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Materiali metallici

 

Metalli


Tratto da wikipedia : Il metallo è un materiale che riflette la luce conferendole una particolare tonalità (detta appunto lucentezza metallica), un ottimo conduttore di calore e di elettricità, che può essere attaccato dagli acidi (con sviluppo di idrogeno) e dalle basi, spesso con buone caratteristiche di resistenza meccanica.

L'acqua può attaccare i metalli (soprattutto del primo e secondo gruppo), ai quali strappa gli elettroni di valenza per dare appunto l'idrogeno attraverso una reazione particolarmente esotermica. In base alle proprietà chimiche i metalli danno luogo ad ossidi basici (es: Na2O, CaO). Sono elementi chimici (si tratta di una delle tre categorie in cui gli elementi chimici sono suddivisi, insieme ai semimetalli e ai nonmetalli) oppure leghe. Esistono vari tipi di metalli; questi furono scoperti in epoche distanti nel tempo, perché ben pochi metalli sono reperibili in natura allo stato nativo; inoltre ogni metallo ha una sua temperatura di fusione: più bassa è tale temperatura, più è facile l’estrazione del metallo dalle rocce che lo contengono. In particolare i primi metalli lavorati (il rame e lo stagno) hanno una temperatura di fusione relativamente bassa, ottenibile con gli antichi forni di circa 10.000 anni fa (epoca in cui, presumibilmente, iniziò la lavorazione del rame).


 

 

Materiali metallici

 

MATERIALI METALLICI

 

I metalli e le loro leghe sono caratterizzati dall'essere ottimi conduttori del calore e dell'elettricità, essere opachi alla luce visibile, e spesso duri, rigidi e lavorabili.

La maggior parte dei materiali metallici utilizzati sono in forma di lega (combinazione di due o più metalli).

Le tecnologie di lavorazione dei metalli si distinguono in due grandi gruppi:

• metodi di formatura con metallo fuso (tecniche di fonderia)
• metodi di formatura con metallo solido quali forgiatura, laminazione, stampaggio, estrusione, imbutitura, laminazione, metallurgia delle polveri.

All’interno dell’ISRIM sono presenti competenze per lo studio delle proprietà chimiche, fisiche e meccaniche di questi materiali.

Inoltre, in maniera specifica per le leghe leggere (alluminio, titanio, magnesio) sono presenti in ISRIM apparecchiature (laminatoio, squeeze casting) e conoscenze in grado di valutare caratteristiche e fattibilità di processi tecnologici per la realizzazione di manufatti.

Le leghe metalliche possono essere suddivise, in base alla composizione, in due gruppi principali: le leghe ferrose, in cui il costituente principale è il ferro e le leghe non ferrose, tutte le altre leghe non a base di ferro.

Le leghe non ferrose

Le leghe non ferrose rispetto alle ferrose presentano alcuni vantaggi quali bassa densità, elevata conduttività elettrica e elevata resistenza alla corrosione.

Le leghe non ferrose vengono suddivise, generalmente in funzione del metallo base (costituente principale) o di alcune caratteristiche specifiche, in classi tra cui le più importanti sono: leghe di rame, leghe di alluminio, leghe di magnesio, leghe di titanio, metalli refrattari.

Hanno molteplici campi di applicazione, che sfruttano le caratteristiche di ogni classe di lega:

• l'elevata conducibilità termica ed elettrica, il basso peso specifico, la buona resistenza alla corrosione rendono adatto l'alluminio e le sue leghe ad essere applicato in campo automobilistico e aeronautico, in scambiatori di calore, pistoni, ecc...
• l'ottima resistenza alla corrosione, allo scorrimento viscoso, al calore e alla fatica, insieme al basso peso specifico e alla biocompatibilità fanno si che il titanio e le sue leghe trovino applicazione in componenti per l'industria chimica, petrolchimica, aeronautica ed in campo biomedico
• l'elevato rapporto resistenza/peso, le ottime proprietà di colabilità e l'elevata capacità di smorzamento del magnesio e delle sue leghe lo rendono adatto soprattutto in campo automobilistico
• l'elevata conduttività elettrica e termica, la duttilità, la resistenza in ambienti corrosivi del rame e delle sue leghe lo rendono applicabile in conduttori elettrici, scambiatori di calore, apparecchiature chimiche
• la resistenza alle elevate temperature rende i metalli refrattari particolarmente adatti per realizzare elementi di turbine, componenti spaziali, stampi...

Le leghe ferrose

Le leghe ferrose hanno una notevole diffusione per diversi motivi, quali l'abbondanza in natura di composti contenenti ferro, la possibilità di essere prodotte usando tecniche (estrazione, affinazione, alligazione e fabbricazione) relativamente economiche e il fatto che siano molto versatili, in quanto possono essere 'progettate' in modo da ottenere una grande varietà di proprietà fisiche e meccaniche.

Le leghe ferrose si distinguono, in base al tenore di carbonio, in due grandi gruppi: gli acciai e le ghise.

Gli acciai sono la classe di materiali metallici più diffusi poiché con l'aggiunta di elementi alliganti (alluminio, silicio, manganese, cromo, nickel, molibdeno..) ed opportuni trattamenti, è possibile ottenere materiali diversi fra loro e specifici per determinati campi di applicazione: acciai di uso generale, acciai speciali da costruzione, acciai per utensili, acciai inossidabili, acciai per usi particolari (resistenti al calore, impieghi elettrici, impieghi alle basse temperature...).

 

Glossario caratteristiche materiali

 

Carico di rottura

Carico che viene applicato ad un materiale per registrare il suo punto massimo di resistenza e il punto di rottura. Forza applicata su di un materiale per capire quanto può resistere fino alla rottura. Si espirem come rapporto tra la forza applicata e la sezione del provino.

Conducibilità Termica

Definisce la capacità di un materiale di condurre il calore. Supponiamo di avere un solido di materiale generico, dalle facce piane e parallele, di spessore e superficie unitarie. La conducibilità termica è definita dalla quantità di calore(in Joule) che in 1 secondo attraversa perpendicolarmente il solido quando tra le due facce opposte c’è una differenza di temperatura di 1 °C.

Corrosione

Fenomeno chimico-fisico consistente nell'azione esercitata su materiali metallici da agenti esterni (liquidi o aeriformi) con conseguente deterioramento superficiale e consumo del materiale stesso per formazione di composti (ossidi, solfuri, ecc.).

Durezza

Misura della resistenza di un materiale alla penetrazione superficiale o all'abrasione. A seconda delle modalità di esecuzione della prova, vengono individuati vari tipi di durezza: Brinell, Rockwell, Vickers, Knoop. In mineralogia, la durezza viene definita come resistenza alla scalfitura da parte della superficie liscia di un minerale. In altre parole, una superficie è più tenera di un'altra se viene scalfita più facilmente; pertanto un minerale duro, come il diamante, potrà scalfirne uno più tenero, come la grafite.

Durezza Brinnell

Numero correlato con la dimensione dell'impronta  lasciata da una sfera opportunamente caricata sulla superficie di un materiale secondo il Metodo Brinnell. Il penetratore è costituito da una sfera in acciaio temprato con un diametro che normalmente è di 10 mm, sul quale viene applicato un carico di 29400 N per una durata di 15 sec. Il valore della durezza Brinnell HB è il rapporto tra il carico applicato e la superficie dell’impronta nel pezzo.

Durezza Mohs

La durezza relativa dei minerali viene determinata in base alla scala di Mohs (che prende nome dal suo ideatore, il mineralista tedesco Friedrich Mohs). In essa 10 minerali tra i più comuni – 1, talco; 2, gesso; 3, calcite; 4, fluorite; 5, apatite; 6, ortoclasio (feldspato); 7, quarzo; 8, topazio; 9, corindone; 10, diamante – sono disposti in ordine di durezza crescente. La durezza di un campione di materiale si ottiene determinando quale minerale della scala di Mohs sia in grado di scalfirlo. Ad esempio la galena, che ha durezza 2, 5, può scalfire il gesso e può essere scalfita dalla calcite.

 

Duttilità

Proprietà che posseggono alcuni metalli (per esempio oro, argento, rame, ferro, alluminio, stagno, zinco, ecc.) e altri materiali di poter essere deformati permanentemente sotto sforzi di tensione, in particolare di poter essere ridotti in fili sottilissimi.

Elasticità

L’elasticità è la proprietà dei corpi di deformarsi sotto l’impulso di forze esterne e di riprendere la forma primitiva al cessare di esse. Per tutti i corpi esiste un limite di elasticità variabile da sostanza a sostanza, superando il quale al deformazione prodotta persiste. Per determinare quanto è elastico un determinato materiale si tiene conto del modulo di Young (vedi).

Esistono due tipi di elasticità:

• elasticità di compressione, le deformazioni dipendenti da tale elasticità, difficilmente rilevabili nei solidi, sono evidentissime nei gas
• elasticità di scorrimento, la deformazione ha luogo per scorrimento dei piani cristallini gli uni sugli altri.

Imbutibilità

L'imbutibilità è l'attitudine delle lamiere a deformarsi a freddo per assumere la forma di corpi cavi. Sono imbutibili alcuni acciai dolci, alluminio, rame, ottone.

Malleabilità

La malleabilità è la capacità intrinseca di un materiale o di una lega di essere ridotta in lamine sottili senza rompersi.

Modulo di Young

Indicato con E, rappresenta il rapporto tra la tensione e l’allungamento specifico nel tratto elastico della prova a trazione: E = S/c

Resilienza

Capacità di un materiale a resistere ad urti e strappi, forze di breve durata ma di grande intensità. La resilienza si misura tramite una prova distruttiva, essa consiste nel sottoporre un prisma a base quadrata con un intaglio nella sua metà, ad un urto causato da una mazza a caduta pendolare. L’energia necessaria per la rottura sarà data dalla differenza tra l’energia potenziale della mazza alla quota iniziale e quella misurata dalla quota di rimbalzo.

Resistenza meccanica

Capacità di un materiale di sostenere gli effetti di determinate sollecitazioni esterne senza riportare rotture o deformazioni gravi, per esempio resistenza a trazione, a pressione, a taglio.

Resistività elettrica

Proprietà caratteristica di ciascuna sostanza o materiale conduttore dell'elettricità, assunta alla sua attitudine a lasciarsi percorrere da una corrente, corrispondente alla resistività elettrica specifica (resistenza di un conduttore di lunghezza e sezione unitaria). Questa proprietà varia al variare della temperatura.

Stato allotropico

Particolare disposizione delle molecole o degli atomi in campioni di materia allo stato solido.

Tempra

Operazione mediante la quale i metalli, riscaldati ad una certa temperatura e subito raffreddati acquistano proprietà fisiche e chimiche che prima non avevano. Anche la qualità, lo stato di maggior durezza o elasticità o resistenza varia. Tempra positiva, si indurisce; tempra negativa, si ammorbidisce.

Trafilatura

Lavorazione per deformazione plastica che consiste nel far passare il materiale sotto forma di vergelle, barre o tubi attraverso una filiera per ridurre la sezione mediante azione traente esercitata su di esse.

 

 

 

 

PROPRIETA’ MECCANICHE - INFLUENZA DELLA TEMPERATURA

 

Prenderemo in esame le caratteristiche meccaniche dei materiali metallici, intendendo con questo termine quei dati, ottenuti attraverso prove unificate, che servono a stabilire se un materiale è adatto all’impiego previsto.

I metodi di prova sono concettualmente identici a quelli adottati a temperatura ambiente, con la complicazione di doverli applicare in condizioni criogeniche.

I risultati sono variamente influenzati dalla temperatura in relazione alla struttura cristallina, alla composizione chimica ed al tipo di sollecitazione.

 

 

LA PROVA DI TRAZIONE

 

La prova di trazione consiste nel sottoporre un provino, le cui dimensioni devono rispondere a certe prescrizioni, ad una forza di trazione lungo il suo asse, con una velocità di deformazione controllata, sino alla rottura.

Si rileva il diagramma tensione-deformazione, intendendo con tensione il rapporto tra il carico applicato e la sezione iniziale, e con deformazione il rapporto tra l’allungamento di un tratto di riferimento e la sua lunghezza iniziale.

Il diagramma, che ha indicativamente la forma rappresentata in fig. 1, presenta un primo tratto iniziale rettilineo, nel quale la tensione è proporzionale alla deformazione, essendo il coefficiente di proporzionalità il modulo di Young, E, del materiale.

In questa fase se il provino viene scaricato riprende la sua lunghezza iniziale. Il comportamento è elastico.

Proseguendo nella deformazione il diagramma abbandona l’andamento rettilineo, la deformazione si compone ora di una parte plastica, che non scompare eliminando la tensione, e che corrisponde circa allo scostamento della curva dalle legge di proporzionalità. Si assume come parametro di questa transizione la tensione che produce uno scostamento dalla proporzionalità dello 0,2%: Rp;0,2. La deformazione plastica avviene a volume costante.

Proseguendo la forza cresce sempre meno, sino ad un massimo (se non interviene prima la rottura). Il fenomeno per il quale la forza necessaria a produrre la deformazione plastica cresce con la deformazione stessa è detto incrudimento.

La tensione corrispondente al massimo è la resistenza a trazione del materiale, Rm.

La deformazione, sino a questo punto è stata uniforme nel tratto a sezione costante di riferimento. A partire dal massimo compare in una sezione del provino un restringimento, strizione, dove si concentra l’ulteriore deformazione e la cui sezione continua a diminuire, sino a rottura.

La deformazione corrispondente alla rottura, A, è l’ultimo parametro che si rileva e dipende dalla lunghezza iniziale di riferimento (A senz’altra indicazione corrisponde ad una lunghezza di riferimento pari a 5 diametri).

L’area sotto la curva misura il lavoro fatto, riferito al volume del tratto di riferimento; sino al punto di massimo questo è uniformemente distribuito nel volume.

Nella pratica le sollecitazioni applicate al materiale sono in genere più complesse della semplice trazione.

Il risultato della prova di trazione è utile se si può disporre di un criterio che permette di stabilire che stati diversi di tensione sono equivalenti se hanno eguali certi parametri.

Il criterio più utilizzato, per materiali duttili, detto di von Mises, considera egualmente pericolosi due stati di tensioni che hanno lo stesso lavoro di distorsione, da cui si ricava che la sollecitazione di trazione equivalente è:

 

dove s1, s2, s3 sono le tensioni principali.

 

Il diagramma ricavato nella prova di trazione non rappresenta le tensioni e le deformazioni effettive. Se si riporta la tensione effettiva, calcolata tenendo conto della variazione della sezione, in funzione della deformazione effettiva, calcolata tenendo conto della variazione di lunghezza, si ottiene una curva con andamento sempre crescente e con pendenza via via decrescente sino alla rottura.

 

Nella figura 3, è riportato un esempio di criostato per prove di trazione, utilizzato per carichi sino a 100 KN.

Nelle prove di trazione condotte a temperature comprese tra 4 e 30 K, è possibile osservare una instabilità nella fase di scorrimento plastico, che nel diagramma sforzi deformazioni si presenta come una seghettatura continua, fig. 2.

Il fenomeno è presente negli acciai inossidabili, nelle leghe di rame, in alcune leghe di alluminio, nelle leghe di titanio, nel ferro.

Si pensa che un evento iniziatore, (spostamento di dislocazioni, twinning) sia in grado di produrre abbastanza calore da aumentare localmente la temperatura, grazie al basso calore specifico ed alla bassa conducibilità termica (riscaldamento adiabatico). All’aumento di temperatura corrisponde per la deformazione in atto uno sforzo di scorrimento minore, quindi si verifica una diminuzione della tensione ed un aumento della deformazione con ulteriore produzione di calore. Segue un incremento elastico della tensione, una deformazione plastica e un altro evento iniziatore.

 

 

LA STRUTTURA

 

Tutti i materiali metallici impiegati nella pratica costruttiva solidificano in una delle forme cristalline seguenti, fig. 4:

cubica facce centrate (Al; Cu; Ni; Fe g)

cubica corpo centrato (Fe-a; Nb; Cr; V, W)

esagonale compatta (Ti, Be, Mg)

 

La solidificazione inizia contemporaneamente in diversi punti della massa liquida ed i cristalli, detti grani, crescono indipendentemente, ciascuno con il proprio orientamento sino a venire in contatto. La zona in cui il grano è a contatto con quelli adiacenti, detta bordo del grano, presenta distorsioni e difetti nel reticolo, per la diversa orientazione di questo rispetto a quelli confinanti. Se la lega solidifica dando origine a due fasi si avranno nel solido grani dell’una e dell’altra fase, con una disposizione dipendente dall’ordine di solidificazione.

All’interno il reticolo presenta numerosi difetti di tipo fisico: vacanze, difetti nella successione degli strati, dislocazioni a spigolo, dislocazioni a vite, twinning, (vedere fig. 5), e difetti di tipo chimico: dovuti alla soluzione nel reticolo di atomi diversi, introdotti nel processo di produzione o aggiunti appositamente per conferire determinate caratteristiche al materiale.

Le soluzioni possono essere “di sostituzione”, se l’atomo di soluto occupa nel reticolo il posto di uno del solvente, od “interstiziali”, se l’atomo di soluto occupa uno spazio nel reticolo tra gli atomi di solvente.

Mentre le soluzioni interstiziali hanno limiti di solubilità stretti quelle di sostituzione possono arrivare alla solubilità completa .

In certe leghe la solubilità di alcuni elementi cresce con la temperatura, E’ quindi possibile sciogliere quantità di soluto ad alta temperatura, che nel raffreddamento restano in soluzione in eccesso, in condizioni metastabili. Con un opportuno trattamento termico, costituito da un riscaldamento mantenuto per un tempo abbastanza lungo, si può ottenere la precipitazione del soluto in forma più o meno fine a dispersa, sovente come composto intermetallico. Questo procedimento, noto come “invecchiamento artificiale” od “indurimento per precipitazione”, conferisce al materiale caratteristiche di elevata resistenza meccanica.

 

 

LA DEFORMAZIONE ELASTICA

 

L’elasticità nei metalli è data dalle forze interatomiche che agiscono nel senso di riportare gli atomi spostati nella loro posizione di equilibrio. Queste forze derivano da legami primari forti e quindi i moduli sono elevati.

Va osservato che nei cristalli vi sono direzioni in cui la densità di atomi è maggiore e di conseguenza le forze sono maggiori. Il modulo di Young è maggiore nelle direzioni di maggior impacchettamento. Nei materiali la struttura è costituita da un aggregato di grani diversamente orientati e quindi il modulo è una media dei moduli dei grani ed il materiale può essere considerato isotropo.

L’effetto della diminuzione di temperatura sul modulo è strettamente collegato alla sua influenza sulla contrazione termica, in quanto diminuisce lo spazio interatomico. Quindi il modulo aumenta al diminuire della temperatura, ma in modo molto contenuto e l’aumento tende ad annullarsi avvicinandosi allo zero assoluto.

Nella fig. 6 è riportato l’andamento di E in funzione della temperatura per alcuni materiali. Si nota il comportamento anomalo dell’invar.

 

 

LA DEFORMAZIONE PLASTICA

 

I materiali metallici sono caratterizzati in misura maggiore o minore dalla capacità di deformarsi plasticamente.

Superato il limite elastico il materiale si deforma in modo permanente, a volume costante per scorrimento dei piani di atomi, l’uno rispetto all’altro. Questo scorrimento non avviene in modo casuale, ma, di preferenza secondo i piani di maggior densità atomica e su questi nelle direzioni di maggior densità. La combinazione di una direzione e di un piano di scorrimento si chiama “sistema di scorrimento”.

Se per qualche ragione è impedito lo scorrimento lungo un sistema di massima densità, che richiede il minor sforzo (sistema primario), intervengono altri sistemi secondari.

Dovendo rispettare la congruenza con i vicini un grano non può deformarsi secondo un solo sistema di scorrimento. E’ stato dimostrato che per rispettare questa condizione occorre che siano attivi almeno cinque sistemi di scorrimento.

Le differenze che si riscontrano nel comportamento dei materiali possono essere attribuite fondamentalmente ai differenti sistemi microscopici di deformazione che operano nelle diverse strutture cristalline.

In tutti i casi se si valuta lo sforzo necessario per produrre in un cristallo lo scorrimento di un piano di atomi rispetto ad un altro (scorrimento simultaneo), si ottengono valori molto elevati, ordini di grandezza maggiori di quelli riscontrati sperimentalmente.

La spiegazione di questa differenza risiede nel fatto che lo scorrimento non avviene simultaneamente, cioè tutti gli atomi si spostano contemporaneamente di un passo, ma in modo consecutivo secondo un meccanismo che si sviluppa per mezzo delle dislocazioni presenti nel cristallo. La deformazione risulta prodotta dallo spostamento della dislocazione, una distanza atomica alla volta e quando la dislocazione ha attraversato tutto il cristallo si è prodotto uno scorrimento pari ad una distanza atomica (fig. 7).

Il numero di dislocazioni inizialmente presenti non è così elevato da giustificare le deformazioni complessive che si ottengono, ma debbono intervenire dei meccanismi che funzionano da sorgenti.

Lo spostamento delle dislocazioni è bloccato dai bordi dei grani e nuove sorgenti che richiedono tensioni maggiori devono essere attivate. Questa sequenza provoca un rapido incrudimento già nella fase iniziale della deformazione plastica, tanto più forte quanto più piccoli sono i grani.

Tutte le imperfezioni che interrompono la regolarità del cristallo costituiscono un ostacolo al movimento delle dislocazioni. In particolare le dislocazioni stesse, spostandosi secondo sistemi di scorrimento che si intersecano, interagiscono dando origine a barriere che impediscono il passaggio di altre dislocazioni. La deformazione prosegue con tensioni sempre più alte, sino a raggiungere valori tali che le dislocazioni riescono a superare le barriere trasferendosi su un piano di scorrimento parallelo, fig. 8 (cross-slip). L’incrudimento cresce meno velocemente e tende a stabilizzarsi.

In generale i difetti che provocano distorsioni di poche distanze reticolari sono dipendenti dalla temperatura mentre sono poco influenzati i difetti più estesi.

 

 

 

METALLI CON STRUTTURA CUBICA FACCE CENTRATE

 

 

METALLI PURI

 

Nelle figure 9, e 10 sono riportate le curve sforzo-deformazione di un campione di rame e di un campione di alluminio, in funzione della temperatura.

Il campione di rame, a temperatura ambiente mostra un certo tasso di incrudimento a dimostrazione che la fase di cross-slip richiede tensioni più elevate. Nell’alluminio questa si manifesta all’inizio della deformazione e la curva ha un andamento più piatto.

Al diminuire della temperatura si può osservare che:

• lo snervamento è poco influenzato
• il carico di rottura aumenta sensibilmente
• l’allungamento uniforme aumenta
• il tasso di incrudimento cresce a dimostrazione del fatto che il cross-slip è un processo dipendente dalla temperatura

Dal punto di vista pratico si può dire che le caratteristiche meccaniche migliorano, ma la resistenza è molto bassa.

La lavorazione a freddo migliora sia lo snervamento che la resistenza a rottura ma riduce l’allungamento.

L’effetto è dovuto al grande numero di dislocazioni che si producono e restano bloccate.

 

 

LEGHE OTTENUTE PER SOLUZIONE

 

La presenza di atomi in soluzione ha per effetto di aumentare la tensione di snervamento e di intensificare e prolungare il successivo incrudimento, in conseguenza dell’azione esercitata sulle dislocazioni. L’effetto è proporzionale alla quantità disciolta.

Nei metalli c.f.c. gli atomi di soluto, sia di sostituzione che interstiziali, producono una distorsione simmetrica e l’effetto di pinning è relativamente debole.

La diminuzione di temperatura aumenta sia la tensione di snervamento sia l’incrudimento e la tensione di rottura, mentre influisce meno sull’allungamento.

Nelle fig: 11 e 12 sono riportate le curve sforzo deformazione per un ottone e per una lega Cu-Be.

 

 

LEGHE INDURITE PER PRECIPITAZIONE

 

Le proprietà meccaniche, e l’influenza su queste della temperatura, dipendono dal tipo, dalle dimensioni e dalla distribuzione dei precipitati.

Se il precipitato è fine le dislocazioni sono in grado di attraversarlo al raggiungimento di una certa tensione e lo snervamento si presenta in maniera netta.

In generale nella lega indurita per precipitazione la tensione di snervamento è prossima alla resistenza a trazione e non si nota un rapido incrudimento.

Diminuendo la temperatura nel caso della lega Ci-Be si ha un aumento dell’allungamento (fig. 13). Al contrario per la lega Al-Zn Mg l’allungamento diminuisce in modo drastico.

 

 

 

METALLI CON STRUTTURA CUBICA CORPO CENTRATO

 

 

METALLI PURI

 

Le proprietà meccaniche dei metalli c.c.c., sono molto influenzate dalla presenza di piccolissime concentrazioni di atomi di impurezze, in particolare interstiziali.

Al contrario dei metalli c.f.c., in quelli corpo centrato il tasso di incrudimento è basso e la deformazione assai ridotta. La diminuzione di temperatura aumenta lo snervamento, aumenta il tasso di incrudimento e diminuisce drammaticamente la deformazione. A bassa temperatura la deformazione plastica, molto limitata è aumentata per effetto del twinning, che avviene di colpo con una caduta di tensione. Nella fig. 14 è mostrato il comportamento di un campione di ferro Armco, rifuso sottovuoto.

 

 

LEGHE INDURITE PER SOLUZIONE

 

Nei metalli c.c.c. le usuali piccole impurezze (azoto, carbonio, ossigeno, idrogeno) occupano posizioni interstiziali al centro delle facce o sugli spigoli.

Questo produce una distorsione tetragonale del reticolo con una forte interazione delle dislocazioni a spigolo e a vite con l’impurezza interstiziale che la blocca. L’indurimento per soluzione non è in pratica utilizzato.

 

 

LEGHE INDURITE PER PRECIPITAZIONE

 

La fig. 15 mostra l’influenza della temperatura su una lega di Fe allo 0,2% di C, allo stato normalizzato. Qui la struttura è data da ferrite primaria a perlite fine (mistura lamellare di ferrite e cementite Fe3C).

 

 

 

METALLI CON STRUTTURA ESAGONALE COMPATTA

 

 

METALLI PURI

 

Nessun sistema di scorrimento primario è in grado di fornire i cinque sistemi indipendenti di deformazione necessari ad assicurare la congruenza, che sono invece forniti da un sistema di scorrimento secondario.

Un altro modo di deformazione contribuisce alla duttilità dei metalli e.c., il twinning. Verosimilmente questo, producendo un riorientamento dei grani, disposti in modo non favorevole, attiva altri sistemi di scorrimento.

Nella fig. 16 sono riportate le curve sforzo deformazione a diverse temperature per un titanio commercialmente puro.

Si vede che al diminuire della temperatura si ha un considerevole aumento dello snervamento ed un significativo aumento dell’incrudimento.

Il titanio risulta molto sensibile a piccole concentrazioni di impurezze interstiziali il cui effetto è di diminuire il numero di sistemi di scorrimento disponibili per la deformazione plastica.. Questo fatto aumenta considerevolmente lo snervamento ma contemporaneamente riduce la deformazione e favorisce l’insorgere della rottura per clivaggio.

 

 

LEGHE INDURITE PER SOLUZIONE

 

Le leghe di titanio sono particolarmente attraenti per l’impiego a bassa temperatura perché hanno un elevato rapporto snervamento/densità ed una bassa conducibilità termica.

La lega Ti Al5 Sn2,5, è costituita dalla sola fase a, esagonale compatta e presenta migliori caratteristiche di duttilità. Al diminuire della temperatura presenta un sensibile aumento del carico di snervamento, fig. 17.

L’altra lega impiegata, Ti Al 6V4 è una lega duplex costituita dalle fasi a e b (cubica corpo centrato) ed è meno duttile.

Per limitare l’effetto delle impurezze interstiziali, sono stati prodotti espressamente per gli impieghi criogenici i gradi E.L.I. (extra low interstitial).

 

 

LEGHE INDURITE PER PRECIPITAZIONE

 

Non vi sono leghe di questo tipo.

 

 

ACCIAI INOSSIDABILI

 

L’aggiunta di nickel e di altri elementi come Mn, N, C, Co, Cu in lega con il ferro aumenta il campo di esistenza della fase g (c. f. c.) ritardando la trasformazione a temperature più basse od eliminandola completamente.

E’ quanto si verifica per gli acciaio inossidabili austenitici, leghe di ferro con aggiunta di cromo, nickel, manganese, etc., che secondo l’unificazione U.S.A. sono indicati con i numeri della serie 300.

Nei tipi della serie che presentano il minor contenuto di nickel l’austenite non è completamente stabile, e si trasforma in martensite per raffreddamento, per deformazione  o per l’effetto combinato.

I prodotti di trasformazione nelle leghe meno stabili (304) sono in realtà due, una fase e a struttura esagonale ed una a’ a struttura cubica corpo centrata. La struttura e sembra una fase intermedia che si trasforma in a’.

In quelle meno instabili (316) si forma solo la fase a’ ed in quelle stabili (310, 310S) non si ha trasformazione, fig. 18.

La presenza della fase a’ aumenta la resistenza ed il tasso di incrudimento al diminuire della temperatura. Vi sono altre due effetti non secondari: la trasformazione avviene con aumento di volume e la fase è ferro magnetica.

Nelle figure 19 e 20 è riportato l’andamento delle curve sforzo deformazione per gli acciai 304L e 310.

Un sensibile aumento nel carico di snervamento si ottiene con piccole aggiunte di N (0,2%), a prezzo di una accettabile riduzione della duttilità. L’azoto è un elemento stabilizzante e l’aggiunta di manganese che ne aumenta la solubilità nell’austenite, va nello stesso senso.

Nella fig. 21 sono confrontate le caratteristiche meccaniche di un acciaio 304 con un 304N.

 

 

PROVA DI TRAZIONE SU PROVETTA CON INTAGLIO

 

La rottura di un materiale può prodursi per scorrimento con deformazione plastica e assorbimento di energia, per rottura dei legami ad opera di forze parallele al piano di rottura, oppure per separazione delle superfici perpendicolarmente alla forza applicata (clivaggio). Entrambi i modi si verificano secondo piani cristallini preferenziali.

La possibilità che si verifichi l’uno o l’altro degli eventi dipende dal tipo di struttura, dalla temperatura, dalla velocità di deformazione, dalla purezza, etc..

In molti materiali lo scorrimento avviene per sforzi molto inferiori allo sforzo di taglio teorico perché le dislocazioni possono agire a questi livelli di tensioni. Se questo si può verificare le concentrazioni di sforzi possono essere rilasciate e non si raggiunge mai il livello per attivare la rottura per clivaggio.

Questo è quanto si verifica nei metalli puri del sistema cubico facce centrate.

Nei metalli con struttura cubica corpo centrato ed esagonale compatta è possibile che le dislocazioni siano bloccate e lo scorrimento impedito. In questo caso possono insorgere sforzi di trazione elevati che rendono possibile la rottura per clivaggio.

La prova di trazione su provetta con intaglio serve ad accertare la tendenza di un materiale alla rottura fragile. La provetta, di dimensioni normalizzate, presenta a metà altezza una gola a V con raccordo di fondo molto piccolo. La prova sostanzialmente consiste nel rilevare la forza di rottura alla temperatura richiesta. Per effetto della presenza dell’intaglio la forza di trazione non è uniformemente distribuita nella sezione di gola ma è maggiore sulla circonferenza esterna. Inoltre sono presenti anche tensioni tangenziali e radiali. Lo stato di tensione è triassiale e il rapporto tra lo sforzo di trazione massimo e quello medio (kt,  fattore di intensificazione) è 7. Il materiale a lato dell’intaglio, che non raggiunge lo snervamento, agisce come vincolo ed impedisce lo scorrimento. In queste condizioni,nel caso di una piastra con un intaglio profondo,simmetrico a pareti parallele, lo sforzo medio nella gola per produrre lo snervamento risulta, adottando il criterio di von Mises, 2,8 volte lo snervamento rilevato dal provino liscio.

Il modo in cui questo impedimento porta alla transizione tra rottura duttile e rottura fragile è stato descritto da Orowan nel diagramma, riportato in figura 22 dove in funzione della temperatura è riportato lo sforzo di snervamento Y del materiale senza intaglio, lo sforzo di snervamento 3Y del materiale con intaglio (2,8 è stato arrotondato a 3) lo sforzo occorrente per la frattura fragile, che si considera come un processo indipendente sempre possibile e poco influenzato dalla temperatura.

A temperatura ambiente F > 3Y e la frattura è duttile mentre a bassa temperatura è F <Y è quindi la frattura è fragile. Vi è un intervallo, in cui Y<F<3Y nel quale la frattura del provino senza intaglio è duttile e quella del provino con l’intaglio è fragile.

La prova su provino intagliato è stata scelta per la sua semplicità in quanto consente di utilizzare le stesse attrezzature della prova di trazione classica.

E’ inclusa ad esempio nella norma di accettazione della lega di Titanio TiAl5Sn 2,5, AMS 4924 D, in cui è prescritto che il rapporto tra tensione media di rottura nella sezione di gola e tensione di rottura del provino senza intaglio sia ³1.

Il diagramma ha un significato puramente qualitativo e serve a spiegare come la presenza di stati di tensione triassiali possa modificare il comportamento.

Chiedere che il rapporto non sia inferiore a 1 equivale a chiedere che venga in parte conservata la capacità di adattamento plastico in condizioni di sollecitazioni triassiali.

 

 

LA PROVA DEL PENDOLO DI CHARPY

 

La prova consiste nel colpire con un pendolo un provino di dimensioni definite nel quale è praticato un intaglio, fig. 23. E’ generalizzato l’uso del provino con intaglio a V, profondità 2 mm pareti a 45° raggio di raccordo 0,25. L’energia del pendolo è di 30 Kg x m e si ottiene l’energia assorbita per differenza, misurando l’energia residua dalla risalita del pendolo.

La prova è importante perché è diventata una delle prove richieste dai regolamenti per l’accettazione dei materiali e dei procedimenti di saldatura, per impieghi a bassa temperatura.

Ad esempio per gli acciai inossidabili è richiesta una prova alla temperatura di esercizio nella quale deve risultare KV ³ 28J.

Purtroppo l’attrezzatura non è adatta a prove a bassa temperatura e si sono viste soluzioni diverse più o meno valide. Misure a 4 K sono state condotte con il provino chiuso in un piccolo dewar di vetro od in una scatola di materiale isolante , raffreddata da un flusso di vapore di elio. Dal risultato della prova si detrae il contributo del contenitore, rilevato in una prova a parte.

Nella fig. 24 è riportato l’andamento dell’energia assorbita nella prova su un acciaio al carbonio in funzione della temperatura, confrontata con  l’allungamento a rottura.

Si vede che a temperatura maggiore di T4 il materiale è tenace e duttile, a di sotto di T1 è senza dubbio fragile, tra T2 e T3 è duttile se deformato a bassa velocità con una sollecitazione monoassiale, ed è fragile se soggetto ad una sollecitazione triassiale applicata ad alta velocità.

Sia la prova con il pendolo di Charpy che quella di trazione su provino intagliato sono prove di confronto. I dati ricavati non sono applicabili ad alcun calcolo di verifica.

 

 

TENACITA’ ALLA FRATTURA

 

In un materiale è molto probabile che si trovino difetti di dimensioni piccole, come microcricche, soffiature, scalfitture.

Concentrazioni molto elevate di tensione possono prodursi al vertice di una microcricca e raggiungere il limite di E/10 necessario per rompere i legami atomici, anche se gli sforzi nominali possono essere molti ordini di grandezze inferiori.

La distribuzione di tensioni intorno al vertice di una cricca, in un materiale perfettamente elastico è data dall’espressione

 

vedere fig. 25. Il campo di tensioni è quindi proporzionale ad un fattore K che è funzione dello sforzo applicato, s, della dimensione della cricca a, di una funzione Y(a) dipendente dalla geometria.Vedere l’appendice A per alcune configurazioni.

 

La frattura si verifica quando il campo di tensioni al vertice della cricca raggiunge una intensità critica, cioè quando K raggiunge un valore critico Kc, il quale è caratteristico del materiale, è cioè una proprietà meccanica funzione della temperatura, della microstruttura, della velocità di carico.

L’aspetto importante è che K può essere calcolato per diverse geometrie strutturali usando l’analisi delle sollecitazioni.

L’applicabilità del calcolo è estesa al caso che all’apice della cricca vi sia una zona plasticamente deformata, se la dimensione di questa è piccola rispetto alla lunghezza della cricca ed alla sezione netta rimanente. In questo caso si tiene conto della presenza della zona plastica aumentando la lunghezza di una quantità ry

 

  

amod = a + ry                 dove               

 

dove sy è la tensione di snervamento al vertice della cricca.

La dimensione della zona plastica è influenzata dallo spessore (vedi fig. 26). E’ importante che  per B > 2,5 (KIc/sys)2  la curva di Kc   diventi indipendente dallo spessore, in quanto solo in questo caso risulta essere una caratteristica del materiale.

La misura di KIc si ottiene, sottoponendo un provino di dimensioni normalizzate, ved. fig. 27, prima ad una sollecitazione a fatica che produce una cricca la cui lunghezza deve essere compresa entro certe dimensioni e quindi ad un carico crescente sino a rottura rilevando la curva carico apertura.Il pedice I contraddistingue il modo di rottura, con la forza agente perpendicolare al piano di avanzamento della cricca, che rappresenta il caso più frequente.

Nella figura 28 è riportato il disegno di una macchina per prove di tenacità sino a 4K. Nella figura 29 sono riportati i valori di KIC per alcuni materiali.

 

 

FATICA

 

Il fenomeno della rottura per fatica progredisce in tre stadi: la formazione di una cricca, la sua crescita ed infine la rottura.

Quindi la vita di un componente è data dal numero di cicli occorrente per produrre e propagare la cricca sino a raggiungere le dimensioni critiche.

La legge di accrescimento della cricca è data da una relazione del tipo

 

Dove c ed n sono costanti empiriche e DK è la differenza Kmax – Kmin tra il massimo ed il minimo valore del fattore di intensità dello sforzo.

Questo significa che l’avanzamento è dovuto al campo di tensioni ciclico al vertice della cricca individuato da DK. Cioè profilo, frequenza, valor medio del carico sarebbero fattori secondari.

La legge da/dN - DK in un diagramma doppio logaritmico è rappresentata da una retta. Vi sono in realtà due limiti uno per bassi DK, rappresenta la resistenza indefinita, senza accrescimento, l’altro per valori di Kmax che si avvicinano al K critico, quando si ha una crescita accelerata. Vedere la. fig. 30.

Nella figura 31 sono riportati dati sull’accrescimento per alcuni materiali di interesse.

 

 

 

• Struttura dei Metalli

   

   

  Le caratteristiche dei metalli sono dovute:

   

  • Legame metallico (da cui deriva la resistenza)
  • Struttura cristallina o reticolo cristallino (da cui deriva la plasticità)

   

  Legame metallico

   

  A differenza degli altri due tipi di legami atomici (covalente e ionico), il legame metallico, allo stato solido, presenta una disposizione ordinata e compatta dei vari atomi, secondo uno schema ripetitivo chiamato struttura cristallina. Schematicamente il legame metallico si stabilisce fra atomi identici che, essendo elettropositivi , si caricano positivamente e rinunciano agli elettroni delle orbita più esterne: gli ioni positivi (nuclei) assumono posizioni ordinate e gli elettroni li ricoprono in una nube in cui possono muoversi liberamente. Minore è il numero di elettroni nell’orbitale esterno di un atomo, maggiore è il suo carattere metallico; all’aumentare del numero di elettroni aumenta anche l’energia di legame ed il punto di fusione .

   

  Struttura cristallina

   

  Gli ioni positivi si trovano in posizioni ordinate, dette reticolo cristallino, in cui la cella elementare è la più piccola porzione di reticolo che si ripete costantemente in tutto il reticolo.

  Esistono tre tipi di celle elementari:

   

  • CCC: cubica a corpo centrato, è costituita da nove atomi ed è deformabile a caldo; è la cella del .
  • CFC: cubica a facce centrate, è costituita da 14 atomi e si presta meglio ad essere deformata a freddo; è la cella del .
  • EC: esagonale compatta, 16 atomi, è poco deformabile quindi richiede più energia per fabbricare oggetti in materiale con questa struttura.

   

  Quello che più ci riguarda è ovviamente il ferro e la variazione del suo reticolo in funzione della temperatura, fenomeno chiamato allotropia .

   

  

   

  Puntualizziamo che la miglior configurazione per avere metalli duttili e malleabili è la CFC, dato l’elevato grado di simmetria che presenta, quindi si presta meglio alle lavorazioni.

   

   

  Difetti cristallini

   

  Tutto ciò che crea un disallineamento nella struttura cristallina ordinata. Si suddividono in:

   

  • Puntuali: Vacanze o Lacune (mancanza di un atomo), Sostituzione (un atomo più grande o più piccolo al posto di quello del metallo), Interstiziale (atomo all’interno del reticolo, tra gli atomi del reticolo stesso). La presenza di questi difetti ostacola la conducibilità termica ed elettrica  ma favorisce la possibilità di formare leghe (infatti gli atomi vacanti possono essere sostituiti da atomi di altra specie).
  • Lineari: Dislocazioni a Spigolo (inserzione di  un piano supplementare di atomi), Dislocazione a Vite o Elicoidale (superficie elicoidale), Mista: Questi difetti provocano il rafforzamento del materiale a discapito della plasticità.
  • Superficiali: Bordi dei Grani, trattati più avanti nella solidificazione dei metalli.

   

  Lacune

   

  Sono difetti di equilibrio e crescono esponenzialmente con la temperatura. La concentrazione di tali lacune si ricava con la formula:

   

                                 concentrazione lacune

                                                  energia di attivazione                       

                                                    costante universale dei gas

                                                    temperatura assoluta in gradi Kelvin

   

  Questi difetti rendono possibili i processi diffusivi, quali conducibilità termica e diffusione atomica (spostamento degli atomi per riempire le lacune). Le saldature, le leghe, etc. derivano da processi diffusivi.

   

  Dislocazioni

   

  Non sono processi di equilibrio.

  La densità delle dislocazioni varia da:

   

         materiale ricotto

         materiale incrudito

   

  Le dislocazioni si muovono solamente con gli sforzi di taglio, non con compressione o trazione. Con lo scorrimento a seguito di sforzi di taglio le dislocazioni spariscono dando luogo ad una deformazione del materiale: questa è elevata data l’elevata densità delle dislocazioni . Le deformazioni così prodotte sono permanenti (non plastiche).

  La dislocazione determina quindi la resistenza del metallo: se si muove il metallo è plastico (deformabile), finché non si muove il metallo è resistente.

  Nella progettazione è sempre meglio assicurarsi un minimo di plasticità in quanto può tornare utile dato che il “pezzo” prodotto (qualunque esso sia, ma ancor più gli elementi strutturali) deformandosi avvisa della possibile rottura; se invece arrivasse a rottura senza deformarsi la cosa potrebbe diventare catastrofica.

  Solidificazione dei metalli

   

  Il processo di solidificazione si attua in due fasi, non distinte, e la predominanza di una o dell’altra fase determinano il tipo di grana che possiederà il metallo finale:

   

  • Nucleazione: alla T di solidificazione le celle elementari si aggregano formando vari nuclei di cristalli all’interno del liquido.
  • Accrescimento: i cristalli formatisi aumentano di dimensione aggregando altre celle.

   

  Tutti i metalli solidificano nello stato policristallino e l’orientamento di tali cristalli risulta essere senza nessuna direzione preferenziale.

  Gli ultimi atomi del liquido, trovandosi tra cristalli ad orientazione diversa, solidificano disallineati rispetto ai cristalli che li circondano, formando zone chiamate giunti dei grani o bordo dei grani. Queste zone sono più reattive essendo in uno stato pensionale (quindi a maggiore energia) e vengono evidenziate (dopo lucidatura a specchio della superficie del metallo) tramite trattamento con appositi acidi (a seconda del metallo trattato): divengono così visibili, tramite microscopio,  ed in base alla dimensione dei grani si possono determinare alcune caratteristiche che avrà il nostro metallo.

  I bordi dei grani sono le zone a maggiore resistenza meccanica.

   

  Dimensione dei grani

   

  Definita dall’ASTM (American Standard for Testing Material):

   

      N         è il numero di grani per pollice quadrato

                     n          è la dimensione del grano

   

  Come già detto le dimensioni dei grani hanno un effetto significativo sulle proprietà dei metalli, specialmente sulla resistenza meccanica: a basse temperature (minori della metà della T assoluta di fusione) i bordi dei grani rinforzano i metalli, limitando la possibilità di scorrimento delle dislocazioni, quindi una grana fine è auspicabile; a T elevate può avvenire lo scorrimento dei bordi dei grani che diventano pertanto regioni di debolezza nei metalli policristallini.

  Le misurazioni dell’ASTM sono valutate a 100 ingrandimenti ed è stata redatta una tabella con immagini-tipo della grossezza della grana cristallina, 8 tipi differenti dalla più grossa I alla più fine VIII: per applicazioni a basse temperature le I-IV non vengono prese in considerazione.

  Una grana più fine può essere lucidata meglio e questo è utile per ricoprire con altri metalli. Inoltre, come già detto, la resilienza è maggiore con grana fine; la fragilità a freddo è dovuta alla grana grossa.

   

  Leghe Metalliche

   

  Sono metalli di specie diverse che coesistono all’interno dello stesso reticolo; questa possibilità è regolata dalle forze interatomiche tra gli atomi della stessa specie e di specie diverse.

   

  • Caso : la forza di legame di atomi uguali è uguale a quella tra atomi diversi; in questo caso si parla di soluzione solida (di sostituzione o di interstizione) in quanto gli atomi sono completamente solubili in qualsiasi rapporto o concentrazione si trovino. Dato che le forze di legame dipendono dalle dimensioni degli atomi, possiamo avere la soluzione solida quando le due specie interessate hanno dimensioni che differiscono meno del 15%. Un esempio è il rame-nichel .
  • Caso : il legame tra atomi della stessa specie è più forte, quindi si formano cristalli separati di A e di B (due fasi solide distinte); in questo caso si parla di lega eutectica che avviene alla temperatura eutectica ed alla concentrazione eutectica. Le dimensioni degli atomi differiscono più del 15%. Un esempio è il rame-argento . Ne parleremo approfonditamente più avanti quando analizzeremo il diagramma ferro – carbonio.

   

  Diffusione degli atomi

   

  Consiste nel trasporto di materia, nel movimento di atomi (è diverso dalla diffusione termica): è una migrazione spontanea di atomi da una zone a maggiore concentrazione ad una a minore concentrazione. Necessita di due cose per esserci:

   

  • Forza motrice: è la differenza di concentrazione. Si misura come energia libera: gli atomi tendono a raggiungere una situazione di minore energia, possibile dove la concentrazione è minore. È misurata in energia su unità di massa, Energia/mole.
  • Cinetica del processo: è l’aspetto temporale, il tempo impiegato. Si può misurare in numero di atomi su tempo, n°atomi/tempo, oppure solamente in tempo (tempo di trasferimento).

   

  La diffusione di atomi è particolarmente importante nei metalli e nelle leghe poiché la maggior parte delle reazioni allo stato solido coinvolgono movimenti atomici (come ad esempio la tempra).

  Le variabili che regolano la diffusione sono:

   

  • Meccanismo di diffusione: può essere sostituzionale, per muoversi gli atomi necessitano di superare l’energia di attivazione e le vacanze o lacune sono difetti di equilibrio dove è necessaria minore energia per muoversi (esempio sono gli atomi di rame in un reticolo di alluminio, dato che gli atomi hanno all’incirca la stessa dimensione), oppure può essere interstiziale, gli atomi si diffondo interstizialmente senza muovere gli atomi del reticolo ma è necessario che le dimensioni degli atomi che diffondono sia relativamente piccola rispetto agli atomi della matrice (esempio sono gli atomi di carbonio nei reticoli CCC e CFC del ferro).
  • Temperatura: all’aumento della temperatura aumenta anche la diffusività, dato che aumenta l’energia degli atomi ed anche aumentano i difetti. Un aumento di circa 10°C della temperatura fa dimezzare il tempo .
  • Struttura cristallina: la struttura CCC è meno compatta della CFC quindi gli atomi si muovono più facilmente.
  • Difetti cristallini: la diffusione avviene più rapidamente lungo i bordi di grano che non nella matrice e la presenza di molte vacanze aumenta la velocità di diffusione.
  • Concentrazione delle specie diffuse: alte concentrazioni di atomi di soluto influenzano la diffusività.

   

  Ci sono due leggi che regolano i processi diffusivi.

   

  II° Legge di Fick

   

                             

   

       = concentrazione dell’elemento in diffusione.

  t         = tempo.

  D       = diffusività dell’elemento in diffusione, è una funzione della temperatura e della concentrazione, si misura in .

  x         = distanza dalla superficie.

   

  La soluzione di questa equazione è piuttosto complicata, tranne nei casi in cui D si può assumere come costante.

   

  Equazione di tipo Arrhenius

   

  

   

  = costante  di  proporzionalità  espressa  in    rappresenta  in  posti occupabili.

  R     = costante molare dei gas = = .

  T     = temperatura assoluta espressa in K.

     = energia di attivazione per la specie che diffonde in  o

   

   

   

   

  Questa equazione si può risolvere tramite il parametro “u”di Gauss:

   

  

   

  x         = direzione di trasferimento degli atomi.

  t         = tempo.

  u        = parametro di Gauss.

        = “è proporzionale a”.

   

  Da quest’ultima relazione si vede come lo spessore diffusivo x aumenti secondo l’andamento del grafico della radice rispetto al tempo, mentre dall’equazione di tipo Arrhenius e dalla II° legge di Fick si vede come lo spessore aumenti rispetto alla temperatura in maniera esponenziale: quindi, come già detto prima, una piccola variazione di temperatura nell’ordine dei 10°C porta ad un dimezzamento del tempo di diffusione.

  Nelle legende x è stato indicato sia come distanza dalla superficie sia come direzione di trasferimento. Sono la medesima cosa in quanto le leggi trattano della diffusione di un gas in un solido (un processo di questo tipo è ad esempio la nitrurazione).

   

   

   

  Elettropositivi: elementi che hanno natura metallica che liberano elettroni nelle reazioni producendo ioni positivi o cationi; il numero di elettroni liberati è indicato mediante il numero di ossidazione positivo. Gli elementi elettronegativi si comportano in maniera contraria, hanno natura non metallica, accettano elettroni e si trasformano in ioni negativi o anioni. Il comportamento metallico o meno viene definito attraverso la tavola periodica degli elementi: i metalli hanno una bassa energia di ionizzazione, serve poca energia per renderli ioni, quindi nei legami mettono in comunione gli elettroni e questo determina la loro buona conducibilità termica ed elettrica.

  Punto di fusione: temperatura a cui corrisponde il passaggio dallo stato solido a quello liquido.

  Allotropia: variazione del reticolo cristallino in funzione della temperatura; ne sono soggetti sia il ferro Fe che il titanio Ti.

  Difetti di equilibrio: fanno diminuire l’energia del sistema.

  Energia di attivazione: minima energia necessaria per staccare un atomo (l’atomo sublima e va nell’ambiente).

  Resilienza: energia per rompere un provino, resistenza all’urto.

  Temperatura…tempo: le termocoppie che regolano la temperatura nei forni si starano, per sublimazione dei metalli che compongono la termocoppia stessa, quindi indicano la temperatura errata e questo avviene frequentemente. Nei trattamenti termici (TT) è quindi necessario ricordarsi di tarare con opportuni strumenti e regolarmente le termocoppie dei forni onde evitare disastri visto il legame temperatura-tempo.

 

MATERIALI      Metallici         circa l’80% degli elementi chimici  presenti in natura Non metallici materie plastiche, legnami, sinterizzati, compositi

 

 

MATERIALI METALLICI    Elementi puri  Poche caratteristiche, alto costo di prelievo

                                       Leghe metalliche Elem. base, elem. di lega, impurezze met e non

Caratteristiche:

• Struttura cristallina                         Ferrosi             ferro, acciaio, ghisa
• Buona resistenza mecc.              Non Ferrosi     alluminio e leghe leggere
• Tenacità
• Lavorabilità                                           IL FERRO E LE SUE LEGHE à   Oss Idross Solfur Carbon
• Conduttività elet e term                                                                    
• Reattività con l’ossigeno                     Ferro à mat.puro contentente C < 0,005%

Acciaio à lega Fe-C ( 0,005% < C < 2,06% )  

CICLO SIDERURGICO                                    Ghisa à lega Fe-C ( 2,06% < C < 6% )

 

Proc di fabbricazione  MAT PRIE à ¹ lavorazioni à PROD INTERMED (Ghisa) FINITO (Acciaio)

Fasi di lavoro:

                                                                                      L’ALTOFORNO

• Preparazione e trattamento materie prime     
• Produzione della ghisa in altoforno                    Forno di grandi dim. (h 80m x d 25m) in
• Conversione ghisa-acciaio                                 lamiera metallica rivestita internamente
• Colata dell’acciaio                                             di materiale refrattario
• Laminazione a caldo  o a freddo

 

L’ALTOFORNO (2)  à          Per produrre 3000 t di ghisa : 5000 t di MIN e FOND / 1500 t di COKE / 3,5 mil m3 ARIA

 

• Minerali di ferro (danno il ferro)                                 Fondente(da la fusione e elimina le impurità)               
• Aria calda (carburente per il coke)                         Coke metallurgico (danno il calore)

 

STRUTTURA DELL’ALTOFORNO

Nome                          Temp.        Azione                         Utilizzo                                                         Chimica .   

 

BOCCA                                200°               Essiccazione                       Caricamento delle sostanze                                                          

           

TINO CILINDRICO             400°               Preriscaldamento             La carica perde umidità           

 

TINO CONICO                   800°               Riduzione indiretta           I Gas rubano O agli ossidi di Fe                   Ferro metal.

 

VENTRE                                 1200°             Carburazione                    Ferro pastoso si lega col C del coke                  Fe-C grezzo

 

SACCA ALTA                      1500°             Fusione                                Materiali fusi e il ferro si satura col C                       Ghisa

 

SACCA BASSA                   1800°             Combustione                     Coke + aria calda = combustione                      Impurezze a fondo

 

CROGIOLO                          1600°             Deposito                              Ghisa (a fondo) loppa (+ leggera)                  Ghisa, scorie

 

 

PRODOTTI DELL’ALTOFORNO

 

• Ghise grezze (e di prima fusione) à per produrre getti (x fonderia) e ghise industriali / acciai
• Scorie à parti solide non metalliche à prod. Cemento, calce, blocchi per pavimentazione stradali,
• Gas d’altoforno à  5mc/kg di coke à depurato dalle polveri (lavaggio) viene utilizzato come combustibile del COWPER [bruciano i gas prodotti dall’alt.e lo cedono all’aria di alimentazione]

PRODUZIONE DELL’ACCIAIO        Ghisa à processo di AFFINAZIONE à Acciaio

 

• Riduzione del tenore di C   [ 3-5 à 0,07-2% ]                PROCESSI DI AFFINAZIONE
•           “                “       di  Si   [  1 à 0,15% ]
•           “                “       di Mg [ 1-2 à 0,05% ]                  - Convertitori Bessmer e Thomas       Old
• Eliminazione o riduz. Delle impurezze                             - Forno Martin-Siemens                        Old
• Disossidare, desolforare e degassificazione                  - Convertitore a Oss L.D.              New
• Aggiungere elementi di lega                                         - Forno Elettrico                           New

 

FORNO ELETTRICO         Riscaldamento mediante arco voltaico tra 2 o + elettrodi di grafite

                                               “                                     “                      “  elettrodo e bagno di fus.

Temp  3000° C               Carica = rottami di acciao e ghisa, fondenti e elementi di correzione

 

Raffinazione degli acciai            Produzione di acciai speciali (inox, per utensili) ^QUAL e PUR  

COLATA DELL’ACCIAIO                Acciaio liquido versato in SIVIERE (metallico con int refrattario)

 

Destinazione del fuso:  LINGOTTIERA          SOTTO VUOTO               CONTINUA

 

COLATA IN LINGOTTERIA à      Lingotterie = recipienti senza fondo in ghisa di grosso spessore

                                               Forma conica con ALTO Bmagg e in BASSO Bminore

 

COLATA SOTTOVUOTO à       Usata per acciai di qualità           Eliminazione dei gas disciolti (Idr)

                                               Evitare assorbimento dei gas atmosferici        Recip con vuoto

 

 

COLATA CONTINUA à           Colata in paniera distributrice + in lingotteria (raffreddata H20) 

                                               Solidificazione lungo il percoro verticale

                                               Taglio alllo stato solido (ossitaglio) su carrello mobile

Velocizzazione della produzione di semilavorati (convenienza di produttività e economia)

Dopo la colata à inviato alle lavorazioni plastiche a caldo e a freddo                                                                                      

 

GHISA DI SECONDA FUSIONE à Nuovo processo di fusione + vari trattamenti à modifica prop.tecnol.

 

Forni Elettrici (ad ARCO e a INDUZIONE)           

 

Forno a combustibile : 1 bruciatore a nafta fornisce il calore per la fusione + rotazione forno

 

Cubilotto  : Calore per la fusione prodotto dalla combustione del coke

                     Recipiente cilindrico in lamiera rivestito internamente di materiale refrattario

                    

         ! AVANTI-CROGIOLO = Per aggiungere alla ghisa liquida alcuni elementi correttivi

 

Terminata la fusione à SVUOTAMENTO totale

Ideale per la produzione di ghise grigie (poco pura)

 

PROPRIETA’ DEL FERRO  à  Per avere ferro puro à processi chimici e/o elettrolitici

 

 

DUTTILE               LAVORABILE              MALLEABILE      à      Asportazione di truciolo / Lavorazioni plastiche

 

BASSA resistenza meccanica à POCHE utilizzazioni          BASSA resistenza al calore e alla corrosione

 

SCARSA fusibilità e col abilità                     Si OSSIDA facilmente costruendo la ruggine

 

Tf = 1535 °C       Resistenza a trazione  250-300 N/mm2      Durezza  60-80 HB     Allungamento  50%

 

 

 

PROPRIETA’ DEGLI ACCIAI à ELEVATA resist. A trazione  e compressione         BUONA resilienza

 

Discreta COLABILITA’                  Ottima LAVORABILITA’              OTTIMA Saldabilità

 

Dipendono da diversi fattori:    %C             Proc. Di produzione           Trattamenti termici             Elem.di lega

 

ACCIAI NON LEGATI (Solo carbonio)                  ACCIAI LEGATI (% significative di altri elementi di lega)

 

    DESIGNAZIONE DEGLI ACCIAI

1° Gruppo = Designati in base alle loro caratteristiche meccaniche o al loro impiego

2° Gruppo = Designati in base alla loro composizione chimica

 

CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI

Per Usi Generali         S       P       L        E       B       Y       R       H       DC                      Lettera      Carico Snervam

 

Per Trattamenti termici (Bonifica, Nitrurazione, Cementazione)

 

Per cuscinetti             elevata DUREZZA      TENACITA’                  RESIST.USURA

 

Per molle                     elevata ELASTICITIA’                             Per Utensili         DUR   R.USUR      TEN     LAVOR

 

SIMBOLOGIA PER LA DESIGNAZIONE

 

• Acciai non legati                                                          C 40              GC 20               CD 30 Cr 1

 

• Accia debolmente legati (TENORE<5% Velem)             35 NiCr 5               A 25 Mn 5

 

• Acciai legati (con ALMENO 1 elem > 5%)                        X 10 Cr 13             X 12 CrNi 18 9 KT

 

PROPRIETA’ DELLE GHISE à DUREZZA elevata             Resistenza USURA e CORROSIONE

 

Ottima COLABILITA’          ! ! ! Resistenza a TRAZ e COMPR dipende alla composizione chimica

 

NO Lavorazioni plastiche                    Tf 1300 °C          Durezza 150-400 HB           Allungam          QUASI NULLO

 

CLASSIFICAZIONE DELLE GHISE

GB O UNI 8845                    GB CrNi 9 5 UNI 8845

• GHISE BIANCHE:  C allo stato combinato (cementite o carburo di ferro) 
• Molto DURE                Poco LAVORABILI      Impiegati per GETTI con GRANDE RESIST.USURA

 

• GHISE GRIGIE: C in forma libera (grafite), può esistere sotto forma di:                          EN-GJL-150

 

• Ghise grigie per getti (a grafite lamellare)     Costruzione di stufe,caldaie, basamenti per MU

 

 

• Ghise sferoidali          Migliori caratteristiche meccaniche          Getti sollecitatti a URTI e USURA

 

EN-GJS-400-18                                    Struttura MU,      Slitte per MU,               Pistoni e cilindri idraulici

 

• Ghise speciali            Determ.proprietà con precisi accorgimenti               GH 130 UNI 5330

Impiegata per basamenti per motori, componenti per autoveicoli

 

• GHISE MALLEABILI: C in forma di fiocchi             Buona PLASTICITA’ a freddo         GJMW-450-7

 

Ottima RESIST.MECCANICA                    RESIST.A FATICA                       RESILIENZA                  LAVORABILITA’

W (Bianca)   B (Nera) o P (Perlitica)       +       resistenza  trazione   e allungamento percentuale

 

MAT.NON FERROSI à Si distinguono:    METALLI LEGGERI          e    METALLI PESANTI (Mv > 3kg/dm3)

 

ALLUMINIO                                                                                                                                                                       

 

• Ï allo stato metallico à si ottiene dalla BAUXITE (Les Baux (Francia) dove fu scoperta)

L'elettrolisi (pronuncia elettrolìsi o elettròlisi) è un processo che trasforma energia elettrica in energia chimica. È il processo inverso a quello della pila. Con la pila infatti si sfrutta una reazione chimica per produrre energia elettrica, con l'elettrolisi invece si usa l'energia elettrica per far decorrere una reazione chimica .

 Estrazione dell’alluminio in 2 fasi:

•  Estrazione dell’ ALLUMINA DI BAUXITE (Processo Bayer)
•  Produzione dell’alluminio con PROCEDIMENTO ELETTROLITICO
• Proprietà:          LEGGEREZZA              buona FUSIBILITA’

ALTA CONDUTTIV.ELETT e TERMICA    PLASTICITA’ (caldo o freddo)

• Largo impiego nella industria CHIMICA e ELETTRICA
• Nell’INDUSTRIA ALIMENTARE: pellicole, scatole x alimenti, involucri
• Nella METALLURGIA: disossidante, elem di lega con acciai, rame, etc..
• LEGHE DI ALLUMINIO à Migliorano le proprietà         à leghe leggere con BASSA MASSA VOLUMICA
• Leghe x getti (G)      P-AlCu 4,5 MgMn UNI 9002                 Leghe per lavorazione plastiche (P)

 

RAME                                                                                                                                                                                 

 

• In natura: ossidi, composti solforati à si ottiene da CUPRITE , CALCOPRITE e CALCOLITE
• MIGLIOR conduttore elettrico e di calore                   Elevatissima RESISTENZA alla CORROSIONE

Molto DUTTILE e MALLEABILE                    NON Colabile            Facilmente SMALTABILE

• Ottoni (Rame + Zinco) à (Tf 900-1000°C) Resist.a corrosione e LAVORABILI

Impiego in COSTRUZIONI NAVALI               PROD.RUBINETTERIE            GETTI x CARBURATORI

• Bronzi  (Rame + Stagno) à (Tf 850-1000°C)       Molto RESISTENTI        COLABILI                Res.CORROSIONE

Produz. Di CUSCINETTI        INGRANAGGI            MOLLE              OGGETTI D’ARTE (Campane, Monete)

• Alpacche: Cu, Zn e Ni à Oggetti d’arte e ornamentali, contatti elettrici, chiavi, appar.fotografici
• Cuprallumini: Cu + Al à Serbatoi, autoclavi, tubazioni, stampi per  materie plastiche
• Cupronichel: Cu + Ni à ottime capacità meccaniche, resistenza al calore e corros.marina

 

MAGNESIO (Mg)                                                                                                                                                             

 

• + Leggero dei metalli        Tf = 650 °C                            Molto diffuso in natura (rocce dolom, acque marine)
• In commercio sottoforma di PANI :   99,80                  99,90                  99,95                   Ottime proprietà tecnologiche
• Scarse proprietà meccanice                      Ossidabilità                Incendiabilità                Condutt.elettrica
• LEGHE DI MAGNESIO à Leghe da fonderia                Leghe da deformazione plastica
• Ottima COLABILITA’ e grande LEGGEREZZA   
• Sfruttate nella INDUSTRIA AUTOMOBILISTICA (cerchi, ruote, carter, parti di sospensioni)

 

TITANIO                                                                                                                                                                             

 

• Si ottiene da 2 ossidi:  RUTILO e ILMENITE à processo lungo e complesso à molto costoso
• Elevate CARATT.MECCANICHE                   Molto resist.CORROSIONE e al CALORE           
• Non adatto Alla FUSIONE                    Buono per STAMPAGGIO e LAVORABILE
• LEGHE DI TITANIO à Lega con alluminio, stagno,  vanadio, molibdeno, stronzio, zirconio
• Alta COMPATIBILITA’ con TESSUTI ORGANICI à Uso per PROTESI OSSEE, ORTOPEDIA E ODONTOI.
• Leghe con vanadio in INDUSTRIA AERONAUTIA e AEROSPAZIALE, TELAI per auto e biciclette.

 

SILICIO                                                                                                                                                                              

• Prende il nome dal suo composto BIOSSIDFO DI SILICIO = mat.base per la produzione del VETRO
• Ï allo stato libero à Buon SEMICONDUTTORE (sia come isolante che come conduttore)
• Comportamento elettrico à controllato con iniezione di  atomi di elementi particolari (boro, arsenico) à DROGAGGIO
• Sviluppo dei primi TRANSISTOR à MICROCHIP à Parti fondamentali per APPARECCH.ELETTRONICHE

 

 

MATERIALI SINTERIZZATI à Agglomerazione ad alta T di miscele di polveri (met e non met) secondo:

• Produzione delle polveri : procedim.meccanici, chimici e fisici     (grani tra 1 e 1000 micrometri)
• Pressatura e compattazione : alte pressione di stampi
• Sinterizzazione : 1 o + cicli di riscaldamento in atmosfera controllata     T < Tf 

 

Notevoli  vantaggi economici e tecnici;                                   Elevato costo degli impianti di stampo

Utilizzare miscele diverse che in fusione                                               Produzione in grande serie antieconomica

non darebbero leghe

Miscelare polveri metalliche e non metalliche

 

Impieghi:  Prod. Di pezzi meccanici          

Materiali metallici porosi (a porosità controllata) à microscopica circolaz di fluidi tra le superf.

Miscele metalli-carburi metallici-ossidi à placchette per utensili di taglio

Miscele di polveri metalliche e  non metalliche à utensili diamantati, componenti elettrici

Refrattari sinterizzati à filamenti di lampade, resistenze per forni, catodi per raggi X

 

MATERIE PLASTICHE à  Nel settore industriale sono di ORIGINE SINTTETICA à Ïin natura

         Opportune reazioni chimiche à Molecole semplici  SI COMBINANO in complessi macromolecolari

2 processi diversi:     

CONDENSAZIONE à + mol si combinano tra loro liberando acuqa          

POLIMERIZZAZIONE à  + mol si combinano in presenza di un AGENTE CATALIZZATORE

Tipi di plastiche:         TERMOPLASTICHE à Risc e Raff in NR illimitato di volte PURCHE’  T < Tf

                                      TERMOINDURENTI à 1 volta raffr e indurite non possono + esserlo

                                      ELASTOMETRI à Grande elasticità, alta sopportaz sollecitazioni meccaniche

 

Leggerezza                                                                         Attaccabilità da parte dei solventi

Ottimo isolamento termico & elettrico                         Scarsa resistenza alle temperature elevate

Resist.a corrosione

         Ottima resistenza agli urti                                                Impieghi:  Settore chimico, meccanico, elettrica,

Facilità di lavorazione                                             automobilistica, imballaggio, edilizia, arred.,etc.

 

Lav.delle plastiche:

                                      STAMPAGGIO A CALDO à Sulle plastiche termoindurenti        

                                      STAMPAGGIO A INIEZIONE à Plastico granulare IN stampo scomponibile

[cont,recip,imb]        FORMATURA A CALDO à Fogli o rotoli sottili à compressione e formatura + taglio

[bott,flac,fustini]        STAMPAGGIO PER SOFFIATURA à getto in una preforma e INIEZIONI di aria compress

 

IL LEGNO à Materiale NATURALE,  RICICLABILE à Bassa MASSA VOL.          ECONOMICITA’         PROP.MECC.

In base alla provenienza:                    ESSENZE ESOTICHE (extra-europee)

        

ESSENZE NOSTRANE: Possono essere         

         DOLCI à Ben lavorabili ma non lucidabili                   Costruz.di basso pregio              BETUL, PIOPPO, TIGL, ONT

FORTI à Elevata resistenza e durezza, alta massa v, colorazione intesa         Lavori di alto pregio

                   Meno lavorabili ma lucidabili                      QUERC, NOCE, CILIG, CASTAG, PERO, ACERO            

RESINOSE à Ricchi di sostanze resin molto resistenti all’umidita                  Usi più disparati

                            ABETE, PINO, LARICE, CIPRESSO

 

Caratteristiche dei legnami:     Massa vol          Pot.isolante                Ritiro e dilatazione           Lucidabilità

         Venatura e colore             Tagliabilità                           Femndibilità               Curabilità e plasticità

        

Derivati del legno:    COMPENSATO à Incollando e comprimendo 2 o + fogli di spessore limitato

                                                                  à Molto resistnete e poco deformabile PURCHE’ resti asciutto

                                                                  à Fogli con fibre ruotate di 90° , spessori tra 0,5 e 3,5 mm

 

PANIFORTI à Simili ai compensati con SPESSORI Maggiori                  Intelaiatura di listelli affiancati e rivestiti

 

TRUCIOLATI à Dagli scarti di lavorazione del legno, sfibrati e sminuzzati e MESCOLATI con leganti

                     à Economici, resistenti e non deformabili si USANO nell’industria del mobile

LEGNO MIGLIORATO (+ Fogli sottili Impregnati con resine sintetiche)

LEGNO IMPIALLACCIATO (Incollare fogli sottili di legno pregiato sulle superfici esterne di legnami comuni

 

 Macchine:    Segatrici a disco/a nastro             Piallatrici a filo/a spessore                   Mortasatrici    

 

 

Proprietà dei metalli

 

Si suddividono in proprietà fisiche, chimiche, meccaniche e tecnologiche.

 

Proprietà fisiche

 

Dipendono dalla disposizione degli atomi e dai legami. In questa categoria rientrano la densità, l’elasticità, le proprietà termiche, le proprietà elettriche e le proprietà magnetiche.

 

Addensamento

 

Definito dalla densità  espressa in . La densità è importante anche in sede progettuale ed esecutiva di un’opera in quanto, ad esempio, se i tralicci dell’alta tensione non fossero una lega superleggera, lega di alluminio 6061 con magnesio e silicio, si romperebbero a causa del loro stesso peso.

 

Elasticità

 

Il modulo di elasticità o modulo di Young  è espresso in . Verrà trattato approfonditamente più avanti in quanto è importante nelle deformazioni dei materiali.

 

Proprietà termiche

 

Sono il calore specifico , la conducibilità , il coefficiente di dilatazione , la tensione termica (questa è importante ad esempio perché spiega la rottura di un bicchiere di vetro in cui si versa il latte caldo: abbiamo una differenza di temperatura elevata che genera una tensione elevata e che porta alla rottura).

 

Proprietà elettriche

 

I metalli sono buoni conduttori in virtù del loro legame atomico: i migliori sono argento, rame e alluminio. La conducibilità elettrica è migliore quanto più regolare è il cristallo, quindi l’assenza di impurezze la rende migliore.

Ne consegue che le leghe del tipo a soluzione solida conducono male la corrente e vengono usate per resistenze (nickel/cromo o rame/nickel), mentre le leghe eutectiche hanno una migliore conducibilità.

Si può usare come termine per catalogare la conducibilità la resisitività .

 

Proprietà magnetiche

 

(…omissis…)

 

 

 

 

 

Proprietà chimiche

 

Nelle proprietà chimiche la cosa più importante è l’interazione dei metalli con l’ambiente esterno nella cosiddetta corrosione. Esistono due tipi di corrosione: elettrochimica o ad umido e a secco.

 

Corrosione ad umido

 

Servono necessarie affinché avvenga quattro componenti:

 

• Conduttore: un elemento che colleghi i due corpi (anodo e catodo) e che permetta il passaggio di elettroni; i due elementi possono essere anche a contatto quindi fungono da conduttori le superfici di contatto. È detto conduttore di I° specie in quanto permette il movimento di elettroni.
• Elettrolita: è un liquido in grado di condurre la corrente ed è detto conduttore di II° specie in quanto permette il passaggio di ioni. Può essere l’acqua, l’acido (il cloridrico contiene ossigeno quindi corrode il ferro), ma anche l’ossigeno come gas libero (un metallo in presenza di un elettrolita con differenti concentrazioni di ossigeno corrode). L’elettrolita deve essere a contatto con ambedue i poli (anodo e catodo).
• Anodo: un metallo che si comporta da polo positivo e si corrode.
• Catodo: un altro corpo, anche non metallo, che si comporta da polo negativo e non si corrode.

 

Quello che avviene praticamente in questo tipo di corrosione è una reazione di ossidoriduzione: il metallo che funge da anodo si ossida, perde cioè elettroni (che viaggiano lungo il conduttore) e rilascia ioni positivi nell’elettrolita, mentre un metallo o un non metallo che funge da catodo si riduce, acquista cioè gli elettroni che gli arrivano tramite il conduttore.

La tendenza di un metallo a comportarsi da anodo o catodo  e quindi a corrodersi in un particolare ambiente viene determinato tramite il potenziale di elettrodo cioè la differenza di potenziale che un elettrodo di quel metallo assume rispetto ad un altro elettrodo di riferimento ad idrogeno.

Gli elementi più catodici hanno potenziale positivo mentre quelli più anodici hanno potenziale negativo: questi sono valutati rispetto all’idrogeno che ha potenziale zero. Quello che più ci interessa è che in due metalli a contatto si comporterà da anodo quello con potenziale più negativo mentre l’altro da anodo; questo perciò vale anche tra due metalli con potenziale di ambedue negativo o ambedue positivo.

 

Corrosione galvanica

 

Avviene quando due metalli o un metallo ed un non metallo sono a contatto fra loro: la superficie di contatto funge quindi da conduttore ed il metallo con potenziale più negativo si corrode. È molto pericolosa bisogna quindi porre attenzione in sede progettuale quando si decide di mettere due metalli a contatto (o metallo e non metallo).

 

 

 

 

 

Corrosione in fessura

 

È un attacco localizzato che insorge quando un elettrolita può penetrare nelle giunzioni o interstizi (filettature, rivetti, giunti sovrapposti, ma anche depositi di sporcizia).

 

Corrosione intercristallina

 

Si manifesta ai bordi dei grani per formazione di micropile tra particelle di fase precipitate (catodo) e la matrice circostante (anodo): la corrosione si muove lungo i bordi dei grani separandoli e disgregandoli, si perde quindi resistenza meccanica e plasticità del materiale.

 

Corrosione per violatura (pitting)

 

Il pit è un punto di corrosione ed ha inizio con la rottura localizzata del film protettivo sul metallo e la conseguente formazione di una micropila. Avviene in presenza di elettroliti con ioni cloro (l’acqua di mare ne è ricca ad esempio).

Può essere evitato:

 

• prevenendo condizioni stagnanti dell’elettrolita o inserendo un inibitore;
• usando un materiale resistente al pitting (inox AISI 316 o 317);
• usando rivestimenti protettivi;
• aumentando lo spessore del metallo (il tempo di penetrazione varia con il cubo dello spessore);
• passivando il metallo.

 

Corrosione a secco

 

È l’ossidazione superficiale dovuta alla notevole affinità dei metalli per l’ossigeno, affinità che decresce all’aumentare della temperatura., mentre la velocità di corrosione aumenta all’aumentare della temperatura.

Questa corrosione avviene senza la presenza di un elettrolita.

È insidiosa per i metalli che subiscono trattamenti termici (TT) e che quindi sono esposti per tempo prolungato ad alte temperature.

 

Importante, per quanto riguarda la corrosione, è quantificarla, per poterla prevedere nel tempo. La corrosione viene quantificata in spessore perso nell’unità di tempo o di superficie. Altre grandezze si collegano direttamente all’analisi della possibile corrosione:

 

• Coefficiente di dilatazione termica: è una grandezza fisica ed è la variazione di lunghezza rispetto a quella iniziale; è importante per evitare che si creino tensioni all’interno del materiale. Un esempio è il calcestruzzo: se lo strato di cemento attorno ai ferri non è sufficiente i ferri si ossidano e la zona di ossidazione ha un volume specifico maggiore rispetto al ferro; si ha così il distacco del cemento dal ferro a causa della tensione interna. Così si possono anche creare tensioni a causa di accoppiamenti fra materiali con diversi coefficienti di dilatazione termica.
• Conduttività termica: misura l’attitudine a trasferire una forma di energia (fononi). È importante tenerla in considerazione in fase progettuale per evitare accumuli di energia: un motore termico può raggiungere facilmente i 2000°C e se il calore non venisse smaltito in maniera appropriata i materiali metallici che compongono il motore fonderebbero.

 

Proprietà meccaniche

 

Riguardano gli sforzi semplici: trazione, compressione (normali alla sezione) e taglio (tangenziale alla sezione) e lo studio delle deformazioni, in campo elastico ed in campo plastico, che questi provocano.

 

Tensione

 

Sono forze rapportate alla sezione:

 

       trazione (o compressione)

        taglio

 

Deformazione

 

È la deformazione che un metallo subisce se sottoposto ad uno sforzo o tensione. Viene rapportata alla lunghezza iniziale:

 

                  = variazione della lunghezza

                               = lunghezza iniziale

                              

                               = deformazione

 

                    = spostamento

                               = altezza

 

                               = angolo

 

Tali valori possono anche essere espressi in percentuale.

 

Le più importanti proprietà meccaniche, per i nostri utilizzi, dei materiali metallici e le leghe possono essere desunte dalla prova di trazione; queste proprietà sono:

 

• Modulo di elasticità;
• Carico di snervamento a una deformazione dello 0,2%;
• Carico di rottura;
• Allungamento percentuale a rottura;
• Strizzone percentuale a rottura;

 

Analizzeremo in seguito le prove di trazione e le varie proprietà ricavate da queste prove.

 

 

 

 

 

Proprietà meccaniche e prove di trazione

 

 

Quello che più ci interessa è il comportamento dei metalli sottoposti a sforzi, misurati in reazione tensionale, plasticità, tenacità . In base al tempo e alla velocità di applicazione possiamo suddividere gli sforzi in:

 

• Statici: il carico viene applicato lentamente; vengono effettuate in questa modalità la prova di trazione e la prova di durezza: Brinell, Rockwell, Vickers.
• Dinamiche: il carico viene applicato in maniera impulsiva; viene effettuata la prova di resistenza all’urto, la prova di resilienza.
• Cicliche: lo sforzo viene applicato ciclicamente; si effettuano le prove di fatica.
• Scorrimento viscoso: valutiamo il comportamento sotto l’effetto contemporaneo della temperatura; le prove a minore temperatura sono effettuate a circa -196°C, alla temperatura in cui liquefa l’aria. A bassa temperatura aumenta la resistenza ma diminuisce l’elasticità.

 

Regime elastico

 

Analizziamo il comportamento elastico dei materiali metallici. La deformazione è definita elastica quando, una volta rimosso lo sforzo, si annulla.

Lo sforzo che subisce un materiale provoca lo spostamento degli atomi dalla loro posizione; se tale spostamento non supera 1 raggio atomico l’atomo ritorna al suo posto.

Il regime elastico dei materiali sottoposti a sforzi di trazione e taglio è descritto dalla legge di Hooke:

 

                  = trazione (o compressione)

                               = modulo di elasticità longitudinale

 

                  = taglio

                               = modulo di elasticità tangenziale

 

                               = deformazione

 

Dagli studi effettuati si è visto che per i materiali metallici la sollecitazione più critica è quella di trazione, quindi un elemento dimensionato per resistere a trazione certamente resisterà anche a taglio. Tratteremo quindi ora più approfonditamente il comportamento dei metalli sottoposti a trazione e le prove relative.

 

Modulo elastico E o Modulo di Young

 

Viene descritto nel grafico sforzo (ordinata) – deformazione (ascissa) da una linea retta quando il comportamento risulta elastico. Chiamato beta l’angolo ascissa – retta la tangente di quest’angolo è il modulo elastico:

 

                 = angolo ascissa – retta

 

Tramite questa dimostrazione si vede come il modulo elastico E sia la tensione da applicare per raddoppiare la lunghezza iniziale (solo virtualmente, non è realizzabile).

Il modulo elastico serve anche per misurare la rigidezza di un metallo: all’aumentare di E diminuisce la flessione (o freccia).

 

                  =  forza che carica la trave

                                          =  lunghezza trave

 

= momento di inerzia (dipende dalla geometria del corpo)

 

Il modulo elastico è influenzato dalla temperatura di esercizio. Ricordiamo che il modulo elastico dipende unicamente dal tipo di materiale e non dai trattamenti termici subiti.

Lo studio del comportamento di un materiale sottoposto a trazione avviene tramite delle provette sottoposte a particolari prove; ci soffermiamo sul fatto che le dimensioni e la forma delle provette sono regolate dalla Norma. Tramite queste vengono tracciate delle curve di trazione dalle quali si possono determinare il comportamento dei metalli e gli sforzi massimi a cui possono essere sottoposti.

 

Curve di Trazione (Prove di Trazione)

 

Di seguito riportiamo il grafico tipico della curva di trazione:

 

 

Analizzando questo grafico possiamo notare che:

 

• I°:la prima parte del grafico ha andamento rettilineo; queste è la zone in cui il materiale si trova in regime elastico in quanto, togliendo il carico, non vi è deformazione permanente. È importante, nella progettazione e realizzazione di componenti, mantenersi entro i limiti di elasticità dei materiali.
• II°: la seconda parte del grafico inizia quando termina l’andamento elastico del materiale, nel cosiddetto punto di snervamento a cui corrisponde, nell’asse delle orinate, il carico di snervamento , il valore dello sforzo per cui le successive deformazioni non possono più essere rimosse; siamo quindi entrati nel campo plastico del materiale. Dato che nel diagramma sforzo – deformazione il punto in cui finisce la deformazione elastica ed inizia quella plastica non è ben definito, il carico di snervamento si definisce come la sollecitazione in corrispondenze della quale si ha una prefissata deformazione plastica permanente residua ed in genere è pari allo 0,2%. Il metodo per determinare tale punto consiste nel tracciare una parallela al tratto I° spostata verso destra lungo l’asse delle ascisse rispetto al punto 0 dello 0,2% del tratto utile. Questa parte del grafico prosegue in salita fino a raggiungere il  carico di rottura , cioè fino al massimo valore di resistenza raggiunto nel diagramma. Il carico di rottura viene determinato graficamente tracciando una linea orizzontale sul punto di massimo della curva del diagramma. Puntualizziamo che il carico di rottura non è molto usato per le leghe duttili in quanto prima che sopraggiunga si verifica su di esse troppa deformazione plastica.
• III°: Superato il carico di rottura si manifesta sul provino un restringimento localizzato della sezione detto strizione , lo sforzo nominale diminuisce all’aumentare della deformazione fino a raggiungere la rottura del provino.

 

Tramite questo diagramma si può definire la  cioè la tensione ammissibile del materiale; questa deve essere minore del carico di snervamento in quanto non vogliamo deformazioni permanenti nei pezzi da noi progettati. A tale proposito si usa un coefficiente di sicurezza n rapportato al carico di snervamento:

 

                           = coefficiente di sicurezza

 

Il parametro n dipende dalle condizioni di utilizzo, dal materiale (dove è stato prodotto per assicurarsi l’affidabilità), dai difetti (saldature, intagli, filettature). È definito anche coefficiente di ignoranza in quanto in esso rientra tutto ciò che noi ignoriamo sul materiale.

         

I valori di tensione e deformazione riportati nel grafico sono sempre riferiti alla sezione iniziale, quindi non a quella istantanea che varia in seguito alla trazione.

 

Vera curva di trazione

 

Viene tracciata per punti tramite il diagramma ideale prima visto. È importante per lo stampaggio di lamiere, come ad esempio nell’industria automobilistica.

 

 

 

La vera curva, fino alla tensione di snervamento, si sovrappone a quella di prova, dopodichè giace sopra e a sinistra di quella nominale.

 

Relazione di Ludwick

 

                                               coefficiente di resistenza (è una tensione)

                                                                  coefficiente di incrudimento

 

Notiamo che  quando  e varia con la natura della lega;  indica quanto rapidamente la curva si innalza, la velocità di incrudimento.

Per lo stampaggio vorremo alto ma il valore massimo ottenuto è  (rame ricotto e acciai austenitici) mentre il valore minimo è  (acciaio  scaldato e rinvenuto).

Il valore di n viene ricavato dalla vera curva di trazione:

 

 

Tensione reale

 

Viene riferita alla sezione istantanea ed è definita:

 

                             

Quindi le tensioni reali sono sempre maggiori di quelle appurate sperimentalmente e ciò ci porta a sovradimensionare la sezione resistente, progettata basandosi sui dati sperimentali, a tutto vantaggio della sicurezza.

 

Deformazione reale

 

La stessa cosa vale per la deformazione, ma relativamente alla variazione della lunghezza del provino:

 

                    

 

La deformazione reale è sempre più piccola di quella ottenuta sperimentalmente, a tutto vantaggio della sicurezza.

 

Duttilità alla trazione

 

La duttilità dei metalli è comunemente espressa come allungamento percentuale (maggiormente importante per noi) e come strizione percentuale:

 

    = Allungamento percentuale dopo rottura

 

    = Strizione percentuale dopo rottura

 

Sono prove rilevate dalla prova di trazione e servono per verificare le prove effettuate; mentre le tensioni (massima e di snervamento) dipendono unicamente dal materiale che compone la provetta, l’allungamento e la strizione dipendono dalla provetta, quindi la norma regola il rapporto lunghezza/diametro:

 

 

Nel caso di provette non circolari ma rettangolari si usano i seguenti rapporti:

 

 

Torniamo così al rapporto n=5. Negli USA vengono usati n=4, quindi necessitiamo di usare una tabella di conversione per confrontare i risultati.

 

 

Allungamento percentuale

 

L’allungamento percentuale ci indica sia la duttilità di un metallo sia la qualità del metallo: se il metallo presenta difetti (porosità o inclusioni) o è stato danneggiato da un surriscaldamento, l’allungamento percentuale sul provino può diminuire rispetto al normale. Consta di due fattori:

 

                            

 

L’allungamento uniforme  dipende unicamente dal materiale ed è proporzionale alla lunghezza iniziale  mentre l’allungamento per strizione dipende dal diametro iniziale .

Riferendosi al diagramma di trazione, fino al carico di snervamento l’allungamento è piccolo, dallo snervamento al carico di rottura l’allungamento è uniformemente distribuito, dal carico di rottura in poi l’allungamento interessa solo la sezione centrale: la densità di allungamento non è costante ma aumenta nella zona di rottura.

 

 

valore costante (allungamento uniforme) con K che dipende del materiale

 

contributo di strizione che aumenta al diminuire di n

 

Ne consegue che più lunga è una provetta minore è il suo allungamento e più si avvicina l’allungamento totale all’allungamento uniforme (con ).

 

 

Riportiamo un esempio pratico: nei cosiddetti ferri da costruzione, per cemento armato, essendo la lunghezza molto più grande rispetto al diametro, l’allungamento uniforme è la sola cosa richiesta dalla norma, perché l’allungamento per strizione è minimo. Anche nell’ingegneria che più ci riguarda da vicino l’allungamento uniforme è il parametro per noi più importante.

Analizziamo tre metodi per determinare l’allungamento uniforme.

 

I° metodo: Metodo dell’Intercetta

 

Traccio un diagramma con in ordinata  e in ascissa  dato che l’allungamento è una funzione dell’inversa di n:

 

 

Faccio le prove con vari n (minimo 4) e traccio il diagramma: traccio una retta (penso valore medio dei valori trovati) e l’intercetta sull’asse delle ordinate di tale retta è l’allungamento uniforme.

 

II° metodo: Metodo della Differenza

 

Consiste nel calcolare l’allungamento uniforme come differenza dei valori di due allungamenti con n diversi:

 

 

Se prendo una provetta doppia dell’altra con diametro uguale, diventa n = 2n’:

 

 

È un metodo rapido ed abbastanza preciso, una scelta adeguata in ambito industriale.

 

III° metodo

 

Consiste nell’indicare una estremità del tratto utile iniziale  e verificarne l’allungamento a fine prova. Questo è possibile perché verso l’estremità della provetta l’allungamento è solo uniforme. Questo metodo viene ad esempio usato per le provette dei ferri del cemento armato.

 

Tenacità

 

La tenacità è una misura della quantità di energia che un materiale è in grado di assorbire prima di giungere a rottura.

È il lavoro di deformazione necessario per rompere l’unità di volume: si può parlare di tenacità statica, in cui il carico è aumentato lentamente, o dinamica, in cui il carico è impulsivo. Noi tratteremo unicamente di quella statica.

La tenacità statica si determina con la curva di trazione (grafico tensione – deformazione) prima descritta e precisamente è l’area sotto la curva.

Dato che la curva di trazione non è rappresentabile con un’unica funzione, si è trovato un espediente: esiste un’ordinata (F’) tale che l’area del rettangolo sottesa da tale ordinata è uguale a quella della curva.

 

 

             allungamento percentuale

                                          tensione massima o di rottura

                                          tenacità

 

 

Durezza

 

Per determinare la durezza di un metallo si sfrutta il principio della durezza metallurgica, sull’attitudine cioè del materiale a lasciarsi penetrare da un corpo più duro chiamato penetratore.

È una deformazione plastica in quanto sposta gli atomi dei materiali; permette di ottenere le tensioni di rottura molto velocemente ed a costi minori rispetto alla prova di trazione, l’importante è che lo strumento sia correttamente tarato.

Esistono varie prove per determinare la durezza di un materiale, principalmente suddivise in prove di macrodurezza e microdurezza. I termini macro e micro non sono riferiti ai valori di durezza determinati ma sono relativi alla grandezza del materiale su cui avviene la prova.

 

Macrodurezza

 

I tre tipi di prove eseguite più spesso sono:

 

• Brinell
• Vickers
• Rockwell

 

Analizzi ora singolarmente ogni prova.

 

Brinell

 

Ha un penetratore sferico di diametro D avente durezza prestabilita, viene appoggiato sulla superficie spianata e liscia e premuto con una forza P; sul pezzo da testare rimane l’impronta di diametro d e profondità p.

La durezza ricavata è il rapporto tra carico P e superficie S e viene indicata HB .

 

               profondità incisione sfera

                                                      superficie incisione

 

La profondità dell’incisione p è difficile da determinare perché quando tolgo la sfera ho un ritorno elastico del materiale, a scapito della precisione. Per ovviare a questo problema uso il diametro dell’incisione d e lo converto per ottenere la durezza HB:

 

  

 

La misura è valida e quindi riproducibile per ogni forza P e diametro della sfera D se li impronte sono simili:

 

costante

 

È meglio scegliere quando possibile la sfera con diametro maggiore in modo da testare una superficie di materiale maggiore e quindi mediare la durezza delle eterogeneità strutturali.

Un altro fattore importante è l’angolo di penetrazione  che deve essere lo stesso. Per la norma esso deve essere pari a:

 

 

Per determinare il rapporto forza P / diametro sfera D mi viene in aiuto la norma con le relative tabelle:

 

• Scelgo la lega che devo testare;
• Ricavo dalle tabelle il rapporto per avere un angolo di circa 136° (per le leghe ferrose si attesta su 30).

 

In verità, anche usando le tabelle, l’angolo non è mai precisamente 136° ma si attesta:

 

 

Vickers

 

Prova con penetratore a piramide con angolo al vertice di 136° in diamante; ovvia ai problemi della prova Brinell dato che il penetratore ha un angolo costante e una durezza maggiore della sfera. Si misura in HV:

 

             carico in Kg

                                                                  diagonale media in mm

 

Per eseguire questa prova la superficie deve essere liscia perché il penetratore è piccolo e la rugosità può influenzare la prova.

I pesi applicati variano da 2 Kg a 100 Kg, meglio se si usano valori maggiori di 5 Kg: il valore Standard è 30 Kg.

Lo spessore del pezzo deve essere almeno 8 volte la profondità della calotta onde evitare che la pressione provochi fuoriuscita di materiale nella parte diametralmente opposta: questo annullerebbe la prova.

 

                          durezza presunta

                                                      spessore in mm

 

Vantaggi   È una universale; Il penetratore è indeformabile; L’angolo è costante a 136°;

Svantaggi   I carichi devono essere maggiori di 30 Kg; Non va bene per materiali eterogenei, dato che la zona interessata è limitata.

 

 

Correlazione Brinell – Vickers

 

Come si può notare dal grafico oltre i 600 HB è migliore la prova Vickers.

 

Rockwell

 

In questa prova si usano due penetratori:

 

• Sfera di acciaio con usata per leghe (e acciai) non duri;
• Cono di diamante con angolo al vertice di 120° usato per acciai duri.

 

I carichi sono 60, 100, 150 Kg, quindi due penetratori e tre carichi possibili danno un totale di sei prove di durezza possibili; le più usate sono due:

 

durezza Rockwell con sfera con 100 Kg.

durezza Rockwell con cono con 150 Kg.

 

Questi penetratori lasciano un’impronta permanente di cui viene misurata la profondità p:

 

 

Innanzitutto vediamo che essendoci un valore costante (130 e 100) la prova non si basa su principi fisici ma è una prova convenzionale; questi valori rappresentano la durezza di un materiale uguale al penetratore per cui la profondità è zero. Il fattore moltiplicativo 500 viene usato per ampliare i valori di profondità ricavati.

Per eliminare il problema del ritorno elastico del materiale una volta scaricato, si usa un precarico di 10 Kg: lo strumento viene azzerato dopo aver appoggiato il penetratore con il precarico.

Essendo una prova convenzionale, la sua scala non è lineare, la differenza tra due valori non è costante:

 

 

Le due scale b e c (ottenute con i due penetratori e i due carichi prima visti) si sovrappongono per alcuni valori:

 

 corrisponde

 

Il pregio maggiore della durezza Rockwell, per cui la rende la più eseguita rispetto alle altre, sono i minori costi ed il minor tempo di esecuzione.

La Rockwell non è correlabile direttamente con la Brinell e la Vickers ma ci sono delle tabelle sperimentali che permettono un confronto tra le durezze.

 

Microdurezze

 

Sono la prova Vickers e la Knoop e sono eseguite per piccoli pezzi come denti degli ingranaggi di orologi o la durezza della cromatura.

Il carico è sull’ordine dei grammi.

 

Vickers

 

È identica alla macro Vickers tranne che il carico ed il penetratore sono più piccoli. Per leggere i valori lo strumento ha un microscopio:

 

                          carico in grammi [g]

                                                                  superficie calotta

 

A mano a mano che il carico diminuisce aumenta l’errore, lo scostamento cioè tra la durezza misurata e quella reale:

 

REALE

<

MISURATA

 

Con meno di 1 Kg l’HV misurata maggiore, di molto, della reale: è buona norma indicare come pedice di HV i Kg usati (sia in macro che in micro).

Knoop

 

Il penetratore è una piramide a base rombica con una diagonale maggiore circa 7 volte la minore: questo perché così bisogna leggere una sola diagonale, la più lunga (circa 3 volte maggiore della Vickers).

 

                                   superficie proiettata sul piano

 

La profondità di questa impronta è 3 volte più piccola della Vickers quindi possiamo misurare spessori 3 volte più piccoli: viene usata in galvanica (cromature) dove gli spessori sono piccoli.

 

Prove di Resilienza

 

Verifica l’attitudine degli acciai al  cedimento fragile; viene anche detta prova di tenacità dinamica.

Viene usato il Pendolo di Charpy con uno sforzo impulsivo su provetta intagliata.

Le variabili che entrano in gioco in questo tipo di prova sono:

 

• Temperatura;
• Rigidezza;
• Sforzo impulsivo;
• Sforzo triassiale.

 

Esistono due tipi di prove eseguite su provette le cui dimensioni e intagli sono regolati dalla norma.

 

Charpy

 

Prova con provette a sezione prismatica con due tipi di intagli: a U o a V.

Alla radice di una scanalatura si amplifica lo sforzo:

 

 

 

                                 tensione applicata

                                                                  profondità intaglio

 

                                                                  raggio curvatura

 

Il caso più favorevole è  per cui abbiamo:

 

 

Le due provette si equivalgono poiché una è più profonda ed una ha raggio minore.

Il carico arriva dalla parte opposta dell’intaglio.

È la prova più usata per determinare la resilienza: essa si ricava come differenza di energia potenziale:

 

Charpy intaglio a V

Charpy intaglio a U

 

                           altezza iniziale pendolo

                                                                  altezza finale pendolo

                                                                  massa pendolo

 

È la prova più sensibile essendo influenzata da molti parametri (elencati prima); minimo si provano tre provette e, se i risultati non si discostano molto, si determina un valore medio ed uno minimo.

La più eseguita è la KV. È importante il posizionamento della provetta quindi si usa una maschera o dima.

Possono essere eseguite a , fino a (azoto liquido): a più basse temperature l’acciaio manifesta maggiore fragilità; le normali prove eseguita a temperature sotto zero sono a -20, -60, -196°C.

 

Izod

 

In tutto simile alla Charpy ma meno eseguita ed inoltre la provetta viene colpita dalla parte dell’intaglio.

 

 

Meccanismi di rafforzamento

 

Ricordiamo che un materiale metallico deve essere debole in fase di lavorazione (maggiore plasticità) e resistente in fase di impiego.

Dato che le deformazioni plastiche sono causate dallo spostamento delle dislocazioni, per rafforzare il metallo bisogna impedire questo movimento, creando una serie di ostacoli alle dislocazioni stesse.

Operando in si fatta maniera aumentiamo , ,  ma perdiamo plasticità (quindi duttilità) e tenacità.

Analizziamo ora i principali meccanismi di rafforzamento.

 

Incrudimento

 

È il più potente meccanismo conosciuto: moltiplica fino a 10 volte la tensione di snervamento  ma penalizza la duttilità e la tenacità. È molto importante nella progettazione e realizzazione di componenti conservare una parte di plasticità nei materiali, onde evitare cedimenti improvvisi senza fase plastica (quindi la fase plastica funge da avviso).

Nell’incrudimento consiste nel deformare a freddo un metallo o una lega: i cristalli si allungano nella direzione dello sforzo. In questo processo le dislocazioni sono molto “prolifere”, si moltiplicano moltissimo, cosicché la possibilità di ulteriori deformazioni si riduce dato che le dislocazioni si ostacolano a vicenda; ogni dislocazione genera fino a 1000 altre dislocazioni.

Il movimento delle dislocazioni spezza i giunti dei grani e riduce la grana. I giunti stessi però bloccano il movimento delle dislocazioni quindi: le dislocazioni si moltiplicano, riducano la grana quindi aumentano i giunti, i giunti bloccano il movimento delle dislocazioni, il tutto raggiunge un punto di saturazione in cui, continuando la deformazione, il materiale si rompe.

Il materiale presenta un accumulo di energia interna localizzata in prossimità dei giunti dei grani dove si addensano maggiormente le dislocazioni: esso diventa perciò maggiormente corrodibile.

Un materiale molto plastico può essere incrudito bene, come le configurazioni cristalline CFC che possono raggiungere 10 volte la  iniziale, mentre quelli meno plastici poco, come il Titanio EC.

 

Se la deformazione cercata non è raggiungibile a causa delle troppe dislocazioni formatesi, bisogna usare i trattamenti termici (TT):

 

• TT di Distensione: effettuato ad una temperatura assoluta , riduce l’incrudimento e ripristina un po’ di plasticità.

TT di Ricottura di Ricristallizzazione: effettuato ad una temperatura  , elimina la grana cristallina e riparte la nucleazione e l’accrescimento; annulla l’incrudimento ed il materiale tor

 

 

 

 

 

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