuso viene fatto fluire all’interno di

uno stampo, creando lingotti di diverse forme.

• Colata continua: processo continuo in cui l’acciaio viene fatto fluire all’interno di una

lingottiera più piccola rispetto a quella della colata in fossa, inoltre senza fondo. La

lingottiera è installata sulla macchina di colata, così da permettere un processo continuo e

costante. La macchina di colata deve gestire pesi enormi a temperature altissime (1700°C).

Ciò che accomuna i due metodi di solidificazione dell’acciaio è il metodo di raffreddamento. La

parte interna dell’acciaio fuso nella lingottiera tende a solidificarsi più lentamente: infatti, si

solidificano prima le pareti esterne. Il blocco di acciaio viene quindi portato all’interno della

macchina di raffreddamento, dove viene raffreddato con spruzzi d’acqua.

La messa in esercizio dell’acciaio

Terminata la solidificazione, non si può mettere subito in esercizio il pezzo di acciaio prodotto:

bisogna effettuare, sul lingotto ottenuto, delle operazioni di deformazione plastica a caldo, così

da amalgamare le impurità a livello microscopico. Delle operazioni di deformazione plastica a

caldo molto importanti sono la forgiatura e la laminazione.

N.B. La produzione da primario dell’alluminio è molto simile, cambia solo qualche reazione chimica

all’inizio del processo; la produzione da secondario dell’alluminio è invece uguale a quella

dell’acciaio.

Legami chimici

In metallurgia, i legami chimici ci interessano per comprendere come si organizzano gli atomi dei

materiali che devono essere utilizzati per motivi ingegneristici. Come facciamo a sceglierli?

Dipende dall’uso. Quindi in base a ciò che devo realizzare, utilizzerò un certo materiale. Come si

sceglie un materiale? Prima di parlare di legami chimici tra atomi e molecole, è necessario

introdurre il concetto di sforzo e il concetto di deformazione.

Sforzo e deformazione

In ingegneria, la scelta di un materiale è dettata dalle proprietà meccaniche che tale materiale

deve avere: un certo materiale, per determinati scopi, deve resistere a sforzi e deformazioni.

Supponiamo di avere un’oca su un pavimento. Il pavimento deve avere una certa resistenza

meccanica tale per cui l’oca rimanga nella posizione in cui si trova senza presentare alcun

cedimento strutturale. 2

Pasquale Carbone Metallurgia e materiali non metallici Politecnico di Milano

Lo sforzo è la forza che viene applicata sulla sezione di un pezzo da un carico esterno. Corrisponde

quindi ad una forza applicata ad una certa area. Infatti:

P = peso oggetto A = area su cui la forza insiste σ = sforzo applicato (MPa)

=

ESEMPIO : supponiamo di avere un certo materiale con un carico di resistenza σ di 100 MPa.

1 R

Misuriamo lo sforzo che comporta la presenza di un certo oggetto su questo materiale. Lo sforzo

misurato σ è di 10 MPa. Il materiale, in queste condizioni di sforzo resiste?

1

PROCEDIMENTO : dato che σ <σ , il materiale in queste condizioni di sforzo resiste. Se, al

1 1 R

contrario, si verificasse che σ >σ , il materiale non resisterebbe allo sforzo applicato e cederebbe.

1 R

Deduco dunque che lo sforzo applicato (σ ) su un materiale deve essere sempre inferiore al

1

carico di resistenza del materiale (σ ).

R

ESEMPIO : supponiamo di avere un certo materiale con un carico di resistenza σ inferiore allo

2 R

sforzo applicato da un oggetto sul materiale stesso. Cosa posso fare per rendere σ <σ ?

2 R

PROCEDIMENTO : Posso o aumentare l’area su cui la forza insiste o posso cambiare materiale,

2

prendendone uno con carico di resistenza maggiore.

Lo sforzo non è unico: esistono diversi tipi di

sforzi in base alla direzione della forza che

insiste sulla sezione del pezzo. Possiamo

distinguere:

• Sforzo di trazione, in cui agiscono due

forze con direzioni opposte > il materiale

si “allunga”.

• Sforzo di compressione, in cui agiscono

due forze con stessa direzione > il materiale si

“schiaccia”.

• Sforzo di taglio.

• Sforzo di flessione.

In risposta allo sforzo generato sulla superficie del

pezzo, è presente una forza di richiamo uguale

contraria generata dalla compressione degli atomi. Ad

esempio, se io cammino su un ponte, la mia forza peso schiaccia gli atomi della superficie del

ponte sottostante; la compressione degli atomi genera una forza uguale contraria alla mia forza

peso.

La deformazione è il cambiamento di forma di un oggetto metallico in risposta ad uno sforzo.

− ∆

0

= =

0 0

Energia di legame e tipi di legami

Le proprietà dei materiali dipendono dalla natura degli atomi che li compongono, dallo stato di

aggregazione (solido, liquido, gassoso) e dal tipo di legami che coinvolge atomi e molecole. In

metallurgia ci interessano in modo particolare i solidi: essi sono delle strutture di atomi

impacchettati tra loro; non possono muoversi liberamente e possono solo oscillare in seguito a

eccitazione dovuta ad esempio ad un aumento di temperatura. Un solido si forma, in particolare

3

Pasquale Carbone Metallurgia e materiali non metallici Politecnico di Milano

per i metalli, quando due atomi differenti, avvicinandosi, iniziano a sentire una forza di attrazione

(F ); oltre una distanza limite, si verificherà invece una forza di repulsione (F ). La forza netta che

A R

permette l’instaurarsi di un legame è la forza netta (F ). Ad una certa distanza, i due atomi saranno

N

in equilibrio. Tale distanza è chiamata distanza di legame, cioè la distanza in cui si forma il legame

tra gli atomi. Tale distanza si avrà quando F =0. Allo stesso modo, esiste una correlazione tra la

N

distanza di legame e l’energia di legame. Più la distanza tra due atomi è minore, più l’energia di

legame sarà maggiore. Graficamente, le forze e le energie di legame che si instaurano in una

coppia di atomi si presentano nel seguente modo:

I composti con alta energia di legame hanno elevati punti di fusione, perché serve molta energia,

quindi una temperatura elevata per separare gli atomi.

Un altro parametro correlato all’energia di legame è il coefficiente di espansione termica, misura

che permette di evidenziare quanto un corpo è in grado di dilatarsi termicamente, cioè quanto il

reticolo di atomi è in grado di espandersi perché eccitato. Maggiore è l’energia di legame, minore

sarà il coefficiente di espansione termica.

Infine, anche il modulo elastico è correlato all’energia di legame. Esso è il rapporto tra lo sforzo

applicato e la deformazione che ne deriva. Maggiore è l’energia di legame, maggiore sarà il

modulo elastico. Il modulo elastico dell’alluminio è 70 GPa, quello dell’acciaio 210 GPa.

Legami atomici nei solidi

I legami chimici, per quanto riguarda la materia allo stato solido, si distinguono in:

• Primari (chimici): ionico, covalente, metallico. Permettono di raggiungere la stabilità

elettronica.

• Secondari (fisici): legami deboli che influenzano però le caratteristiche fisiche del solido

(Forze di Van Der Waals, interazioni dipolo-dipolo).

Legame ionico

Legame di tipo coulombiano, quindi basato su interazioni di natura elettromagnetica. L’elemento

meno elettronegativo (solitamente un metallo) cede l’elettrone di valenza all’elemento più

elettronegativo (solitamente un non metallo). Così facendo, il metallo assumerà una carica

elettrica positiva, diventando un catione, mentre il non metallo assumerà una carica elettrica

negativa, diventando un anione. Dato che gli elettroni sono impegnati nel legame, i solidi ionici

4

Pasquale Carbone Metallurgia e materiali non metallici Politecnico di Milano

sono isolanti; sono inoltre fragili, cioè la deformazione porta alla rottura del solido, a causa dello

sbilanciamento delle cariche elettriche all’interno del solido.

I solidi ionici hanno alte energie di legame. Ciò implica:

• Punti di fusione elevati (infatti vengono usati per rivestire internamente il crogiolo

dell’altoforno).

• Coefficiente di espansione termica basso.

• Modulo elastico alto.

ESEMPIO di SOLIDO IONICO: materiali ceramici.

Legame covalente

Il legame covalente si forma tra elementi con elettronegatività simile. La configurazione più stabile

dell’ottetto viene raggiunta tramite la messa in condivisione di uno o più elettroni di valenza da

parte degli atomi coinvolti nel legame. Anche in questo legame, gli elettroni sono coinvolti nel

legame e dunque i solidi covalenti sono isolanti. Il legame è direzionale: ciò implica differenti

proprietà di questi solidi a seconda della direzione nello spazio degli atomi e del legame. I solidi

covalenti hanno energie di legame media: ciò implica che punti di fusione, coefficiente di

espansione termica e modulo elastico hanno tutti valori di media grandezza.

Legame metallico

Il legame metallico si forma quando ogni atomo metallico fornisce i suoi elettroni di valenza per

dare origine a una nuvola di elettroni che circonda uno scheletro di ioni caricati positivamente. In

questo modo tutti gli elettroni di valenza sono condivisi da tutti gli atomi. Gli ioni positivi tendono

a respingersi tra loro, ma gli elettroni fungono da collante. I solidi metallici hanno tutti una

struttura tridimensionale ordinata, compatta e ad elevata simmetria. Il legame è adirezionale. Gli

elettroni non appartengono ad uno specifico ione e si muovono liberamente all’interno del

metallo. Di conseguenza, i solidi metallici sono conduttori, a patto che la banda di valenza e la

banda di conduzione siano sovrapposte e con la banda di valenza non completamente satura.

Il legame metallico presenta un’elevata energia di legame, paragonabile a quella dei soldi ionici.

Reticoli

Una struttura cristallina è un insieme di

atomi organizzati in modo regolare che si

ripetono nello spazio. Considerando gli

atomi come punti, essi costituiscono

un reticolo cristallino. Un reticolo

cristallino è un edificio ordinato in cui gli

atomi si dispongono lungo le tre

dimensioni dello spazio (a, b e c). Tale

reticolo è tipico delle strutture

cristalline (come i metalli allo stato

solido), che differiscono dalle strutture

amorfe, ovvero dei solidi che

presentano un ordine cristallino a corto raggio, con disposizione disordinata di atomi. I metalli

hanno tutti delle strutture reticolari ordinate. 5

Pasquale Carbone Metallurgia e materiali non metallici Politecnico di Milano

Un reticolo cristallino è formato da più celle

elementari, cioè l’unità cristallina che si

ripete nel solido. Le celle elementari sono

definite dai parametri di cella, cioè i tre angoli

α, β e γ, che indicano la posizione e l’angolo

rispetto alle dimensioni dello spazio in cui si

disporranno gli atomi.

Le celle elementari che si possono trovare in

natura sono 14 e sono chiamate Reticoli di

Bravais.

Le strutture cubiche, maggiormente diffuse in

natura, possono essere di tre tipi. In ordine

secondo la figura a destra:

• Reticolo elementare cubico semplice,

in cui ogni atomo si dispone ai vertici

del cubo > Deduco che gli atomi sono

distanti a, cioè la misura dello spigolo

del cubo.

• Reticolo cubico a corpo centrato.

• Reticolo cubico a facce centrate.

Le celle cubiche, esclusa la cella cubica semplice, sono di interesse ingegneristico, insieme al

Reticolo esagonale compatto.

Reticolo cubico a corpo centrato (B.C.C.)

Reticolo in cui gli atomi si dispongono uno per ogni vertice del cubo + un atomo al centro del cubo.

In totale sono dunque 9 atomi. Per il B.C.C. così come per gli altri reticoli, ci sono due

rappresentazioni differenti, le quali mostrano diverse caratteristiche del reticolo.

• 2

Atomi rappresentati come ioni (1): vedo 1

come l’atomo centrale sia perfettamente al

centro del cubo. Inoltre, riesco a vedere

che, mettendo una cella sopra l’altra, gli

atomi della faccia superiore di una cella,

sono gli atomi della faccia inferiore della

cella sovrastante.

• Rappresentazione a sfere rigide (2): riesco a notare che le sfere (cioè gli atomi) si toccano

lungo la diagonale del cubo e che gli atomi sono incomprimibili.

Il B.C.C. caratterizza il cromo, il tungsteno, il vanadio, il molibdeno, il titanio (836°C < T < 1667°C) e

il ferro (T < 912°C e 1396°C < T < 1538°C). Possiamo notare come il ferro e il titanio abbiano questa

struttura soltanto in un certo intervallo di temperature: e nelle altre? A temperature che non

appartengono agli intervalli prima riportati, il ferro e il titanio avranno delle celle elementari

differenti. Questa proprietà è chiamata allotropia: essa è la proprietà dei metalli di cambiare la

loro conformazione reticolare (e di conseguenza le loro proprietà) a seconda della temperatura in

cui si trovano.

I materiali che presentano un reticolo B.C.C. sono magnetici.

6

Pasquale Carbone Metallurgia e materiali non metallici Politecnico di Milano

Gli atomi sui vertici sono condivisi da altre 8 celle elementari mentre l’atomo al centro appartiene

1

8 ∙ + 1 = 2

solo alla cella stessa. Il numero di atomi per cella è quindi: 8

Il numero di atomi in contatto con un singolo atomo è chiamato numero di coordinazione e nei

B.C.C. è uguale a 8, prendendo come riferimento l’atomo al centro della cella.

Si consideri ora la lunghezza del lato della cella pari ad a e il raggio

dell’atomo pari a R: esiste una relazione tra il lato della cella e il raggio

dell’atomo, ed è la seguente: 4

= √3

Il fattore di compattazione atomica (FCA) è il rapporto tra il volume

occupato dagli atomi della cella e il volume totale della cella.

=

Nei B.C.C. il valore di FCA è 0,68. Ciò significa che gli atomi occupano il 68% dello spazio all’interno

della cella. Il resto è vuoto. Altre grandezze sono:

à ( ) =

ℎ

à ( ) =

Nei B.C.C. si ha la massima densità lineare poiché gli atomi sono in contatto lungo la diagonale

(direzione di massimo impacchettamento). Per quanto riguarda la densità planare, essa è

differente per ogni sistema cristallino.

Reticolo cubico a facce centrate (C.F.C.)

Reticolo in cui gli atomi si dispongono uno per ogni

vertice del cubo + un atomo al centro di ogni faccia del

cubo. In totale abbiamo quindi 14 atomi.

Il C.F.C. caratterizza il rame, l’argento, l’oro, l’alluminio, il

nichel, il piombo, il platino e il ferro (912°C < T < 1396°C).

I materiali caratterizzati dalla C.F.C. sono lucenti, non

magnetici e buoni conduttori. La caratteristica principale che li rende diversi rispetto ai B.C.C. è

l’elevata deformabilità (sono infatti malleabili).

Gli atomi sui vertici sono condivisi da altre 8 celle elementari mentre gli

atomi al centro delle facce appartengono a due celle. Il numero di

1 1

8 ∙ + 6 ∙ = 4

atomi per cella è quindi: 8 2

Il numero di coordinazione per un reticolo C.F.C. è 12, prendendo

come riferimento un atomo di una faccia del cubo. Anche in questa

cella esiste una relazione che lega il lato della cella con il raggio

dell’atomo, ed è la seguente: 4

= √2 7

Pasquale Carbone Metallurgia e materiali non metallici Politecnico di Milano

Il FCA è di 0,74: dunque il 74% dello spazio del reticolo è

occupato dagli atomi. Questa struttura risulta essere più

compatta della B.C.C. Questo determina proprio la maggiore

deformabilità dei metalli con reticolo C.F.C. rispetto a quella

dei metalli con reticolo B.C.C.

La densità lineare è massima lungo la diagonale delle facce del cubo, dove avviene il contatto tra

gli atomi. Dunque, questa direzione risulta essere quella di massimo impacchettamento.

Reticolo esagonale compatto (H.C.P.)

Reticolo estremamente compatto in cui gli atomi

si dispongono secondo un prisma a base

esagonale. Sono presenti 7 atomi per piano basale

(un atomo per ogni vertice + un atomo centrale) +

3 atomi in un piano tra le due facce. In totale sono

quindi 17 atomi.

L’H.C.P. caratterizza il magnesio, lo zinco, il titanio

(T < 882°C), il cobalto e il cadmio.

Gli atomi sui vertici sono condivisi con quelli di altre 6 celle elementari e gli atomi al centro delle

facce appartengono a due celle. I 3 atomi posti nel piano tra le due facce appartengono

1 1

12 ∙ + 2 ∙ + 3 = 6

interamente ad una singola cella. Quindi il numero di atomi per cella è 6 2

Il numero di coordinazione per un reticolo H.C.P. è 12 e il suo FCA è 0,74, proprio come quello del

reticolo C.F.C. Questa somiglianza tra i due reticoli è data dal fatto che i due reticoli sono ottenuti

dall’impilamento di piani cristallografici equivalenti, i quali, risultano essere piani di massima

densità atomica. La differenza di forma tra C.F.C. e H.C.P. sta nella sequenza di impilamento

differente.

Siti interstiziali

Considerati i valori di FCA delle varie celle elementari, si nota che parte dello spazio del reticolo

crist