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Tecnologia meccanica

 

Tecnologia meccanica


Tratto da wikipedia : La tecnologia meccanica è la parte della meccanica che si occupa della realizzazione di un pezzo, partendo dalla materia prima o da un semilavorato, tramite i vari processi sino a giungere ad una forma ben definita, determinata dalle funzionalità a cui dovrà far fronte l'oggetto in questione.

Quindi si occupa di materiali, delle caratteristiche, dei processi di produzione, della loro lavorazione. In meccanica i materiali più comunemente usati sono le leghe metalliche:

siderurgia: si occupa della produzione di acciaio e ghisa I componenti meccanici dovranno avere le più svariate geometrie, che gli verranno impresse tramite diversi processi di lavorazione:

- fusione

- deformazioni plastiche

- lavorazioni per asportazione di truciolo macchine utensili

- lavorazioni speciali

- collegamenti e saldature


 

Tecnologia meccanica tutto di tutto

 

 

Tecnologia meccanica

 

 

Macchine utensili

Macchine a motore, generalmente su postazione fissa, usate per eseguire lavorazioni diverse su materiali solidi. Secondo una definizione restrittiva molto comune, sono considerate macchine utensili solo quelle impiegate per eseguire lavorazioni che implicano asportazione di materiale sotto forma di truciolo; viceversa, in un'accezione più estensiva del termine rientrano macchine di vario tipo, distinte in tre categorie: convenzionali ad asportazione di truciolo, convenzionali per deformazione plastica, non convenzionali.

Le macchine utensili ad asportazione di truciolo conferiscono al pezzo in lavorazione la forma e le dimensioni volute, asportando il materiale in eccedenza sotto forma di trucioli più o meno piccoli. Le macchine utensili per deformazione plastica modificano la forma del pezzo mediante varie lavorazioni che non implicano perdita di materiale, come la pressatura e lo stampaggio, la tranciatura e la punzonatura o la trafilatura e l'estrusione. Le macchine utensili non convenzionali impiegano energia luminosa, elettrica, chimica e acustica, gas surriscaldati e fasci di particelle ad alta energia per trattare i nuovi materiali artificiali sviluppati per soddisfare le necessità della tecnologia moderna.

Cenni storici

Si ritiene che le prime macchine utensili nel senso moderno del termine siano state l'alesatrice per superfici cilindriche interne, costruita verso il 1775 dal britannico John Wilkinson, e il tornio parallelo per filettature, sviluppato intorno al 1794 da Henry Maudslay. L'uso di queste macchine ricevette un notevole impulso intorno al 1830, quando Joseph Whitworth realizzò diversi strumenti di misura che garantivano una precisione dell'ordine di un centomillesimo di millimetro e consentivano la produzione in serie di articoli con parti sostituibili. I primi tentativi di produrre pezzi sostituibili si verificarono contemporaneamente in Europa e negli Stati Uniti, ed erano basati sull'uso delle cosiddette maschere per limatura, con le quali si potevano produrre molti pezzi limati a mano di dimensioni praticamente identiche; il primo sistema di vera produzione in serie si deve tuttavia allo statunitense Eli Whitney, il quale iniziò nel 1798 la produzione di 10.000 moschetti per l'esercito, tutti comprendenti parti sostituibili.

Nel XIX secolo le comuni macchine utensili (torni, limatrici, piallatrici, rettificatrici, segatrici, fresatrici, trapanatrici, alesatrici) raggiunsero un buon grado di precisione ed ebbero ampia diffusione nei paesi industrializzati.

Macchine utensili più grandi e precise furono costruite nei primi anni del XX secolo: a partire dal 1920 iniziò la produzione di macchine specializzate, che consentivano una produzione di serie a basso costo, potevano essere utilizzate anche da manodopera non specializzata, ma erano poco flessibili e non adatte alla lavorazione di prodotti differenziati o a cambiamenti di produzione. Per ovviare a questa limitazione, a partire dal 1950 si iniziò a progettare macchine utensili altamente versatili e precise, sempre più spesso comandate da una centrale computerizzata (le cosiddette macchine a controllo numerico, o digitale).

 

Tecnologia meccanica macchine utensili e lavorazioni meccaniche

 

 

Tecnologia meccanica macchine utensili e lavorazioni meccaniche

 

 

Macchine utensili convenzionali

 

 

Macchine utensili di base sono il tornio, la limatrice, la piallatrice e la fresatrice, mentre sono macchine ausiliarie le trapanatrici, le alesatrici, le rettificatrici, le segatrici e le varie macchine usate nelle lavorazioni per deformazione plastica.

Tornio

Il tornio, la macchina a moto rotatorio più antica e più diffusa, funziona tenendo in rotazione il pezzo in lavorazione, mentre un utensile tagliente ne asporta il materiale in eccesso rispetto alla forma voluta. L'utensile può essere fatto avanzare parallelamente o a varie angolazioni rispetto all'asse di rotazione, in modo da produrre superfici cilindriche o coniche. Dotato di vari accessori, il tornio può essere usato anche per produrre superfici piane, per forare, alesare o filettare.

Limatrice

La limatrice è una macchina a moto rettilineo alternativo usata solo per realizzare superfici piane. Nella corsa di lavoro l'utensile avanza sul pezzo fisso ed esegue un taglio (passata); nella corsa di ritorno retrocede alla posizione di partenza, dopo aver compiuto un piccolo spostamento laterale, quindi esegue un secondo taglio e così via. La limatrice è una macchina molto robusta, adatta per lavori di sgrossatura, con asportazione di una quantità rilevante di materiale a ogni passata, ma è relativamente lenta, per cui viene inserita raramente nelle linee di produzione; è invece utile nei reparti di utensileria e attrezzaggio e nelle piccole officine dove spesso vengono eseguiti lavori di sgrossatura e dove la necessità di produzione di pezzi identici è limitata.

Piallatrice

La piallatrice per metalli, utilizzata per spianare le superfici di pezzi di grandi dimensioni, è la più grande delle macchine utensili a moto alternativo. Funziona in modo molto simile alla limatrice: l'unica differenza è che in questo caso l'utensile è fisso mentre il pezzo si muove avanti e indietro. La piallatrice per legno, usata per ottenere una spianatura alquanto grossolana di assi o comunque di pezzi piuttosto lunghi, impiega un utensile costituito in genere da due lame fissate su un cilindro rotante ad alta velocità, che agisce come una fresa. Il pezzo deve essere spinto manualmente sul piano di lavoro, che presenta un'apertura trasversale dalla quale sporge la parte superiore dell'utensile. Se al piano di lavoro si contrappone, a un'altezza regolabile, un altro piano, in modo che fra i due piani resti uno spazio nel quale far passare il pezzo in lavorazione, si ottiene la cosiddetta piallatrice a spessore, usata per ridurre lo spessore del pezzo a un valore uniforme.

Fresatrice

Nella fresatrice il pezzo avanza contro un utensile rotante a taglienti multipli, disposti simmetricamente rispetto all'asse di rotazione. Normalmente la tavola portapezzo consente movimenti longitudinali, trasversali e verticali, ma può anche essere dotata di movimento rotatorio. Le fresatrici sono le macchine utensili più versatili, e possono lavorare con grande precisione superfici piane o sagomate, esterne o interne. La grande varietà degli utensili (frese) e la possibilità di combinare in vario modo le posizioni e l'avanzamento della tavola portapezzo consentono l'esecuzione di ogni tipo di scanalatura, compreso il taglio dei denti delle ruote dentate.

Trapani e alesatrici

Le macchine trapanatrici, più comunemente dette trapani, sono macchine molto versatili e possono avere le dimensioni e le forme più varie, dai piccoli trapani portatili a quelli frontali di grandi dimensioni, dai normali trapani a colonna alle unità multimandrino automatiche. L'utensile più impiegato è la classica punta elicoidale e l'operazione tipica è la foratura, ma secondo le necessità si possono impiegare utensili rotanti di vario tipo.

L'alesatura è una lavorazione con la quale si allargano fori già esistenti, principalmente allo scopo di migliorarne il grado di finitura. L'alesatura di piccoli fori si esegue con gli appositi utensili (alesatori) montati in genere su un trapano a colonna, mentre quella di fori grossi (di solito oltre 2 cm di diametro) si esegue sulle alesatrici. Queste sono strutturalmente simili ai trapani e possono essere verticali, orizzontali o universali (ossia con possibilità di variare la disposizione dell'asse di lavoro). In genere impiegano un utensile particolare, la barra alesatrice, che può lavorare su fori cilindrici o conici di notevoli dimensioni, ma possono anche eseguire filettature o scanalature circolari. Spesso sono automatiche e a utensili multipli.

Rettificatrici

La rettifica, una delle più comuni lavorazioni di finitura superficiale, consiste nell'asportazione di piccole quantità di materiale dal pezzo. L'azione è identica a quella della fresa, ma lo strumento rotante è costituito da una moltitudine di piccoli grani abrasivi, ognuno dei quali agisce come un utensile in miniatura. Questo processo assicura una finitura estremamente liscia e precisa.

Segatrici

Le segatrici a motore, dette comunemente seghe elettriche, si dividono in tre categorie principali, a seconda del tipo di utensile utilizzato per il taglio: alternative, circolari e a nastro. Le seghe alternative hanno un utensile a lama dentata diritta, tesa fra le estremità di un telaio, e trovano impiego nelle officine meccaniche per il taglio di barre, tubi ecc.; in particolare quelle di grandi dimensioni vengono utilizzate anche nelle segherie di legname. Le seghe circolari si usano quasi esclusivamente in falegnameria: l'utensile, un disco rotante a bordo dentato, serve a eseguire il taglio, ma può essere utilizzato anche per praticare scanalature diritte. Le seghe a nastro sono dotate di un lungo nastro d'acciaio, chiuso ad anello e teso fra due ruote (di cui una motrice) ad assi paralleli. Si usano prevalentemente in falegnameria ma anche in macelleria (per il taglio degli ossi) e per tagliare materie plastiche rigide.

Utensili e fluidi da taglio

Poiché il processo di taglio (ovvero il distacco di una parte di materiale sotto forma di truciolo) comporta intense sollecitazioni meccaniche e forte attrito, con conseguente grande produzione di calore, i materiali con cui sono realizzati gli utensili devono possedere requisiti di resistenza meccanica, tenacità, durezza e limitata sensibilità alle alte temperature; queste caratteristiche si ritrovano sia nei materiali ceramici di recente sviluppo (vedi Metalloceramica), sia in materiali tradizionali come gli acciai al carbonio, gli acciai rapidi, il carburo di tungsteno e il diamante.

In molte operazioni di taglio si usano fluidi refrigeranti e lubrificanti: il raffreddamento aumenta la durata dell'utensile e contribuisce a stabilizzare le dimensioni del pezzo finito; la lubrificazione riduce invece l'attrito, e quindi anche la produzione di calore e la potenza necessaria per eseguire la lavorazione. I fluidi da taglio sono in genere soluzioni acquose, oli chimicamente inerti e fluidi sintetici.

Macchine per deformazione plastica

Le macchine utensili convenzionali che operano mediante deformazione plastica del materiale, e dunque senza asportazione di truciolo, sono il maglio, la pressa, il laminatoio e la trafilatrice; vengono impiegate prevalentemente in siderurgia e nella fucinatura meccanica.

Macchine utensili non convenzionali

Sono definite non convenzionali le macchine utensili elettrochimiche e quelle ad arco, a raggio laser, a scarica elettrica, a ultrasuoni e a fasci di elettroni; sono usate soprattutto nella lavorazione delle leghe dure utilizzate nell'industria pesante e in quella aerospaziale, oppure per profilare e incidere i componenti di ridottissime dimensioni impiegati nell'industria elettronica.

Laser

 

Le macchine a raggio laser operano servendosi di un fascio di luce coerente di estrema precisione e alta potenza per vaporizzare del materiale in eccesso: sono particolarmente adatte per eseguire fori di grande precisione, anche su materiali ceramici e su spessori molto sottili, senza deformare il pezzo ed eseguono la saldatura di fili sottilissimi senza danneggiarli.

Scarica elettrica

Le macchine a scarica elettrica, note anche come macchine a elettroerosione, impiegano energia elettrica per asportare materiale dal pezzo senza toccarlo. Una corrente elettrica pulsante ad alta frequenza genera fra la punta dell'utensile e il pezzo una serie di sottili archi elettrici che vaporizzano piccole zone della superficie. Poiché non eseguono azione di taglio, queste macchine lavorano con estrema precisione, e consentono di ottenere forme non realizzabili con altri tipi di lavorazione.

Elettrochimica

Anche le macchine elettrochimiche impiegano energia elettrica per asportare materiale. In una soluzione elettrolitica si pone il pezzo da lavorare, che deve essere di un materiale conduttore, con funzione di anodo, mentre il catodo funge da utensile. Una differenza di potenziale applicata agli elettrodi genera una corrente di bassa tensione e forte intensità, che dissolve il metallo e lo elimina dal pezzo. Con questo procedimento si possono eseguire svariate operazioni, quali l'incisione, la tracciatura, la foratura e la fresatura.

Ultrasuoni

Le macchine a ultrasuoni impiegano vibrazioni ad alta frequenza e piccola ampiezza per eseguire fori e cavità varie. Un utensile di materiale relativamente tenero, preventivamente sagomato in negativo, cioè a forma speculare rispetto a quella che si vuole produrre nel pezzo, viene messo in vibrazione contro il pezzo stesso; tra quest'ultimo e l'utensile viene interposta una sospensione acquosa di polvere abrasiva, in modo che l'azione abrasiva delle particelle di polvere eserciti gradualmente l'operazione di erosione della superficie. Con queste macchine si possono lavorare materiali duri come acciaio temprato, carburo metallico, rubino, quarzo, diamante e vetro.

Fasci di elettroni

Nelle macchine a fasci di elettroni, impiegate nell'industria elettronica per incidere i circuiti dei microprocessori, un fascio di elettroni, accelerato a velocità pari a circa tre quarti della velocità della luce, viene diretto contro una zona accuratamente delimitata del pezzo: in seguito all'urto, l'energia cinetica degli elettroni si trasforma in energia termica, che fonde e vaporizza il materiale da eliminare, creando fori e incisioni. Il processo viene eseguito in una camera a vuoto per ridurre la diffusione degli elettroni da parte delle molecole di gas dell'atmosfera.

 

Micrometro calibro e tecnologia

La tecnologia studia il comportamento dei materiali. L’unità di misura + grande in meccanica è il millimetro e si usan degli strumenti che permettono di aprezzare le frazioni di millimetro.

Uno di questi strumenti è il calibro che è diviso in tre parti: una fissa, una mobile (corsoio)  e  l’asticina.

Nella parte fissa troviamo un becco verso l’alto e un becco verso il basso e i corrispondenti si trovano nella parte mobile.

I beccucci servono per misurare la lunghezza o il diametro, l’asticina serve per misurare le profondità.

I beccucci sono smussati alle estremità, perchè servono per misurare gli spazi più piccoli in modo che tocchino perfettamente anche l’interno delle circonferenze e non la corda sottesa tra i due punti d’incontro.

L’asticina, nei calibri più costosi è conica in modo da poter misurare perfettamente anche le profondità dei cilindri o delle punte dei coni.

Il micrometro è costtruito in acciaio inossidabile. L’acciaio è una lega carbone+ferro (potrebbero esserci altri elementi). L’acciaio dolce ha meno carbone dell’acciao duro.

Una lega viene definita acciaio quando contiene una percentuale di carbonio dal 0,2% a un massimo di 2%. In questo intervallo si classificano in acciai dolcissimi, dolci, duri, durissimi.

L’acciaio comune è una lega binaria mentre l’acciaio inossidabile è formato da tre elementi. Si definisce un acciaio inossidabile quando contiene Fe+C+Ni+Cr. Il nichel e il cromo sono due elementi che resistono all’usura alle alte temperature. Sulla parte fissa, troviamo una scala in basso divisa in mm e in alto troviamo una scala divisa in pollici. Un pollice ==25,4mm

sulla parte mobile o corsoi troviamo due scale una in basso e una in alto. Quella in basso prende il nome di Nonio. Ci sono tre tipi di calibro:

-deccimale che ha il nonio di 9 mm ed è diviso in 10 parti

-ventesimale che ha il nonio di 19mm ed è diviso in 20 parti

-cinquantesimale che ha il nonio di 49 mm ed è diviso in 50 parti.

Ci sono calibri più precisi ma il grado di difficolta di lettura e il tempo ne sconsigliano l’utilizzo.

Per misurazioni di precisione utilizziamo il micrometro.

Con il calibro possono capitare tre casi di lettura.

Se lo zero del nonio è sotto la tacchetta di un numero della scala in millimetri, la misura è esatta.

Se lo zero del nonio non è sotto la tacchetta di un numero, dobbiamo ricercare la tacchetta del nonio che coincide con una tacchetta della scala in millimetri. La misura sarà data dai millimetri letti sulla scala millimetrica+ la lunghezza letta sul nonio.

Può capitare che nessuna tacchetta del nonio coincida con la tacchetta della scala in millimetri e quindi la misura sarà per esempio 7mm +o- la sensibiità dello strumento.

 

Micrometro

Il più grande è di un centesimo di millimetro come sensibilità.

Quello che solitamente cambia è la portata dello strumento o campo di misura, che è la lunghezza minima e max della misura.

Si hanno le seguenti portare 0-25 25-50 50-75 75-100.

Prende il nome micrometro perchè funziona grazie all’accoppiamento di due viti micrometriche. Sono costruiti a intervalli di 25mm per limitare l’errore.

(Vedi disegno schede per la nomenclatura).

Il micrometro è composto da due scale una sfalzata di ½ mm dall’altra.

La controbussola con un giro di 360° si sposta di ½ millimetro.

La controbussola è guidata da una vite micrometrica.

In un giro completo della controbussola passano davanti alla linea di fede 50 divisioni..

Raccogliamo i dati e sappiamo che ogni giro si sposta di ½ millimetro e che ad ogni giro passano davanti alla linea di fede 50 divisioni.

Ogni tacchetta sarà quindi uguale a 0,5mm/50 divisioni=0,01mm.

L’approssimazione è uguale al passo della vite fratto numero di divisioni. 0,5mm/50divisioni=0,01 mm. Possiamo quindi dire che l’approssimazione è il passo della vite sono numericamente la stessa cosa, ma non concettualmente.

 

Flussòmetro

[flusso+-metro].

1) In fisica, apparecchio misuratore di flusso che si presenta in diverse strutture secondo i campi di impiego, corrispondenti in pratica a ciascuna delle accezioni della grandezza flusso. In partic., in elettromagnetismo, è sin. di magnetometro a induzione; in termologia, f. termico è termine talora usato per calorimetro. 2) Termine generico per indicare un apparecchio misuratore della portata di un fluido in un condotto. § Tecnica. Tipici f. sono i venturimetri e gli apparecchi da questi derivati; d'impiego diffuso sono anche i f. a galleggiante e quelli a turbina. I primi sono formati da un tubo in vetro contenente un galleggiante di peso e forma opportuni, all'interno del quale è fatto passare il fluido: la posizione di equilibrio assunta dal galleggiante nel tubo, funzione della velocità di flusso del fluido, determina la portata. I secondi sono costituiti da un tronco di condotto calibrato nel cui interno è installata un'elichetta misuratrice (molto usata per determinare la portata di combustibile fornita a un gruppo motopropulsore): il passaggio del fluido pone in rotazione l'elichetta, dal cui numero di giri si può risalire alla misura del flusso attraverso il condotto; questo f. fornisce essenzialmente una misura di portata in volume la quale, integrata da una misura di densità ottenuta da un densimetro, permette di giungere alla determinazione della portata in peso del fluido.

 

Dinamòmetro

[sec. XIX; dinamo-+-metro]. Apparecchio usato per la misurazione statica delle forze. I tipi più comuni di d. sono quelli a pendolo (a braccio variabile, a braccio fisso, differenziali) e a deformazione. Esistono inoltre d. il cui funzionamento è di tipo idraulico o elettrico. Nel d. a pendolo a braccio variabile il momento generato da una forza incognita F viene confrontato con quello dovuto a un contrappeso di valore noto P, rispetto a uno stesso fulcro O. A ogni valore della forza F corrisponde una particolare condizione di equilibrio, ossia un determinato valore dell'angolo a. Il valore di F può essere letto direttamente su una scala graduata S. Nel d. a braccio fisso la forza F viene applicata alla periferia di un settore circolare, e in tal caso si trova a una distanza r costante dal fulcro O. Anche in questo caso la posizione di equilibrio dipende dal valore della forza incognita. Il d. differenziale è costituito da due cilindri coassiali C1 e C2 rigidamente collegati tra loro. Sul cilindro C1 è avvolto un nastro di acciaio flessibile n1 fissato per un'estremità al supporto S, mentre sul cilindro C2 è avvolto, in senso opposto, un secondo nastro n2 alla cui estremità viene applicata la forza F incognita. Il braccio l che porta il contrappeso P è solidale con i cilindri. In condizione di riposo il braccio l è verticale. Quando si applica il carico F, l'insieme dei cilindri ruota e, avvolgendosi sul nastro n1, subisce un innalzamento dipendente dal valore di F. I d. a deformazione si basano sul principio di misurare la deformazione subita da un elemento quando è sottoposto all'azione della forza incognita che si vuol misurare. I tipi più comuni sono i d. a molla, nei quali l'allungamento o la rotazione della molla, proporzionale alla forza incognita, viene misurato con strumenti opportuni (a comparatore, a leva, pneumatici, ecc.). Nei d. idraulici l'elemento sensibile è costituito da una cella con un pistone scorrevole, piena di liquido del quale si misura la pressione raggiunta sotto l'azione del carico di compressione incognito. I d. elettrici si basano su misure galvanometriche di variazioni di tensione o di corrente provocate per effetto piezoelettrico o per induzione elettromagnetica.

 

La CORROSIONE

 

Si definisce corrosione il graduale deterioramento di un materiale ad opera di agenti chimico - fisici dell’ambiente con cui il materiale si trova a contatto.

Milioni di tonnellate di ferro vanno distrutte sotto forma di ruggine; impianti, apparecchiature, tubazioni... sono sempre esposti al rischio di un rapido deperimento o di danno a causa della corrosione.

Il ponte, preso da noi in questione, è tuttora inagibile essenzialmente a causa di questo grave problema.

Anche se ora  questo inconveniente è più controllato, all’epoca della costruzione del ponte l’unica protezione conosciuta contro la corrosione era l’applicazione di uno strato di vernice apposita dopo una accurata preparazione.

Lo scopo della preparazione era, ed è tuttora, quello di ripulire la superficie del metallo da ogni impurità estranea alla natura chimica del metallo, tra cui olio, grasso, eventuale ruggine...

I metodi conosciuti fino ad allora erano solamente:

• la pulitura a mano, la quale si ottiene mediante l’opportuna combinazione delle operazioni di martellatura, picchiettatura, raschiatura e spazzolatura;
• e la pulitura meccanica, effettuata con spazzole rotanti, attrezzi meccanici ad impianto e mole abrasive; con essa si raggiunge un risultato nettamente migliore a quella che si otterrebbe con la pulizia a mano, ed in ogni caso è quella più economica;

Mentre ora, oltre a questi metodi usati molto raramente, ci sono anche operazioni di:

• sfiammatura;
• sabbiatura: effettuata lanciando sulla superficie un getto di sabbia quarzifera o di graniglia metallica indurita;
• barilatura: i pezzi da pulire vengono fatti rotolare in un recipiente contenente sabbia quarzifera mista acqua;
• smerigliatura: i pezzi, uno alla volta, vengono puliti per l’azione di una mola o di un nastro abrasivo;                    
• decappaggio chimico: i pezzi vengono immersi in un bagno di soluzione acida che “corrode” e quindi elimina l’ossido superficiale;
• decappaggio elettrolitico: i pezzi immersi in un bagno elettrolitico costituito da acqua (75%) + acido solforico (25%). Il bagno è a temperatura ambiente o, per un’azione più energetica, alla temperatura di  30¸40 °C.  La corrente è a 3¸4 V e 5 A per ogni decimetro quadrato di superficie dei pezzi da disossidare;

Avvenuta la preparazione inizia uno dei processi che proteggeranno il pezzo dalla corrosione.

Al secolo scorso si conosceva solo il metodo che consisteva nell’applicazione di speciali pitture, anche se, dalla informazioni trovate riguardanti il ponte presupponiamo che all’epoca dei fatti non erano ancora precise le modalità di esecuzione che si dovevano usare.

Ora, invece, oltre a quello sopra accennati, se ne conoscono altri, tra i quali:

• Applicazioni di rivestimenti metallici che possono essere anodici e catodici;
• Placcatura, il quale consiste nel far aderire alla superficie da proteggere un lamierino di rivestimento;
• Protezione catodica;
• Zincatura;
• Rivestimenti con il PVD;

 

LA MALLEABILITA'

 

E' la proprietà dei corpi metallici di lasciarsi ridurre in lamine senza comparse di screpolature. Il metallo più duttile è l'oro; possono ottenersi lamine cosi' sottili da lasciar passare luce verdastra. In commercio si trovano fogli di circa 1/10 di micron. Più un metallo è malleabile e più resiste alla laminazioone. L'oro rosso a 250/1000 di rame non resiste cosi' bene alla laminazione come quando contiene 20-25/1000 di argento.

 

LA TEMPERATURA

 

 

 

La temperatura è la grandezza fisica che esprime lo stato termico di un sistema e che descrive la sua attitudine a scambiare calore con l'ambiente o con altri corpi. Quando due sistemi sono posti a contatto termico, il calore fluisce dal sistema a temperatura maggiore a quello a temperatura minore fino al raggiungimento dell'equilibrio termico, in cui i due sistemi si trovano alla stessa temperatura.

Il concetto di temperatura è associato all'idea di fornire una misura relativa di quanto i corpi risultino freddi o caldi al tatto. I termini temperatura e calore sono quindi correlati ma si riferiscono a concetti diversi: la temperatura è una proprietà di un corpo, il calore è una forma di energia che fluisce da un corpo a un altro per colmare una differenza di temperatura.

Per ottenere misure di temperatura si sfruttano generalmente metodi indiretti basati sugli effetti di processi di riscaldamento o raffreddamento; il metodo più usato consiste nella misurazione della dilatazione termica subita dai corpi. Il convenzionale termometro a mercurio misura la variazione di volume del mercurio posto in un capillare di vetro, quando viene messo in contatto termico con il corpo di temperatura ignota. L'allungamento della colonna di mercurio è proporzionale alla temperatura del corpo. Se si cede calore a un gas ideale contenuto in un recipiente a volume fisso, l'aumento di temperatura si può calcolare misurando la variazione di pressione nel recipiente (legge di Gay-Lussac).

 

Scale di temperatura

 

Una delle prime scale di temperatura fu studiata dal fisico tedesco Gabriel Daniel Fahrenheit. Nella scala Fahrenheit, al punto di congelamento (e di fusione) del ghiaccio è attribuito il valore di temperatura di 32 °F, e al punto di ebollizione il valore di 212 °F. Nella scala centigrada, o Celsius, introdotta dall'astronomo svedese Anders Celsius e impiegata nella maggior parte dei paesi, il punto di fusione corrisponde a 0 °C, quello di ebollizione a 100 °C. In ambito scientifico è più diffusa invece la scala assoluta, o Kelvin, inventata dal matematico e fisico britannico William Thomson Kelvin. In questa scala lo zero assoluto è a -273,15 °C (che corrisponde a 0 K) e l'intervallo di temperatura assegnato a un grado è uguale a quello della scala centigrada. La corrispondente scala Rankine, usata soprattutto nei paesi anglosassoni, pone lo zero assoluto a -459,67 °F, che corrisponde a 0 °R, e il punto di congelamento a 491,67 °R.

 

Effetti della temperatura

 

La temperatura è una delle grandezze che incidono pesantemente sulle condizioni di sopravvivenza degli esseri viventi. Gli uccelli e i mammiferi hanno un intervallo molto stretto di temperatura corporea che garantisce la sopravvivenza, e devono quindi proteggersi dagli eccessi di caldo e di freddo. Le specie acquatiche sopravvivono solo entro uno stretto intervallo di temperatura variabile da specie a specie. Ad esempio, un aumento di temperatura di pochi gradi dell'acqua di un fiume, dovuto al rilascio di calore da parte di un impianto di produzione di energia, può costituire un elemento di inquinamento idrico che provoca la morte di un gran numero di pesci.

Anche le proprietà chimiche e fisiche dei materiali risentono sensibilmente delle variazioni di temperatura. A temperature artiche ad esempio, l'acciaio diventa molto fragile e si rompe facilmente; i liquidi solidificano, oppure diventano molto viscosi, cioè meno fluidi. A temperature prossime allo zero assoluto, i materiali assumono proprietà molto diverse da quelle caratteristiche a temperatura ambiente. Ad alte temperature, i materiali solidi liquefanno o passano allo stato gassoso, e i composti chimici possono scomporsi nei loro costituenti elementari.

La temperatura dell'atmosfera si comporta diversamente a seconda che si considerino zone continentali o zone oceaniche. In gennaio ad esempio, le terre continentali dell'emisfero del Nord sono molto più fredde delle zone oceaniche delle stesse latitudini, mentre in luglio la situazione si ribalta. A basse altitudini poi, la temperatura dell'aria dipende principalmente dalla temperatura superficiale della terra. La temperatura degli strati più bassi dell'atmosfera è determinata non dai raggi diretti del sole che li attraversano, ma dal calore rilasciato dal suolo in seguito all'irraggiamento solare. Questo fenomeno spiega il motivo per cui la temperatura diminuisce all'aumentare della quota passando da un valore medio di riferimento di 15,5 °C a livello del mare (nelle zone temperate), ai -55 °C degli 11.000 m sul livello del mare. Al di sopra di questa quota, la temperatura rimane pressoché costante fino a 33.500 m. Per l'indice temperatura-umidità.

 

Prove di trazione:                                                          

(Normativa UNI EN 10002)

Le prove di trazione, servono per determinare il comportamento meccanico di un materiale soggetto a sollecitazioni di trazione statica (chiamata anche “azione assiale”), applicata nel baricentro della sezione del materiale e agente secondo la direzione dell’asse del corpo. Queste prove vengono effettuate su speciali provini cilindrici o prismatici, nella parte centrale, al fine di poterne misurare l’allungamento e la resistenza.

Esiste una relazione tra la forza (corrispondente alla resistenza del provino) e l’allungamento, tale relazione ci fornisce importanti informazioni su alcune delle proprietà meccaniche caratteristiche del materiale preso in esame:

• Limite di snervamento
• Resistenza alla trazione
• Allungamento a rottura
• Strizione

La deformazione del materiale viene rappresentata in grafici in rapporto con lo sforzo, di cui la prima misura è rappresentata in percentuale e la seconda in Kg/mm q., questi grafici sono basati sulla legge elastica di Hooke, la quale ci permette di calcolare la deformazione subita dal materiale sottoposto ad una determinata forza.

Vengono usati provini di diverse sezioni per poterli confrontare tra loro e stabilire quindi un rapporto della lunghezza rispetto al diametro. Un apposito macchinario applica al provino un carico crescente con continuità, fino al verificarsi di deformazioni permanenti: la resistenza alla trazione è la forza massima raggiunta, riferita alla sezione iniziale. Le variazioni che si producono nella prova vengono registrate in appositi grafici di forza-allungamento; nel momento in cui il provino si rompe viene calcolata la dilatazione a rottura, corrispondente all’allungamento espresso in percentuale della lunghezza utile originaria, e la strizione a rottura, corrispondente alla riduzione di sezione espressa in percentuale della sezione iniziale. Per i materiali di cui non è specificato il limite di snervamento viene utilizzato il valore convenzionale 0,2. Con un apparecchio per la misura della dilatazione, regolato con carichi progressivi, si stabilisce la tensione che provoca una deformazione permanente dello 0,2 %. In modo analogo, si determina il limite di elasticità, come la tensione che produce una dilatazione permanente dello 0,01 %.

Le prove di trazione si compiono su elementi quali catene, ganci, asole, funi, giunzioni saldate, chiodature; esse vengono effettuate anche sulle saldature, ma questo è un argomento più complesso che per il momento non prendiamo in considerazione.

 

I macchinari utilizzati per la prova di trazione:

I macchinari per la prova di trazione servono per determinare la resistenza a sollecitazioni statiche dei vari materiali metallici. Questi macchinari sono costituiti da un’incastellatura, dal dispositivo per l’applicazione del carico, dagli organi per il fissaggio del provino o dell’elemento e dagli strumenti per la misura della forza. Le macchine solitamente usate per la prova di trazione sui metalli possono applicare carichi da 1000 Kg fino a 40.000 Kg; esse sono classificate in base alla portata di carico che possono applicare al materiale:

• Piccole da 1 kg fino a 400 kg
• Medie da 1000 kg fino a 40000 kg
• Pesanti campi di 100.000 kg e oltre
• Speciali da 1 g fino a 100 o 200 g con elementi di fissaggio controbilanciati
• Speciali da 1 kg fino a 1000 o 2000 kg, costruite con principi diversi dai precedenti sopra descritti, per consentire al macchinario un elevato campo di forza nella trazione.

 

Descrizione del macchinario:

Un incastellatura con asse verticale sostiene l’organo di fissaggio superiore, che viene azionato tramite un dispositivo pendolare, con un braccio di leva corto, quasi orizzontale. Il piano del pendolo è situato generalmente dietro all’asse della macchina, per evitare che esso possa urtare il

provino e le teste di fissaggio. Un albero filettato è collegato ad un ingranaggio di rinvio a ruote elicoidali che permette di comandare il funzionamento della macchina. Durante la prova tale albero si sposta verso il basso, in modo tale da esercitare, tramite il provino, una forza traente sulla testa di fissaggio superiore a cui è collegata un estremità del materiale da testare, e rispettivamente sul fulcro posto nella parte superiore della macchina, il pendolo che è collegato al fulcro, si sposta in corrispondenza. Per una escursione completa del pendolo, il fulcro si abbassa da 1 mm fino ad un massimo di 2 mm. Affinché il pendolo, alla rottura del provino, ritorni indietro senza provocare danni, bisogna disporre di un elemento smorzante.

Le macchine per la prova di trazione di 2000 Kg e oltre, sono costruite prevalentemente come macchine di prova universali. Esistono delle macchine portatili che però esercitano solo forze minime (fino a 1Kg), mentre la grande maggioranza, comprese le già citate macchine di tipo leggero (da 1 kg in su) hanno l’asse verticale e quindi sopportano una maggiore portata di carico. In queste macchine il peso, a causa del basamento, è spesso circa il doppio della forza massima di trazione; soltanto nelle macchine per prove di trazione a 100kg e oltre, la forza di trazione supera di circa 20 volte il peso della macchina.

Considerati gli urti inevitabili per la rottura del provino, gli snodi e i morsetti devono essere molto robusti e tali da sopportare anche forze di attrito di valore variabile. Le macchine per la prova di trazione appartengono in generale alla prima classe e devono presentare al massimo un errore di misura del 1%. Si raggiungono limiti di errore ancora più stretti (0,5%), con macchine per la prova di trazione, munite di dinamometri a pesi scorrevoli (presente nei modelli più recenti).

 

Cenno alle proprietà meccaniche:

Le proprietà meccaniche riguardano la resistenza dei materiali a determinate sollecitazioni che tendono a deformarli. La misura di queste proprietà si effettua con prove meccaniche in cui sono applicate determinate sollecitazioni, per un certo periodo di tempo, su dei provini del materiale da esaminare. In base al modo e al tempo in cui sono applicate le sollecitazioni, le prove meccaniche si classificano in:

• Statiche: la sollecitazione è applicata in modo gradualmente crescente in un tempo variabile da alcuni secondi a qualche minuto. Esempio: trazione, compressione, durezza.
• Dinamiche: la sollecitazione è applicata in un tempo brevissimo
• Periodiche: la sollecitazione è applicata con un’intensità variabile, in una frazione di secondo e per un numero elevato di cicli.
• Scorrimento: la sollecitazione è applicata con un’intensità costante, per un tempo di migliaia di ore, a temperatura più o meno elevata.

 

 

PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO DELLE FOTOCELLULE

 

Le fotocellule rappresentano uno dei sistemi più diffusi per il rilevamento di oggetti senza contatto.

Il principio di rilevamento nei sistemi fotoelettrici, nel nostro caso le fotocellule, consiste nel permette o impedire a un elemento ricevitore di “vedere” un fascio di luce emesso da una particolare sorgente.

Le fotocellule possono essere divise in quattro tipi base, in funzione alla relazione che intercorre tra l’oggetto da rilevare e la luce, ovvero a:

 

• Sbarramento
• Riflessione
• Reflex
• Riflessione definita

 

• Nelle fotocellule a sbarramento (rilevamento a fascio passante), l’emettitore e il ricevitore sono posti su lati opposti rispetto al punto nel quale l’oggetto deve essere rilevato; il rilevamento a luogo quando un oggetto interrompe il fascio di luce tra trasmettitore e ricevitore.
• In quelle a riflessione, le funzioni sorgente e ricevitore sono incluse nella stessa custodia, qui il fascio di luce emesso dalla sorgente viene diretto su un catarifrangente il quale, grazie alla sua superficie speculare prismatica a 90 gradi, lo riflette e rimanda verso il ricevitore.

      Il rilevamento a luogo quando un oggetto interrompe il fascio luminoso emesso

      o di ritorno fra il sensore e il catarifrangente.

Questo sistema risulta più pratico in quanto si può evitare il cablaggio di un altro componente, sostituito dal catarifrangente.

• Quelle a reflex, si basano sullo stesso principio di quelle a riflessione, solo che in questo caso, la fotocellula rileva il fascio luminoso direttamente riflesso dall’oggetto da rilevare e non è quindi necessario utilizzare il catarifrangente.
• Quelle a riflessione definita hanno struttura e modo di rilevamento uguali a quelle a reflex, solo che in questo caso il fascio luminoso sorgente e il campo visivo dell’emettitore sono localizzati su un punto comune specifico, quindi l’oggetto da rilevare deve essere in una posizione definita per poter effettuare la riflessione.

 

Lavorazioni meccaniche con asportazione di truciolo

PARAMETRI DA CONSIDERARE

Generalmente:

-          in sgrossatura a elevati e Vt basse; la profondità di passata p viene scelta in modo da ridurre al minimo il numero di passate;

-          in finitura  a bassi e Vt elevate; la profondità di passata p sarà bassa perché deve essere bassa la sezione del truciolo q = a × p.

NB. Se possibile eseguire il numero di passate previste con p = cost; inoltre attenzione sempre al sovrammetallo da lasciare per la successiva lavorazione.

CORROSIONE

 

 

 

 

• Dopo aver definito il concetto di durezza, elencare i tipi di prova per MACRODUREZZA e MICRODUREZZA industrialmente utilizzati descrivendone le diverse tipologie.

La durezza viene definita, in campo metallurgico, come la resistenza alla penetrazione superficiale. Vi possono essere prove di durezza per penetrazione statica (quando il carico viene applicato lentamente in un tempo predeterminato) e prove di durezza per penetrazione dinamica. Quelle per penetrazione statica sono di maggior interesse ai fini industriali. Le prove possono essere ulteriormente suddivise in prove di MACRODUREZZA, quando l’impronta provocata dal penetratore interessa un grande volume del materiale, e MICRODUREZZA quando il volume interessato è esiguo. Per la macrodurezza possiamo elencare la prova Brinell (HBS, HBW), la Vickers (HV), la Rockwell (HRB, HRC); per quelle di microdurezza la prova Vickers (HV) e la Knoop (HK). Le varie prove differiscono per il tipo di penetratore (forma e materiale), per il valore del carico applicato, per le modalità di applicazione dello stesso e per il tipo di parametro da rilevare.

 

• Motivare la attendibilità della prova Jominy nella definizione di temprabilità per gli acciai.

La  temprabilità, attitudine ad assumere struttura martensitica, non viene individuata con il valore massimo di durezza, che dipende principalmente dal tenore di carbonio, ma dal suo andamento, dall’esterno verso il cuore del pezzo. La prova Jominy è attendibile nella definizione di temprabilità, purché non troppo bassa o troppo elevata, in quanto essendo la provetta sottoposta, dalla parte temprata in acqua alla parte “temprata” in aria (quella in prossimità del collare) a diverse velocità di raffreddamento avrà, nelle varie sezioni, diverse strutture, da quella martensitica a quella di equilibrio (ferrite + perlite, perlite + cementite) e dunque valori di durezza diversi. Se questi diminuiscono gradualmente significa che le curve di Bain dell’acciaio in prova sono spostate verso destra e quindi con valore di Vs, velocità critica di tempra  ossia più piccola velocità alla quale si ottiene una struttura completamente martensitica, basso.

 

• Determinare il carico unitario di rottura a trazione di un materiale che durante la prova ha presentato i seguenti carichi:
• carico massimo 5000 daN;
• carico all'istante della rottura 3800 daN.

Le dimensioni della provetta sono: do=10 mm, Lo=50 mm. Supportare la risposta aiutandosi con un diagramma.

Per determinare il carico unitario di rottura a trazione, detto anche resistenza a trazione, occorre considerare il carico massimo Fm raggiunto nella condotta della prova e rapportarlo all’area della sezione iniziale  S0 della provetta. Il valore così determinato è di tipo convenzionale ed è a favore della sicurezza in quanto il vero carico di rottura è dato dal rapporto fra il carico ultimo all’istante della rottura e la sezione ultima, sempre minore rispetto a quella iniziale per il fenomeno di strizione. La strizione si può ritenere trascurabile se il materiale presenta una rottura fragile: in questo caso il vero valore di rottura è prossimo a quello reale.

 

Dunque:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Perché la temperatura è importante nella condotta della prova di resilienza? Rappresentare un ipotetico diagramma temperatura T[°C], resilienza KU[J].

La resilienza, resistenza agli urti, è notevolmente influenzata dalla temperatura e, in generale, la resilienza aumenta se aumenta la temperatura. Vi sono particolari casi in cui, in certi ambienti in presenza di idrogeno, la resilienza diminuisce nonostante un aumento di temperatura (fragilità da idrogeno).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Quali sono le principali condizioni di prova per la rilevazione della durezza con il metodo Brinell?

Le principali condizioni di prova per il metodo Brinell sono:

• temperatura di prova: (23±5) °C;
• diametro D[mm] della sfera (penetratore di acciaio temprato simbolo HBS, di carburi metallici WC simbolo HBW) di valore unificato e massimo compatibile con le dimensioni della provetta o del pezzo in prova;
• carico di prova F[N] legato al diametro D[mm] del penetratore e al materiale in prova con una legge del tipo  dove k è un valore unificato ed è in funzione del materiale;
• il diametro d[mm] dell’impronta lasciata a carico tolto è legato al diametro D[mm] con una legge del tipo ;
• le distanze fra le impronte e/o bordo e lo spessore del pezzo devono essere tali da non influenzare la prova.

 

• Processo di determinazione del modulo di elasticità longitudinale E (modulo di Young). Descrizione dei passi fondamentali.

Per determinare il modulo di elasticità longitudinale E occorre avere a disposizione:

• la macchina universale con il corredo usuale e la provetta: forma e dimensioni L0, S0;
• un estensimetro con amplificazione F.A.E. (ad esempio 250).

Si traccia il diagramma arrestandosi al tratto rettilineo leggendo il carico raggiunto Fp.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Si determinano i fattori di scala

 

 

NB. Il fattore di scala degli allungamenti è l’inverso del fattore di amplificazione F.A.E.; i mm* sono i millimetri di rappresentazione.

Si determinano:

 

 

Utilizzando la legge di Hooke avremo:

 

  e quindi il valore cercato le cui unità di misura saranno daN/mm2.

 

• Descrivere la prova di resilienza: in cosa consiste e relativa (per il progettista) utilità.

La prova di resilienza (resistenza agli urti) consiste nel rompere con un sol colpo una provetta di forma e dimensioni opportune. Con il metodo Charpy la rottura deve avvenire per urto a flessione. La provetta possiede un intaglio nella sua mezzeria: tale intaglio è collocato dalla parte delle fibre tese e serve da innesco alla rottura favorendola. La macchina di prova è un maglio a caduta pendolare detto pendolo di Charpy. La macchina possiede una energia potenziale controllata (esempio 300 J) nonché una altezza di caduta, anch’essa controllata, che determina la velocità di impatto mazza – provetta. La temperatura di prova deve essere, salvo diversa specificazione, compresa fra 18 e 28 °C. Se la provetta non si rompe sul certificato di prova si riporterà la scritta: “provetta non rotta con .... J”. Tale prova fornisce dunque un indice di qualità dinamico e serve al progettista quando il pezzo dovrà subire (o rischierà di subire) nella sua vita urti o strappi improvvisi. Per il progettista è anche importante conoscere la temperatura di transizione ovvero la temperatura alla quale si ha il passaggio da rottura duttile a rottura fragile.

 

• Presentazione dei risultati ottenuti con la prova Jominy e relativa analisi.

I risultati ottenuti da una prova Jominy sono collocati su un diagramma dJ (distanza jominy), durezza (punti HV o punti HRC). La dJ[mm] rappresenta la distanza dalla parte temprata in acqua. Il diagramma sarà del tipo seguente:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Viene data per un certo tipo di acciaio la banda Jominy (ricordo che la prova Jominy va bene per acciai a media o bassa temprabilità) e questo perché sotto la sigla dell’acciaio vi sono i campi di variazione degli elementi che formano l’acciaio stesso e quindi ogni colata può dare luogo ad un acciaio più o meno temprabile. Talvolta vengono dati gli indici Jominy ovvero le durezze ad una certa distanza. Esempio:

J45-15 significa che la durezza di 45 HRC si ha alla distanza di 15 mm (JHV450-15 durezza 450HV a 15 mm). Sarà più temprabile l’acciaio che a parità di distanza avrà una durezza maggiore o a parità di durezza avrà una distanza maggiore.

• Al fine di rilevare la durezza di un pezzo cementato quale tipo di prova sceglieresti?

L’operazione di cementazione, detta anche carbocementazione, è un trattamento termo-chimico di diffusione che viene eseguito su acciai a basso tenore di carbonio (minore di 0,20%) in un ambiente che cede carbonio in modo da portare lo strato superficiale del pezzo ad un tenore di carbonio di 0,8¸0,9%.  Il risultato sarà quello di conferire al pezzo una durezza superficiale elevata mantenendo un cuore tenace.

Poiché la durezza viene ottenuta con una tempra martensitica sarà necessario rilevare tale valore con metodi di prova il cui penetratore è di diamante. Tale scelta ricadrà, se lo spessore efficace di cementazione è minore di 0,4 mm, sulla prova Vickers o Knoop [con bassi carichi F£9,8 N (ex 1 kgf))]  o, meglio per motivi di costi e se lo spessore efficace lo consente (0,15¸0,40 mm), sulla prova Rockwell con metodo N ovvero HR15N che utilizza un carico F0=29,4 N (ex 3 kgf) F1=117,7 N (ex 12 kgf) con un carico totale di F=F0+F1=147 N (ex 15 kgf). Se lo spessore efficace è maggiore di 0,4 mm si ricorre alla prova HRC o alla HV30.

NB. Lo spessore efficace è la distanza della superficie esterna dello strato indurito dal punto in cui la durezza di questo assume il valore convenzionale di riferimento di 550HV1. Questo valore potrà essere concordato con il committente.

 

• Perché il metodo ROCKWELL è, industrialmente, il più utilizzato per rilevare la durezza dei vari materiali. Supportare tale scelta con esemplificazioni.

Il metodo Rockwell è il metodo di macrodurezza, a livello industriale, maggiormente utilizzato perché permette di ottenere un valore di durezza del particolare (pezzo o provino) in tempi brevi e solo con l’ausilio del durometro. La prova Brinell e la prova Vickers necessitano oltre al durometro anche di uno strumento per rilevare le dimensioni dell’impronta. Una volta rilevate, diametro o diagonale, occorrerà utilizzare formule o tabelle per giungere al valore di durezza. Per la prova Rockwell invece sul durometro si legge direttamente il valore di durezza: quindi anche l’operatore può essere non qualificato. Dunque i costi per l’attrezzatura e per la manodopera sono decisamente inferiori rispetto alle altre tipologie di prove per macrodurezza.

 

• Quali sono le prove di durezza utilizzate per costruire i diagrammi di temprabilità? Giustificare le scelte.

Poiché la temprabilità rappresenta la capacità da parte dell’acciaio di assumere struttura martensitica ed essendo la martensite la struttura più dura  sarà necessario ricorrere o alla prova di durezza Vickers o alla prova di durezza Rockwell di tipo C. Entrambe le tipologie di prova hanno come materiale del penetratore il diamante che è il materiale più duro conosciuto: quindi permettono di rilevare valori di durezza elevati.

 

• Quali sono i parametri derivabili da una prova di trazione statica e quali sono le condizioni da evidenziare nel certificato di prova stesso. Tracciare sul medesimo piano allungamenti - carichi la risposta di un acciaio di identica composizione chimica negli stati ricotto e temprato.

I parametri rilevabili da una prova di trazione statica sono:

• il carico unitario di rottura a trazione, resistenza a trazione, Rm o sR;
• il valore dell’allungamento percentuale dopo rottura A;
• il valore del coefficiente di strizione Z;
• il carico di snervamento, se presente oppure i carichi alternativi quali Rp0,02%, Rr0,02%, Rt0,02%;
• il lavoro di deformazione e rottura (area sottesa dal diagramma nel piano DL,F) che rappresenta la tenacità;
• il modulo di elasticità longitudinale o di Young E.

 

Nel certificato di prova andranno evidenziate accanto alle attrezzature utilizzate (macchinari, strumenti):

• il nome dell’operatore;
• la data;
• il tipo di provetta: forma, dimensioni, “storia”;
• la temperatura di prova;
• la velocità di applicazione del carico;
• il tipo di frattura.

Il diagramma richiesto è il seguente:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Elencare, giustificando, secondo valori di durezza crescenti le seguenti rilevazioni ottenute su materiali diversi: 350HV, 20HRC, 280HBS, 80HRB.

I valori di cui sopra sono derivati da prove di macrodurezza. Ipotizzando che le prove siano state eseguite su materiali ferrosi avremo i seguenti legami, ottenuti da comparazioni statistiche, tra le varie durezze:

            Se minori di 200 punti brinell:

                                           

            Se superiori a 200 punti brinell:

         

Otterremo convertendo tutto in punti vickers:

 

20 HRC»200 HV               280 HBS»280 HV                   80 HRB»160 HV

 

Quindi disponendo in modo crescente: 80 HRB<20 HRC<280 HBS<350 HV.

NB. Nelle comparazioni possiamo affermare maggiore o minore durezza ma mai il doppio, il triplo, la      metà....

 

• Tracciare su un piano cartesiano, con in ascissa il fattore tempo, il confronto fra prove STATICHE, DINAMICHE, PERIODICHE.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Definire le prove convenzionali, simulate, reali; elencarle poi nella successione logica.

Le prove convenzionali si propongono la determinazione di valori numerici utili al confronto, alla classificazione, alla selezione ma indipendenti dalle condizioni di impiego e di funzionamento. Debbono essere condotte nel rigoroso rispetto delle norme previste; le prove simulate si propongono lo studio dei parametri che regolano le leggi di resistenza di un materiale, un particolare, un complessivo sollecitati in condizioni prossime a quelle di impiego. Le prove reali si propongono di studiare il comportamento del materiale, del particolare, del complessivo nelle effettive condizioni di sollecitazione. L’ordine sarà dunque il seguente: 1) convenzionali, 2) simulate, 3) reali. Infatti con le prime si classificano i materiali, con le seconde si definiscono le condizioni ottimali, con le terze si verificano i risultati.

 

• Evidenziare sul diagramma ALLUNGAMENTI - CARICHI il carico di snervamento.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Proprietà meccaniche e tecnologiche: definizione ed esempi.

Le proprietà meccaniche indicano l’attitudine di un materiale a sopportare l’azione di sollecitazioni esterne, statiche o dinamiche, che tendono a romperlo o a deformarlo. Sono la resistenza a trazione, compressione, flessione, torsione, taglio, a fatica, agli urti (o resilienza), alla penetrazione superficiale (o durezza). Le proprietà tecnologiche indicano l’attitudine di un materiale a “lasciarsi lavorare” in un certo modo con un determinato processo.  Sono la plasticità e quindi la malleabilità, la duttilità, la piegabilità, la fusibilità, la saldabilità, la truciolabilità.

 

• Giustificare la seguente affermazione riferita al metodo Vickers: “Questo metodo estende e perfeziona il metodo Brinell”.

I limiti della prova Brinell erano inizialmente dovuti al materiale della sfera: acciaio temprato (ora questi limiti sono in parte superati con la sfera di carburi di wolframio sinterizzati). Questo non permetteva di rilevare la durezza dei nuovi materiali, sempre più duri necessari per lo sviluppo tecnologico. Inoltre la variazione dell’angolo d’attacco determina una distribuzione delle pressioni locali che modifica il valore della durezza; questa variazione è in parte controllata dalle due condizioni:

 

         .

Il metodo Vickers utilizzando come materiale del penetratore diamante permette di rilevare durezze su quasi tutti i materiali (il diamante è infatti il materiale più duro conosciuto) e scegliendo come forma del penetratore una piramide retta a base quadrata con angolo tra le facce opposte di 136° (angolo ideale per la prova Brinell) permette di mantenere la distribuzione delle pressioni costante: entro certi limiti posso modificare il carico di prova senza che il valore di durezza si modifichi. Causa però l’esiguità dell’impronta la prova Vickers non va bene per materiali eterogenei. Diventa però un vantaggio perché potrebbe essere una prova non distruttiva e può diventare metodo di prova per microdurezza.

 

• Spiegare la differenza fondamentale fra il  metodo Rockwell e i precedenti Brinell e Vickers.

Il metodo Brinell ed il metodo Vickers riconducono la durezza ad una pressione media ricavata dal rapporto fra la forza applicata in opportune condizioni e la superficie laterale dell’impronta lasciata a carico tolto. Il metodo Rockwell relaziona la durezza alla deformazione permanente ottenuta sotto lo stesso carico dopo aver impresso un carico aggiuntivo. Quindi mentre le dimensioni della durezza ottenuta con le prove Brinell e Vickers sono quelle di una pressione, le dimensioni della durezza ottenuta con il metodo Rockwell sono quelle di una lunghezza determinata in unità opportune.

 

• Radioscopia, radiografia, gammagrafia: confronti, analogie, differenze

Quando il termine è scopia significa vedere (guardo l’immagine su uno schermo), quando il termine è grafia significa scrivere (l’immagine è “stampata” su una lastra).

Una prima differenza tra radiografia e gammagrafia è che l’una utilizza raggi X, l’altra utilizza raggi gamma;  questi si differenziano per la loro origine: i raggi X sono generati artificialmente in particolari tubi catodici, mentre i raggi gamma sono emessi naturalmente da elementi chimici (radioisotopi naturali o artificiali). I raggi gamma possono essere utilizzati in un qualsiasi ambiente con qualsiasi condizione (molto usati in campo aperto), mentre i raggi X hanno necessariamente bisogno di una fonte di energia. Cambierà anche la capacità di penetrazione: se i raggi X non superano i 70 mm di spessore, i raggi gamma arrivano anche a 180 mm (naturalmente la massa volumica del materiale del particolare in esame influenza molto lo spessore di penetrazione). 

 

• Quando non presente sul diagramma derivato da una prova di trazione statica il carico di snervamento quale procedimento è necessario seguire per un progettista?

Un digramma che non presenta lo snervamento sarà del tipo:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sarà necessario determinare uno dei tre tipi di carichi sotto elencati (dipende dal committente):

 

• Fp0,02%;
• Ft0,02%;
• Fr0,02%.

 

Ad esempio per determinare Fp0,02% si procede nel modo seguente:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Per determinare con minor incertezza Fp0,02% occorre usare l’estensimetro e fermare la prova prima di raggiungere il carico massimo (si arresta dopo aver superato il limite elastico).

NB. Il valore 0,02% è un valore convenzionale, può essere scelto anche diverso; ad esempio 0,05%.

 

 

• Quali sono i fattori che influiscono sulla resistenza a fatica?

I fattori agenti sulla resistenza a fatica sono:

• lo stato di sforzo (composto o meno);
• l’ampiezza dei cicli di carico;
• la dimensione dei grani del materiale (quindi il trattamento termico subito dal materiale);
• la presenza di intagli;
• lo stato superficiale, ovvero la rugosità superficiale;
• le dimensioni del componente stesso.

 

• Quali sono i mezzi a disposizione di un progettista per aumentare il limite di fatica per un particolare meccanico?

Per migliorare la vita a fatica il progettista ha a disposizione le seguenti opzioni:

• scelta della geometria;
• scelta del materiale;
• miglioramento della finitura superficiale;
• introduzione di tensioni residue superficiali;
• uso di trattamenti termici.

 

• Cosa studia la metallografia e come si può distinguere?

Studia la struttura dei materiali metallici per giudicare la composizione, la forma, la dimensione, la distribuzione dei singoli costituenti strutturali. Si può distinguere in analisi macroscopica se fatta ad occhio nudo o con deboli ingrandimenti (minori di 25X), microscopica se eseguita con forti ingrandimenti con l’ausilio di un microscopio ottico o elettronico (necessario per ingrandimenti superiori a 2000X). Se l’analisi comporta la ripresa di fotografie diventa analisi micrografica. Per lo studio microstrutturale si ricorre all’analisi roentgengrafica, fatta con i raggi X.

 

• Nell'industria moderna sono sempre più utilizzati i metodi di controllo non distruttivi. Motiva questo tipo di scelta industriale.

I metodi di controllo non distruttivi sono quei metodi che non modificano la forma, la dimensione e le proprietà del pezzo. Sono metodi che possono essere applicati in tutte le fasi del ciclo di lavorazione (permettono di rilevare eventuali difetti presenti nel manufatto che possono portare allo scarto del manufatto stesso, senza procedere a ulteriori lavorazioni, oppure a una sua "rigenerazione") ovvero su pezzi in opera (controllando la funzionalità del particolare stesso). La scelta di questi metodi è dettata principalmente da fattori di tipo economico e da fattori di sicurezza (che poi al limite sono riconducibili anch'essi a fattori di tipo economico). Arrestando il processo produttivo di un particolare si possono evitare, infatti, tutte le ulteriori lavorazioni; si può anche, trovato il difetto, procedere alla sua correzione e, quindi, non scartare il manufatto, che possiede già un costo intrinseco. Conoscendo, poi, "tutto" del materiale si ha la possibilità di ottimizzare le prestazioni ottenendo il minimo ingombro e la minima massa delle strutture. Infine poiché questi controlli possono essere effettuati anche in servizio è possibile tenere sotto controllo tutti gli impianti ad alto rischio ambientale, quali gli impianti chimici e le centrali nucleari. I metodi di controllo non distruttivo più utilizzati sono: i liquidi penetranti, la magnetoscopia, le correnti indotte, gli ultrasuoni, la radiografia.

 

• Ultimamente nel processo di fabbricazione sono entrati procedimenti di lavorazione che operano asportazione di materiale mediante azioni non meccaniche, adottando cioè principi non consueti. Delineare, a tuo parere, quali sono i motivi di queste scelte e descrivere, con qualche tipo di applicazione, alcuni di questi processi.

I procedimenti di fabbricazione per asportazione di truciolo generalmente adottati prevedono l'azione meccanica di uno strumento chiamato utensile, che deve essere più duro del materiale che si sta lavorando e che viene a contatto diretto con il pezzo stesso. La nascita di nuovi materiali, la necessità di lavorare materiali molto duri e l'esigenza di realizzare particolari operazioni in tempi ridotti, ha prodotto nuovi procedimenti di lavorazione per asportazione di truciolo che non utilizzano il diretto contatto utensile-pezzo. Fra questi procedimenti possiamo ricordare:

• la fresatura chimica: asportazione di materiale attraverso una corrosione controllata; procedimento nato nel settore aeronautico per lavorare leghe leggere in manufatti nei quali è difficile raggiungere le varie parti in modo convenzionale; per ogni materiale da lavorare ci sarà il giusto reagente (acido o base) applicato per un tempo opportuno; industrialmente il procedimento è adottato per le leghe leggere a base di alluminio;
• le lavorazioni con fasci energetici; tra i fasci energetici possiamo ricordare il raggio laser, il fascio elettronico, il plasma. Indirizzando opportunamente la direzione del fascio e "giocando" sulla sua intensità si possono eseguire le più svariate lavorazioni, tra le quali possiamo ricordare le operazioni di foratura, di contornatura, di saldatura, di trattamento termico superficiale,…praticamente su quasi tutti i materiali, anche quelli estremamente duri quali le superleghe, i carburi, il diamante;
• l'elettroerosione: una asportazione di truciolo, ottenuta attraverso scariche di intensità e frequenza controllate, eseguita su materiali conduttori o resi conduttori al fine di ottenere forme particolari, quali gli stampi.

 

• Elencare, distinguendole, le fasi e le strutture presenti nel corso dei trattamenti termici degli acciai comuni al carbonio.

Fase: omogeneo; struttura: insieme di una o più fasi.

Fasi: austenite, ferrite (a, b), cementite (secondaria, terziaria), martensite.

Strutture: austenite, ferrite (a, b), cementite (secondaria, terziaria), martensite, bainite superiore, bainite inferiore, perlite (grossolana, fine, finissima; lamellare, globulare), sorbite. [la troostite, termine proscritto, è perlite finissima].

 

• Materiale necessario, con la relativa motivazione, per eseguire una prova di resilienza.

Al fine di eseguire una prova di resilienza (resistenza agli urti) sono necessari le seguenti attrezzature e/o strumenti:

• pendolo di Charpy: maglio a caduta pendolare con energia disponibile e velocità di caduta controllate;
• dispositivo per collocare la provetta secondo prescrizione della normativa o del desiderato da parte del committente;
• termometro per rilevare la temperatura della prova: normalmente deve essere compresa fra 18 e 28 °C;
• provetta unificata o secondo l’esigenza del committente (meglio se con il relativo processo di fabbricazione e composizione chimica conosciuti) e strumenti di misura (calibri) necessari per rilevare le “giuste” dimensioni.

 

• Dal diagramma ricavato con una prova di trazione statica eseguita con provette normal corte quali parametri posso rilevare conoscendo i fattori di scala? (aiutarsi eventualmente con uno schema)

Dal diagramma carichi-allungamenti posso rilevare il carico massimo raggiunto nel corso della prova Fm e, nota la sezione S0, anche Rm, l’eventuale carico di snervamento FeH (se non presente dovrò ricorrere a prove successive seguendo le opportune metodologie per determinare Fp0,02 o altri tipi di carichi sostitutivi), l’allungamento dopo rottura A, determinando dal diagramma il DL = Lu – L0 mandando dal carico ultimo Fu la parallela al tratto rettilineo (se presente), la tenacità del materiale attraverso il calcolo dell’area sottesa dalla curva (lavoro speso per la deformazione, in parte finito in calore a causa degli attriti interni)

                

 

                       

 

 

 

 

 

     

 

 

 

 

 

 

• Se, dopo aver eseguito una tempra martensitica, viene riscaldato il pezzo, quali proprietà si modificano e come? Aiutarsi anche con grafici.

La struttura ottenuta dopo una tempra martensitica è la MARTENSITE, struttura più dura e più resistente a trazione ottenibile per gli acciai; peraltro essa è anche la più fragile e la meno lavorabile. La martensite è una soluzione sovrassatura di carbonio nel ferro a ed è instabile: se la temperatura aumenta si modifica diventando martensite rinvenuta, sorbite, perlite globulare,…, e, quindi, varieranno le proprietà meccaniche e tecnologiche. Un diagramma che rappresenta qualitativamente tali variazioni è il seguente (Ta[°C] temperatura ambiente, T[°C] temperatura di riscaldo):

                     p                                                                                                                                                                                   

                     r                                                                                                                                                                                    

                     o                                                                                                                                                                          

                     p

                     r

                     i                                                            

         e                                                                       

                     t                                                            

         à                                                           

                    

                                                                                             

 

 

 

Nel caso di acciai speciali si possono avere anomalie del tipo:

 

                                                                                                                                                                                               

                                                            

 

 

 

 

 

                                                                      

• Dovendo eseguire una prova di durezza su un acciaio comune che ha subito un trattamento termico di ricottura, quale tipologia di prova scegli? Spiegarne le ragioni.

Generalmente il trattamento termico di ricottura viene eseguito per ottenere una struttura prossima a quella di equilibrio e quindi con valori di durezza bassi. Pertanto potrei scegliere: la prova di durezza Brinell con sfera di acciaio temprato (HBS) o con sfera di carburi di wolframio (HBW), la prova di durezza Vickers (HV), la prova di durezza Rockwell B (HRB). Quest'ultima però è utilizzabile fino a valori di durezza di 200 punti Brinell e dunque, non essendo specificato il tenore di carbonio dell'acciaio, la debbo scartare (la durezza aumenta se aumenta il tenore % di carbonio). Scelgo la prova HBW perché indaga un maggior volume di materiale rispetto alla HV e perché ha un campo di utilizzo maggiore rispetto alla HBS.

 

 

 

• Per la ricerca di difetti di volume quale tipo di controllo non distruttivo occorre scegliere? Del metodo scelto descriverne brevemente la procedura.

Per la ricerca dei difetti di volume potrei scegliere o il metodo che utilizza gli ultrasuoni o il metodo radiografico che utilizza i raggi X o i raggi g. Entrambi vanno bene per quasi tutti i materiali. Tra i due sceglierei il metodo radiografico in quanto posso avere la documentazione, è di veloce esecuzione e non necessita di una preparazione accurata dei pezzi. Lo svantaggio primario è quello di garantire la sicurezza del personale. Il metodo con raggi g può anche essere utilizzato in assenza di energia elettrica ovvero "in campagna". Per la procedura da utilizzare occorre predisporre il pezzo, scegliere il tipo di radiazione, il tempo di esposizione, il tipo di elemento sensibile (pellicola, lastra,…) ed eseguire almeno due viste, per esempio a 90°.

 

• Per tracciare una curva di raffreddamento quali parametri occorre considerare e perché? Esemplificarne qualcuna con un breve commento.

Una curva di raffreddamento rappresenta la variazione della temperatura in funzione del tempo durante l'asportazione di calore. I parametri da considerare oltre al tempo t e alla temperatura T sono la pressione, il tipo di materiale, la quantità di massa e la velocità di raffreddamento; questo perché una loro variazione porta ad una modifica della curva stessa. Per esempio, per un metallo puro non allotropico, la curva di raffreddamento è del tipo:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

• Dovendo eseguire una rilevazione di durezza su un pezzo di acciaio temprato, quale tipologia di prova scegli? Spiegarne le ragioni.

Quando l'acciaio viene sottoposto ad un trattamento termico di tempra (martensitica, bainitica) subisce un aumento di durezza che, in particolare, se la struttura finale è martensite sarà di valore massimo. Dunque le possibilità di scelta sono: la prova di durezza Vickers (HV), la prova di durezza Rockwell (HRC) perché entrambi i metodi di prova hanno il penetratore costituito da diamante, il materiale più duro conosciuto. Delle due sceglierei la HRC in quanto è di rapida esecuzione: sul durometro si legge il valore di durezza e non si ha bisogno, come nel caso della Vickers, di uno strumento per "leggere" l'impronta lasciata a carico tolto.

 

• Per la ricerca di cricche quale tipo di controllo non distruttivo occorre scegliere? Del metodo scelto descriverne brevemente la procedura.

Per l'analisi di cricche, piccolissime fratture superficiali, si possono scegliere tre tipologie di controllo: il metodo con liquidi penetranti, il metodo magnetoscopico, il metodo con correnti indotte. Il primo va bene se i difetti sono "aperti" in superficie, il secondo ed il terzo permettono anche il rilievo di difetti che non siano "aperti" in superficie. Il primo va bene per tutti i materiali esclusi quelli porosi, il secondo se il materiale è ferromagnetico, il terzo se il materiale è conduttore. Scelgo il primo in quanto di costo modesto, facile interpretazione e possibilità di esecuzione anche in assenza di energia elettrica. Per la procedura occorre eseguire una rigorosa pulizia (1), dopodiché si cosparge la superficie con liquido penetrante (2), si toglie il liquido in eccesso (3), si cosparge la superficie con il rivelatore (4), si pulisce (5):

 

 

 

 

 

 

         (1)                       (2)                             (3)                        (4)                               (5)

 

• Elencare, distinguendole, le fasi e le strutture presenti nel diagramma Fe-Fe3C.

Fase: omogeneo, struttura: fase o insieme di più fasi.

Fasi: liquido, austenite, ferrite d, ferrite a, ferrite b, cementite (primaria, secondaria, terziaria).

Strutture: liquido, austenite, ferrite d, ferrite a, ferrite b, cementite (primaria, secondaria, terziaria), perlite (ferrite + cementite), ledeburite (austenite + cementite), ledeburite trasformata (perlite + cementite).

 

• Dopo un processo di tempra eseguito sugli acciai comuni quali tipi di prove andresti a proporre per dimostrare che è stato effettuato a regola d’arte? Se non è così, cosa proporresti per risolvere l’eventuale problema?

Dopo un processo di tempra, se ben eseguito, non devono essere presenti né cricche né distorsioni e la struttura finale dovrà essere martensite (con eventualmente cementite se l’acciaio è ad elevato tenore di carbonio) o bainite inferiore. Queste strutture presentano elevata durezza e dunque dovrò eseguire le prove di macrodurezza HRC o HV ed i valori risultanti dovranno essere superiori a 30 punti HRC o 300 punti HV. Se non sono presenti questi valori o se con un controllo con liquidi penetranti rilevo cricche la tempra risulta mal eseguita. Se vi sono cricche il particolare è da “buttare”, se la durezza è bassa può significare che la temperatura di regime del trattamento non era quella di completa austenitizzazione (o se l’acciaio di molto ipereutettoide di incompleta austenitizzazione) o che la permanenza in forno era troppo bassa e dunque potrò ricuperare il pezzo ripetendo il trattamento termico.

 

• Quali sono gli accorgimenti necessari per un particolare sottoposto a sollecitazioni cicliche?

Progettare la forma e le dimensioni del pezzo in modo da distribuire le tensioni e quindi evitare brusche variazioni di sezione (se necessarie prevedere ampi raccordi), intagli, prevedere buone finiture superficiali, indurire la superficie esterna per via meccanica o con trattamenti termici, evitare saldature, evitare processi di corrosione con artifici di vario genere, controllare il materiale nel suo processo di fabbricazione ed il particolare nel suo processo di montaggio e di utilizzo.

 

• Utilizzo del LASER nell’industria meccanica.

Il LASER, acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ovvero emissione di luce mediante emissione stimolata di radiazioni, viene utilizzato nell’industria meccanica in diverse operazioni. Le principali sono: foratura, taglio, fusione, saldatura, trattamenti termici superficiali, marchiatura di superfici, misurazioni. I materiali lavorabili sono: carta, tessili, cuoio, legno, gomma, materie plastiche, materiali ferrosi e non, quarzo, vetro, porcellana, ceramica. I più utilizzati nelle lavorazioni dei materiali sono i laser ad anidride carbonica, i laser a neodimio, i laser a eccimeri.

 

• Quali sono le informazioni da collocare in un certificato di prova?

Un certificato di prova deve contenere le seguenti informazioni:

• il riferimento alla norma vigente;
• tutti i dettagli necessari per identificare il pezzo in prova: materiale (composizione chimica,  provenienza,...), trattamenti termo-meccanici subìti, ciclo di lavorazione,...;
• il risultato ottenuto;
• tutte le operazioni non contemplate dalla normativa o considerate opzionali;
• qualunque dettaglio e/o evenienza che possa aver influenzato la prova e dunque il risultato;
• eventuali accordi sottoscritti con il Committente;
• i macchinari e le attrezzature utilizzate;
• il nome dell’operatore e la data.

 

• Da una analisi del diagramma derivato da una prova di trazione statica è possibile rilevare se il materiale ha subìto un incrudimento? Come si può determinare successivamente il grado di incrudimento?

Dall’analisi del diagramma ottenuto con una prova di trazione statica è possibile rilevare l’incrudimento se esso ha la fattezza a “manico d’ombrello” ovvero è del tipo:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dal diagramma si può notare come la via dell’incrudimento può risultare un mezzo per aumentare il carico al limite di proporzionalità Flp.

Per determinare poi il grado di incrudimento occorre eseguire una prova di macrodurezza sul pezzo incrudito e sul pezzo allo stato ricotto (condizione di equilibrio).

Il rapporto fra le durezze rappresenta il grado di incrudimento.

L’incrudimento è anche la via per aumentare la durezza, in particolare quando ciò non risulta possibile con trattamenti termici (caso ad esempio dei metalli puri).

 

• Perché l’altezza di caduta del maglio è importante in una prova di resilienza con il metodo Charpy?

Nella prova di resilienza, oltre alla temperatura, sono importanti l’energia disponibile del maglio (energia potenziale) e la velocità all’istante dell’impatto del coltello della mazza con la provetta.

La velocità, trascurando gli attriti (perno ed aria), viene determinata dall’altezza di caduta secondo la relazione:

 dove g[m/s2] accelerazione di gravità, H[m] altezza di caduta.

Quest’ultima, assieme alla massa della mazza, determina il tipo di rottura  e quindi il risultato della prova stessa. La normativa prevede v=5¸5,5 m/s e dunque un’altezza di caduta di circa 1,25 m.

 

• Perché i risultati di durezza della prova Brinell e della prova Vickers si esprimono in punti omettendo l’unità di misura pur essendo la durezza una pressione media e dunque avente le dimensioni di una forza su una lunghezza al quadrato?

Per mantenere il confronto con i risultati delle “vecchie” tabelle.

Infatti le vecchie tabelle riportano i valori espressi in kgf/mm2 cioè kilogrammi forza su millimetro quadrato ma il kilogrammo forza è stato proscritto dal SI. La “vecchia” formula era:

 con F introdotto in kgf e S in mm2.

Ora la formula è:  con F introdotto in N e S in mm2.

Praticamente il fattore 0,102 converte i N in kgf.

Quindi si è proceduto ad un processo di adimensionalizzazione.

 

• Quale potrebbe essere lo sviluppo nelle prove di macrodurezza Brinell o Vickers?

Le prove Brinell o Vickers che permettono la rilevazione della durezza dei materiali come pressione media data da una forza convenzionale applicata riferita all’area della superficie laterale dell’impronta lasciata a carico tolto nel futuro potrebbe essere rappresentata da una forza che determina una certa profondità del penetratore. Maggiore accortezza dovrà essere data alla prova Brinell perché, causa la forma sferica del penetratore, sarà necessario mantenere l’angolo d’attacco di 136° che nella prova Vickers, data la forma del penetratore, risulta costante. Dalla figura

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Quindi nella prova Brinell h dipenderà dal diametro D del penetratore. Usando per la prova Vickers questo valore di h dovremo avere la stessa F[daN] che rappresenterà la durezza del materiale. E’ da notare che questa altezza non è al netto del ritorno elastico, perché è determinata dal carico agente. Quindi per confrontare questi “nuovi” valori con le vecchie tabelle occorrerà una base statistica e non la semplice applicazione della formula che nel caso della Brinell è:

 

• Procedura per la determinazione della durezza dell’acciaio con il metodo Rockwell.

Il metodo Rockwell consiste nel determinare la durezza del materiale attraverso l’accrescimento residuo, o permanente, lasciato in condizioni prefissate. Vi sono diversi tipi di prova Rockwell: HRB, HRC, HRN, HRT,... la cui diversità è data dalla variazione dei carichi, dalla forma, dal materiale del penetratore. Tutti hanno in comune il processo:

• si applica un precarico F0 e si “misura” la penetrazione a[mm];
• si applica un carico ulteriore F1;
• mentre insiste il carico complessivo F=F0+F1 si permane per un certo tempo;
• si toglie il carico F1 e si “misura” la penetrazione c[mm];
• si determina l’accrescimento residuo e[mm]=c-a.

Il valore di e[mm] si trasforma in unità Rockwell (1 uR=0,002 mm): “e”=e / 0,002.

Il valore di durezza n sarà dato da: nHR_=nH-“e”.

Ad esempio per la prova HRC avremo nHRC=100-“e”.

NB. L’unità di misura delle varie penetrazioni a volte è il mm e l’unità Rockwell sarà uR=2mm.

 

 

 

• Significato di E modulo di elasticità longitudinale o di Young.

Dato il diagramma e,R derivato da una prova di trazione statica avremo:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nel tratto rettilineo vale la legge di Hooke  R=E×e e quindi geometricamente E=tgg.

Il valore di E dipenderà dal tipo di materiale. Ad esempio per gli acciai sarà E»21000 daN/mm2.

Fisicamente E rappresenta la rigidezza del materiale: infatti maggiore è il valore di E minore sarà, a parità di carico, la deformazione (l’elasticità viene rappresentata dal parametro 1/E).

La definizione di E è la seguente:

E rappresenta il carico che in condizioni di assoluta elasticità del materiale raddoppia la lunghezza di un corpo di sezione unitaria.

Dimostrazione:

 

• Principali differenze fra le metodologie Vickers e Knoop nella rilevazione della microdurezza.

Le principali differenze sono:

• nella forma del penetratore: nel caso della Vickers una piramide retta a base quadrata con angolo tra le facce opposte di 136°, nel caso della Knoop una piramide retta a base romboidale con angoli tra le facce opposte di 172° 30’ e 130°;
• nella forma dell’impronta lasciata a carico tolto;
• nella forma della base dell’impronta (in termini ideali): un quadrato per la Vickers, una losanga (rombo con il rapporto fra le diagonali molto grande, in questo caso circa 7:1) per la Knoop;
• nella determinazione dell’area S0 da collocare nella formula: per la Vickers è l’area della superficie laterale, per la Knoop è l’area della superficie di base, cioè quella del rombo;
• nel caso della Vickers si rilevano le diagonali dell’impronta, nel caso della Knoop solo la diagonale maggiore;
• a parità di carico la profondità dell’impronta Vickers è più elevata di quella della Knoop.

 

• Differenze sostanziali fra le prove meccaniche e le prove tecnologiche.

I risultati delle prove meccaniche sono espresse da numeri con unità di misura (talvolta esse non compaiono perché si è ricorso ad un processo di adimensionalizzazione al fine di mantenere la possibilità di confronto con i “vecchi” valori: caso ad esempio delle prove di durezza Brinell e Vickers), mentre le prove tecnologiche vengono per lo più espressi i risultati in forma adimensionale e sono talvolta soggettivi (una procedura normalizzata rende minima questa soggettività).

 

 

• Procedura per la determinazione di Rr0,02%.

Il carico Rr0,02% , carico limite unitario di allungamento permanente, viene determinato quando il materiale, durante la prova di trazione statica, non presenta lo snervamento. Il valore 0,02% è un valore convenzionale e può essere modificato dal committente. Il suo valore determina l’allungamento di prova. Sarà infatti  dove L0 è la lunghezza del tratto utile della provetta.

La procedura è la seguente:

• si sceglie la provetta e dunque materiale, L0, S0;
• si utilizza un estensimetro al fine di amplificare i valori di allungamento e pertanto anche il DL calcolato con la formula di cui sopra sarà amplificato;
• si utilizza la macchina universale e si sceglie il fondo scala dei carichi;
• si carica la provetta con una velocità di aumento del carico prefissato e giunto ad un certo valore di carico si permane per un certo lasso di tempo (10¸12 s), si rilascia il carico e si determina il DL residuo. Poiché tale valore non sarà mai, salvo fortuna, il valore prefissato si prosegue con la prova. Ci si arresta la prima volta che con un certo carico ho ottenuto un valore di allungamento superiore a quello prefissato. Per determinare il carico Fr0,02% si ricorrerà all’interpolazione utilizzando i carichi appena sopra e quello appena sotto con i relativi allungamenti;
• determinato Fr0,02% si procede al calcolo di Rr0,02% con la seguente relazione:

 

• Collocare nel piano DL,F le risposte in trazione e compressione statica di un acciaio dolce allo stato ricotto e di una ghisa grigia.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SISTEMI OTTICI

 

• Nelle fotocellule a sbarramento, un LED emette una luce pulsante modulata

attraverso un circuito oscillatore; il tipo di luce dipende dall’elemento utilizzato, ovvero LED a infrarossi verde o rosso, lampada a incandescenza o diodo laser.

La luce emessa attraversa una lente convessa, che è posta a una distanza focale per avere un fascio luminoso  parallelo, essa concentra nel suo punto focale la luce emessa dalla sorgente luminosa, quindi anche l’elemento ricevitore è posto alla distanza focale, dove è concentrata la massima intensità luminosa, convertendo il segnale luminoso in un segnale elettrico.

Inoltre vi è un filtro, posto tra il componente e la lente, che impedisce alle interferenze luminose esterne di penetrare nell’elemento ricevitore che è tarato sullo spettro della sorgente luminosa utilizzata, bloccando quindi la luce avente spettro diverso.

 

• In quelle a riflessione, la sorgente lumosa e il ricevitore, sono montati

separatamente, una accanto all’altra. Il funzionamento della sorgente è identico a quello precedente, solo che il fascio viene riflesso e captato dal ricevitore  in modo analogo a quello precedente, tutto questo tramite il catarifrangente, che grazie alla sua struttura assicura una riflessione parallela nella direzione apposta.

 

In tutti e due i tipi gli oggetti lucidi possono provocare un errore di rilevamento.

 

 

 

CATARIFRANGENTI

 

La retrorifrazione è ottenuta in due modi: con un riflettore prismatico o con un riflettore a grani.

Quelli prismatici hanno delle superfici interne fortemente speculari composte da 3 facce, ciascuna delle quali è disposta a 90 gradi rispetto a quella adiacente.

Il fascio luminoso, dopo essere entrato dall’apertura, viene riflesso da una superficie all’altra e rimandato nuovamente verso il suo punto d’origine.

Invece quelli a grani, presentano appunto dei piccoli grani trasparenti sulla loro superficie. Qui il fascio di luce, incidente sulla sfera, viene rifratto, ovvero si riflette sulla superficie posteriore del grano, e successivamente viene nuovamente rifratto quando esce dal grano, restituendo la luce verso la direzione originale.

 

 

ENERGIA CINETICA ED ENERGIA DI POTENZIALE

 

Energia cinetica

 

L’energia cinetica è la forma di energia posseduta da un corpo in movimento. La quantità di energia cinetica di un corpo può essere espressa mediante la relazione

E = 1mv2

dove m indica la massa del corpo e v2 è il quadrato della sua velocità. In particolare se il corpo si muove di moto uniformemente accelerato, cioè se il moto avviene con accelerazione costante, l'energia cinetica può essere scritta nella forma

E = (ma)d

dove a è l'accelerazione della massa m e d è lo spazio percorso all'istante considerato.

La relazione che sussiste tra energia cinetica ed energia potenziale e tra i concetti di forza, distanza, accelerazione ed energia diviene intuitiva se pensiamo a come variano queste grandezze fisiche in situazioni comuni, come il lancio di un oggetto o la caduta di un grave. Per sollevare un oggetto da una superficie d'appoggio, ad esempio, è necessario applicare una forza verticale, diretta verso l'alto, in modo da vincere la forza di gravità. Questa forza compie un lavoro che viene immagazzinato dal corpo sotto forma di energia, in particolare sotto forma di energia potenziale (in questo caso, gravitazionale). Se si lascia cadere l'oggetto, l'energia potenziale da esso posseduta viene gradualmente convertita in energia cinetica. Nel punto di massima altezza il corpo possiede solo energia potenziale, mentre nell'istante in cui tocca il terreno, dopo la caduta, tutta l'energia è di tipo cinetico.

 

Energia potenziale

 

L’energia potenziale è l’Energia posseduta da un sistema come conseguenza della sua posizione in un campo di forze conservativo. Ad esempio, una palla sollevata da terra possiede energia potenziale di tipo gravitazionale perché è sottoposta all'effetto del campo gravitazionale terrestre; il valore dell'energia potenziale dipende in questo caso dall'altezza della palla rispetto al suolo. Un elastico teso è dotato di energia potenziale elastica, e una carica elettrica posta in un campo elettrico di energia potenziale elettrostatica.

Per dotare un sistema di energia potenziale bisogna compiere un lavoro, infatti è necessario uno sforzo per sollevare una palla da terra, per allungare un elastico, o avvicinare due cariche dello stesso segno. La quantità di energia potenziale che un sistema acquista è esattamente uguale al lavoro speso per portare il sistema nella condizione finale. Nei campi di forze conservativi, il principio di conservazione dell'energia implica che la somma dell'energia potenziale e dell'energia cinetica sia costante durante l'evoluzione dinamica. Ad esempio, nel caso di una palla che cade da un'altezza h dal suolo, l'energia potenziale si trasforma in energia cinetica durante il moto (di caduta libera); quando la palla raggiunge il suolo, tutta l'energia potenziale è trasformata in energia cinetica.

 

 

Prova di trazione

 

Oggetto: Sottoporre un provino ad un carico di trazione

Utensili utilizzati: il provino è un costato utilizzato per costruzioni civili. Abbiamo utilizzato inoltre un martello e un bulino per segnare il tratto utile, un calibro per misurare la lunghezza finale .

Descrizione della macchina : La macchina utilizzata è una Galdabini. Essa è costituita da una robusta incastellatura a portale con la traversa e i tiranti collegati al pistone dl cilindro di potenza. La macchina è completata dal quadro di comando con i pulsanti di avviamento e di arresto della pompa, le manopole e le leve per la regolazione dei carichi e della portata dell’olio compreso e il dispositivo dinamometrico per l’indicazione del carico applicato, nel quadro di comando è presente anche un quadrante. Ci sono due indici, quello mobile è il trasportato e l’altro è il trasposto; se l’indice si muove in modo uniforme la prova è valida. Una pompa che comprime l’olio alimenta il cilindro di potenza della macchina. Nel quadro di comando è sistemato il dispositivo per la registrazione del diagramma carichi – allungamenti.

 

Condotta della prova: Siamo andati in laboratorio e li abbiamo visto la prima delle tre prove effettuate: quella di trazione. La prova di resistenza a trazione o semplicemente prova di trazione, consiste nel sottoporre una provetta del materiale in esame (costato) a un carico lungo l’asse della provetta. Il carico va applicato gradatamente e con continuità sino a provocarne la rottura. La provetta deve avere forma e dimensioni unificate.

Lunghezza provino: 400 mm

Peso: 480 g

Diametro: 11 mm

Tratto utile: 10 volte il diametro

Massa volumica: 7.76 Kg/dm^3

Con la prova di trazione si possono rilevare molte caratteristiche del materiale in esame. Quelle che ci interesseranno e dovremo trovare sono:

1. carico massimo (o di rottura)
2. carico di snervamento
3. allungamento percentuale
4. strizione

Per l’esecuzione della prova la provetta viene bloccata nel dispositivo di bloccaggio della macchina. Quindi viene posta in trazione con una opportuna velocità di crescita del carico. Lo sforzo applicato è leggibile sul quadrante e viene registrato con un dispositivo  che fornisce il diagramma carichi – allungamenti. Il diagramma, che poi allegherò a questa relazione, mostra quello che avviene nel materiale durante la prova. Inizialmente il suo andamento è rettilineo: l’allungamento cresce proporzionalmente al carico e al cessare dell’azione del carico il provino riprende la lunghezza iniziale, proprio per questo si chiama fase di elasticità e proporzionalità.

Con l’aumentare del carico le deformazioni che avvengono sono trascurabili però non rispettano la legge della proporzionalità (fase di elasticità). Se il carico aumenta ancora il provino subisce delle deformazioni che permangono anche se il carico viene tolto (fase di elasticità e plasticità). Poi le deformazioni aumentano anche senza che il carico aumenti, quest’ultimo fenomeno è noto come snervamento; nel grafico questo è evidenziato da numerose oscillazioni che indicano come il materiale cominci a risentire al suo interno di tanti piccoli cedimenti. Continuando ad aumentare il carico , il provino continua a deformarsi fino a che non avviene la rottura.

 

 

Risultati:

carico massimo: 96.5 Kg

carico di snervamento: 64 Kg

lunghezza finale del tratto utile: 163 mm

 

 

Conclusioni: La prova è valida perché la rottura è avvenuta dentro il tratto utile, inoltre il grafico è molto simile al grafico teorico questo sta ad indicare che la prova è riuscita

 

Prova di resilienza

Oggetto: Sottoporre due provini, 1 laminata a caldo e una a freddo, alla prova di resilienza meccanica effettuata con il pendolo di Charpy.

Utensili utilizzati: due provini e la macchina

Descrizione della macchina: Questa macchina è un pendolo ideato da Charpy, si compone di un’incastellatura a due montanti, fra i quali oscilla un braccio alle cui estremità libera è posta una mazza battente. Sulla traiettoria di questa mazza battente è disposto il provino da rompere: La mazza urta contro il dorso del provino e lo rompe. Una parte dell’energia cinetica del pendolo si trasforma in lavoro di rottura; la rimanente fa risalire il braccio fino a una data quota. Nella corsa di salita il braccio muove il cursore di una scala verticale fissata all’incastellatura: la scala più esterna del cursore, che contiene due indici di cui uno trasportato, indica direttamente in joule  la resilienza.  

Condotta della prova: Innanzitutto la resilienza meccanica è la resilienza di un materiale agli urti. Il provino deve avere una determinata forma, ha una sezione di 10 * 10 mm e una lunghezza di 55 mm, alla metà c’è un incavo di 2*5 mm.

Il pendolo della macchina viene portato ad una certa altezza, posizione di partenza, e poi viene lasciato cadere. Il pendolo rompe il provino, che era stato fissato nella macchina, nell’estremo opposto dell’incavo provocando la rottura del pezzo. La prova è stata effettuata due volte con due diversi provini, uno laminato a caldo e l’altro laminato a freddo.

Risultati: valore resilienza provino laminato a caldo: 175 J

Valore resilienza provino laminato a freddo: 15 J

Valore resilienza senza nessun provino: 0 J perché non ha incontrato nessuna resistenza

Conclusioni: Dalla prova si capisce che il provino laminato a caldo resiste molto di più agli urti di quello laminato a freddo

 

Prova di durezza (Rockwell c)

Oggetto: Sottoporre un provino di acciaio rapido per utensili alla prova di durezza di tipo Rockwell c

Utensili utilizzati: macchina , provino di acciaio rapido per utensili

Descrizione della macchina: La macchina utilizzata si chiama durometro ed è la stessa macchina usata per la prova di durezza di tipo Rockwell b.

Essa è formata da un incudine porta pezzi, che porta il provino e che può venire sollevata o abbassata da un volantino sottostante, da una manopola che seleziona i carichi e da un portapenetratore che contiene il penetratore, in questa prova è un diamante sintetico a forma di cono, con angolo al vertice di 120°, precarico di 10 kg e carico di 140 Kg. E presente anche una specie di schermo chiamato visore dove si può leggere il risultato della prova, sopra di esso c’è una scala di misura delle durezza Rockwell c ( a sinistra) e Rockwell b ( a destra) ci sono anche altre due manopole una per la regolazione del tempo di applicazione del carico ( freno ad olio) e l’altra di regolazione micrometrica . Infine è anche presente una leva per l’applicazione del carico

 

 

Condotta della prova: Per prima cosa il professore ha preso il penetratore ( cono di diamante sintetico) e lo ha posizionato nel portapenetratore e anche il provino        ( acciaio rapido per utensili)lo ha posizionato nella incudine porta pezzi, dopo a registrato il freno ad olio per regolare il tempo di applicazione del carico ed inoltre si è assicurato che la leva di carico fosse in posizione di riposo. A questo punto il durometro era pronto, occorreva soltanto sistemare il precarico e il carico. Per mettere apposto il precarico a acceso il visore , ha selezionato il carico di 1470 N con l’apposita manopola e a applicato il precarico portando il provino a contatto col penetratore fino a collimare l’ALT delle scale graduate con il riferimento sul visore. Invece per il carico ha spostato la leva di carico nella posizione di applicazione, trasferendo gradualmente il carico al penetratore in 10 s e mantenendo il carico per 10 s. Tutto era apposto la prova era iniziata, per leggere il valore il professore ha riportato la leva di carico nella posizione iniziale, eliminando così la deformazione plastica, ha poi letto i valori individuati dal riferimento sulla scala C e dopo aver letto il valore della durezza, ha agito sul volantino di regolazione dell’incudine in modo da allontanare il pezzo dal penetratore. Ha rimosso quindi il pezzo e lo ha mostrato a noi, infine ha riportato il durometro nelle condizioni iniziali.

Risultati:

L’impronta lasciata è molto piccola. La prova è stata effettuata quattro volte a causa degli errori sperimentali e del dislivello del pezza. I valori di durezza sono i seguenti: 32,32,28,38. Il valore più probabile è un valore medio di 34

Conclusioni: Essendo il provino molto duro l’impronta è molto piccola, quasi invisibile. Nonostante il dislivello del pezzo i valori non sono stati molti differenti infatti tutti si aggiravano intorno a 30.

 

I PRINCIPI DI CONSERVAZIONE

 

I Principi di conservazione sono leggi della fisica le quali affermano che, nel corso di determinate trasformazioni, alcune delle grandezze che caratterizzano un sistema fisico rimangono invariate. I principi di conservazione ebbero sempre un ruolo estremamente importante nella ricerca scientifica, basti pensare che moltissime scoperte furono suggerite dall’osservazione di un’apparente violazione di uno di essi.

Nel XVIII secolo il chimico francese Antoine Lavoisier scoprì che in una reazione chimica la massa complessiva degli elementi che partecipano alla trasformazione rimane costante. Questa osservazione, che esprime il principio di conservazione della massa, viene oggi enunciata nella seguente forma generale: la quantità di materia totale di un sistema chiuso rimane costante.

All’inizio del XIX secolo si comprese che esistono diverse forme di energia, ad esempio l’energia cinetica, potenziale, termica, ciascuna delle quali può essere trasformata in un’altra forma. Questa intuizione condusse gli scienziati tedeschi Hermann von Helmholtz e Julius Robert von Mayer e il fisico britannico James Prescott Joule a formulare il principio di conservazione dell’energia che nella sua forma più generale afferma che la somma dell’energia cinetica, dell’energia potenziale e dell’energia termica di un sistema isolato è costante. Il primo principio della termodinamica, secondo cui la quantità di calore assorbita (o ceduta) da un sistema termodinamico è uguale al lavoro che esso compie sull’esterno (o compiuto su di esso dall’esterno), è uno dei possibili enunciati di questa importante legge.

Il principi di conservazione dell’energia, della quantità di moto e del momento angolare permettono di determinare l’evoluzione di qualsiasi sistema fisico che rispetti le leggi della meccanica classica. Nell’ambito dell’elettricità, invece, è valido il principio di conservazione della carica elettrica.

Nel 1905, con la teoria della relatività speciale, Albert Einstein dimostrò l’equivalenza della massa e dell’energia; ciò, naturalmente rese necessaria una modifica dei due principi di conservazione, della massa e dell’energia, e la formulazione di un’unica legge di validità generale, comprensiva di entrambi. Esistono comunque alcuni campi d’interesse in cui possono essere considerati validi l’uno o l’altro dei due principi della fisica classica; la sola legge di conservazione della massa, ad esempio, viene rispettata nelle reazioni chimiche, dove non sono misurabili le variazioni di massa equivalenti all’energia prodotta o assorbita, ma non è valida per le reazioni nucleari, nelle quali l’energia può essere convertita in massa.

L’esistenza delle leggi di conservazione può essere ricondotta alla presenza in natura di fondamentali simmetrie. Ciò vale anche a livello delle particelle elementari: ad esempio, la conservazione del numero barionico nelle interazioni tra particelle è la manifestazione evidente di una simmetria di Gauge, esattamente come la conservazione della carica elettrica.

 

 

 

Tecnologia meccanica e lavoro , il SETTORE METALMECCANICO

Addetto agli impianti ed ai processi metallurgici e meccanici

 

Figure professionali:            addetto conduzione impianti

                                    addetto impianti sistemi automatizzati

                                    colatore

                                    fonditore

                                               laminatore

                                               verniciatore

                                               stampatore

                                               formatore a mano

                                               animista a mano

                                               carpentiere in ferro

                                               tagliatore con fiamma

                                               saldatore

 

Area di attività: L'addetto che, avendo presente il ciclo di produzione e la documentazione tecnica predisposta, utilizza l'impianto già programmato e funzionante per i diversi processi metallurgici, tiene monitorato il processo e verifica il prodotto finale.

 

Conoscenze e competenze professionali:

• Conoscere le caratteristiche del settore di appartenenza dell’apprendista e dei principali processi e tecnologie di fabbricazione e trasformazione
• Possedere una visione “sistemica” che permetta di individuare i collegamenti tra i diversi sub-settori merceologici in una logica di filiera
• Conoscere il ruolo della propria sezione di lavoro all'interno del processo produttivo ed il ciclo produttivo di riferimento, le procedure previste dal S.Q.A.
• Leggere ed interpretare documentazione tecnica di pertinenza: il disegno tecnico del particolare da produrre, il relativo ciclo di lavoro e scheda di controllo qualità
• Conoscere ed applicare gli elementi di base della tecnologia meccanica e della meccanica delle macchine e conoscere le principali caratteristiche della componentistica degli impianti
• Conoscere le caratteristiche dei materiali in funzione del loro utilizzo e della tipologia di lavorabilità
• Saper intervenire sull’impianto utilizzato con operazioni di carico e scarico anche utilizzando  apparecchiature di sollevamento
• Saper eseguire la saldatura elettrica e ossidoacetilenica con tecnologia manuale e/o automatizzata
• Essere in grado di monitorare la qualità del prodotto in uscita , compilando la scheda di autocontrollo riportando i dati rilevati richiesti
• Saper registrare i dati tecnici ed i risultati del processo lavorativo
• Saper effettuare interventi di manutenzione ordinaria e essere in grado di collaborare con i tecnici della manutenzione nelle operazioni di manutenzione preventiva e straordinaria
• Conoscere e utilizzare gli strumenti di misura e di controllo previsti dalla scheda di controllo qualità ricevuta
• Conoscere e saper utilizzare le più comuni attrezzature da banco
• Saper utilizzare il computer per ottenere informazioni necessarie allo svolgimento della propria attività
• Conoscere ed applicare la normativa antinfortunistica riferita al ruolo

Conoscere le innovazioni di processo di prodotto e di contesto

 

Addetto alle macchine utensili

 

 

Figure professionali:     addetto macchine attrezzate

                                        fresatore

                                        tornitore

                                        addetto macchine a controllo numerico

 

 

Area di attività: L’addetto, sulla base di prescrizioni o cicli di lavoro o disegni, utilizzando anche procedure informatiche, conduce macchine operatrici mettendone appunto la regolazione e controllando la qualità del prodotto anche attraverso variazione dei parametri tecnici di processo; è in grado di intervenire in operazioni di manutenzione ordinaria e preventiva.

 

Conoscenze e competenze professionali:

• Conoscere le caratteristiche del settore di appartenenza dell’apprendista e dei principali processi e tecnologie di fabbricazione e trasformazione
• Possedere una visione “sistemica” che permetta di individuare i collegamenti tra i diversi sub-settori merceologici in una logica di filiera
• Conoscere il ruolo della propria sezione di lavoro all'interno del processo produttivo ed il ciclo
• Leggere ed interpretare la documentazione tecnica di pertinenza: il disegno tecnico del particolare, il relativo ciclo di lavorazione e la scheda controllo qualità, la scheda utensili, la scheda origini pezzo
• Conoscere ed applicare gli elementi di base della tecnologia meccanica e della meccanica delle macchine
• Conoscere le caratteristiche dei materiali in funzione del loro utilizzo e della tipologia di lavorabilità
• Conoscere ed usare le tecniche e gli strumenti di misura previsti dalla scheda di controllo qualità ricevuta
• Conoscere le caratteristiche ed il funzionamento delle macchine anche a CNC (fresatrici, torni, rettifiche, saldatrici, centri di tornitura, centri di lavoro, ecc.) e capacità di lavoro della macchina
• Essere in grado di collaborare con l’attrezzista per le operazioni di installazione degli attrezzi sulle macchine
• Conoscere e preparare gli utensili necessari per la lavorazione (montaggio, codifica, presetting) in base alla scheda utensili ricevuta, sostituirli e provvedere alla loro manutenzione garantendo lo standard qualitativo richiesto dalla scheda controllo qualità
• Saper eseguire le operazioni di misura previste dalla scheda controllo qualità e registrare i dati rilevati garantendo lo standard qualitativo richiesto in autocontrollo
• Saper effettuare interventi di manutenzione ordinaria e essere in grado di collaborare con i tecnici della manutenzione nelle operazioni di manutenzione preventiva e straordinaria
• Saper effettuare semplici lavorazioni su banco
• Saper registrare i dati tecnici relativi al lavoro svolto ed ai risultati
• Conoscere i principi base dell'informatica e dei linguaggi di programmazione utilizzati
• Conoscere ed applicare la normativa antinfortunistica riferita al ruolo

Conoscere le innovazioni di processo di prodotto e di contesto

Montatore/installatore/attrezzista/manutentore meccanico

 

 

Figure professionali:   riparatore

                                      tubista

                                      tubista impianti termosanitari e di condizionamento

                                      ramista

                                      primarista

                                      montatore macchinario

                                      manutentore meccanico

                                      costruttore su banco (calibrista)

                                      costruttore su macchine

                                      manutentore meccanico

                                      installatore impianti

                                      attrezzista

                                      attrezzatore di macchine

 

 

Area di attività: L'addetto, sulla base di indicazioni, schede di manutenzione preventiva, disegni tecnici o schemi o cicli di lavorazione, esegue lavori di precisione e di natura complessa, per la costruzione/adattamento, riparazione, manutenzione al banco o su macchine operatrici, montando le attrezzature o macchinari o loro parti o impianti anche termosanitari con controllo e messa a punto degli stessi.

 

 

 

Conoscenze e competenze professionali:

• Conoscere le caratteristiche del settore di appartenenza dell’apprendista e dei principali processi e tecnologie di fabbricazione e trasformazione
• Possedere una visione “sistemica” che permetta di individuare i collegamenti tra i diversi sub-settori merceologici in una logica di filiera
• Conoscere il ruolo della propria sezione di lavoro all'interno del processo produttivo ed il ciclo produttivo di riferimento, le procedure previste dal S.Q.A.
• Leggere ed interpretare la documentazione tecnica di pertinenza, compresa quella inerente l'impiantistica termotecnica: disegno di insieme e dei particolari, distinta base tecnica, ciclo di montaggio, scheda controllo qualità, piani di manutenzione preventiva
• Conoscere ed applicare gli elementi di base della tecnologia meccanica e della meccanica delle macchine, compresi elementi di elettromeccanica
• Conoscere le caratteristiche tecnologiche e meccaniche dei materiali impiegati nella costruzione del prodotto
• Conoscere la gestione del processo di montaggio, saper sviluppare un programma di montaggio, saper eseguire il montaggio di gruppi o sottogruppi meccanici e sapere dove intervenire con lavorazioni su banco, anche tramite la saldatura, e con le macchine utensili, per adattamenti eventualmente richiesti
• Saper eseguire la messa a punto delle macchine attrezzate e la regolazione degli impianti e modificare i complessi attrezzati esistenti in modo da variare le prestazioni finali
• Saper registrare i dati tecnici relativi al lavoro svolto ed ai risultati
• Saper effettuare interventi di manutenzione ordinaria ed essere in grado di operare con colleghi in manutenzione preventiva e straordinaria degli impianti
• Conoscere gli strumenti e le tecniche di misura e di controllo per effettuare quanto richiesto dalla scheda controllo qualità ricevuta
• Conoscere gli strumenti ed i macchinari di lavoro, compresi quelli per l’attrezzaggio
• Conoscere le caratteristiche della componentistica meccanica ed elettromeccanica
• Saper utilizzare lo strumento informatico per la stesura della documentazione necessaria
• Conoscere ed applicare la normativa antinfortunistica riferita al ruolo
• Conoscere le innovazioni di processo di prodotto e di contesto

 

Montatore/Installatore/Manutentore elettrico - elettromeccanico - elettronico

 

 

Figure professionali:   Guardafili

                                      Giuntista

                                      Installatore impianti elettrici

                                      manutentore elettrico

                                      addetto montaggio parti elettroniche,

                                      addetto montaggio parti elettromagnetiche,

                                      addetto cabine produzione e trasformazione elettrica,

                                      cablatore,

                                      installatore impianti di sicurezza

                                      installatore impianti telefonia interna

                                      installatore impianti hardware

                                      tecnico hardware

                                      riparatori di elettrodomestici - radio e TV -

                                      riparatori di impianti di ricezione

                                      attrezzista linee telefoniche

                                      antennista radar

 

 

 

Area di attività: L'operatore, sulla base di disegni tecnici, interviene nel montaggio, ripristino, o riparazione di impianti elettrici di alta e bassa tensione, impianti elettronici e informatici e delle relative parti, di computers e di impianti di ricezione anche satellitare nonché di reti telefoniche e telematiche utilizzando anche strumentazione informatica, con controllo e messa a punto o in servizio con le opportune verifiche

 

 

Conoscenze e competenze professionali:

• Conoscere le caratteristiche del settore di appartenenza dell’apprendista e dei principali processi e tecnologie di fabbricazione e trasformazione
• Possedere una visione “sistemica” che permetta di individuare i collegamenti tra i diversi sub-settori merceologici in una logica di filiera
• Conoscere il ruolo della propria sezione di lavoro all'interno del processo produttivo ed il ciclo produttivo di riferimento, le procedure previste dal S.Q.A.
• Conoscere e applicare la normativa di settore
• Leggere e interpretare la documentazione tecnica di pertinenza: schemi elettrici anche con componentistica elettronica, capitolati, piani della qualità con livelli standard qualitativi per componentistica e circuitazione
• Conoscere le caratteristiche tecnologiche dei materiali
• Conoscere gli elementi di base dell’elettrotecnica e dell’elettronica
• In riferimento allo schema dato saper scegliere i materiali ed i componenti necessari e realizzare in autonomia impianti di illuminazione e distribuzione elettrica in ambito civile
• Collaborare alla messa a punto di impianti e macchine elettriche e partecipare al loro collaudo
• In riferimento allo schema dato individuare i componenti  anche elettronici di quadri di comando controllo e regolazione di macchine ed impianti, operare il cablaggio delle apparecchiature e la installazione del quadro a bordo macchina
• Conoscere e saper gestire tramite tecnologia PLC circuiti elettropneumatici ed oleodinamici
• Saper installare reti di distribuzione anche informatica di tipo LAN ed intervenire su reti a banda larga
• Saper eseguire le lavorazioni meccaniche che possono essere richieste per la realizzazione degli impianti (alloggiamento apparecchiature,..)
• Conoscere e identificare i problemi elettrici in fase di manutenzione degli impianti elettrici civili e/o industriali
• Conoscere i metodi da applicare ed essere in grado di effettuare una ricerca guasti
• Saper controllare le riparazioni eseguite e saper eseguire una prova di ripristino
• Registrare sulla documentazione tecnica le fasi del lavoro ed i risultati
• Conoscere ed utilizzare gli strumenti e le tecniche di misura e di controllo specifici per gli impianti elettrici
• Conoscere gli strumenti ed i macchinari di lavoro
• Saper utilizzare lo strumento informatico per la stesura della documentazione necessaria
• Conoscere ed applicare la normativa antinfortunistica riferita al ruolo.
• Conoscere le innovazioni di processo di prodotto e di contesto

Addetto alla manutenzione mezzi di trasporto

 

 

Figure professionali:   elettrauto

                                      autoriparatore

                                      carrozziere

                                      gommista

 

 

Area di attività: L’operatore è in grado, con l’ausilio di disegni o guide tecniche, di smontare, rimontare e revisionare gruppi propulsori - organi di trasmissione/direzione, impianti elettrici e componenti elettroniche di mezzi di trasporto, effettuando controlli e regolazioni anche con strumenti diagnostici informatici; inoltre è in grado di intervenire per ripristinare o sostituire parti della scocca e della carrozzeria degli stessi automezzi

 

Conoscenze e competenze professionali:

• Conoscere le caratteristiche del settore di appartenenza dell’apprendista e dei principali processi e tecnologie di fabbricazione e trasformazione
• Possedere una visione “sistemica” che permetta di individuare i collegamenti tra i diversi sub-settori merceologici in una logica di filiera
• Conoscere il ruolo della propria sezione di lavoro all'interno del processo produttivo ed il ciclo produttivo di riferimento, le procedure previste dal S.Q.A.
• Leggere ed interpretare la documentazione tecnica di pertinenza
• Conoscere le caratteristiche tecnologiche dei materiali
• Saper scegliere e acquisire il materiale necessario
• Saper effettuare interventi sui differenti impianti degli automezzi
• Saper emettere una diagnosi in base ad un esame metodico delle anomalie
• Essere in grado di decidere il metodo di riparazione ed effettuare le riparazioni sulla base dell'ordine dei lavori
• Saper valutare il livello di usura e l'idoneità residua dei pezzi di ricambio
• Saper effettuare interventi di manutenzione ordinaria compresa la messa a punto, la riparazione e la sostituzione di tutti i pezzi di ricambio necessari
• Saper effettuare la messa a punto e la sostituzione di tutte le componenti
• Saper installare accessori che rientrano nell'ambito delle ordinarie mansioni del riparatore
• Saper effettuare piccoli interventi di verniciatura
• Saper registrare i dati tecnici relativi al processo lavorativo ed ai risultati
• Conoscere ed usare gli strumenti, le attrezzature e i sistemi di controllo, con particolare riferimento alla strumentazione elettronica ed informatica
• Saper utilizzare lo strumento informatico per la stesura della documentazione necessaria
• Conoscere e saper usare gli strumenti di misura, verifica e di controllo
• Conoscere ed applicare la normativa antinfortunistica riferita al ruolo
• Conoscere le norme e le procedure per prevenire comportamenti che danneggiano l’ambiente

Conoscere le innovazioni di processo di prodotto e di contesto

Addetto alla gestione della produzione

 

 

 

Figure di riferimento:          - programmatore di produzione

- metodista di lavorazioni meccaniche

 

 

Area di attività: L’addetto segue ed organizza il processo produttivo, sulla base del programma di produzione; ottimizza i flussi  e l’intero ciclo di produzione e sceglie la soluzione organizzativa ottimale anche mediante la rilevazione diretta dei tempi di lavorazione al fine del miglioramento della modalità di esecuzione, intervenendo in caso di anomalie e collaborando per la definizione dei cicli e delle attrezzature occorrenti

 

 

Conoscenze e competenze professionali:

• Conoscere le caratteristiche del settore di appartenenza dell’apprendista e dei principali processi e tecnologie di fabbricazione e trasformazione
• Possedere una visione “sistemica” che permetta di individuare i collegamenti tra i diversi sub-settori merceologici in una logica di filiera
• Conoscere il ruolo della propria sezione di lavoro all'interno del processo produttivo ed il ciclo produttivo di riferimento, le procedure previste dal S.Q.A.
• Leggere ed interpretare la documentazione tecnica di pertinenza: disegno di insieme e dei particolari, distinta base tecnica, ciclo di lavorazione, scheda controllo qualità.
• Conoscere ed applicare gli elementi di base della tecnologia meccanica e della meccanica delle macchine e conoscere le principali caratteristiche della componentistica degli impianti
• Essere in grado di collaborare nella preparazione dei programmi per MUCN anche con utilizzo di sistemi CAM
• Saper compilare la distinta base ed assegnare la codifica
• Essere in grado di collaborare a individuare eventuali soluzioni organizzative e tecniche diverse in caso di difficoltà
• Saper interagire con la Progettazione e la Programmazione e con gli operatori addetti all'automazione a all'informatizzazione del lavoro
• Essere in grado di collaborare alla compilazione del ciclo di lavoro
• Saper utilizzare lo strumento informatico per la stesura della documentazione necessaria
• Conoscere ed applicare la normativa antinfortunistica riferita al ruolo
• Conoscere le norme e le procedure per prevenire comportamenti che danneggiano l’ambiente
• Conoscere le innovazioni di prodotto, di processo e di contesto

Addetto all'ufficio tecnico e progettazione

 

 

Figure professionali:   addetto lucidi e trascrizione disegni al CAD

                                      disegnatore e lucidista particolarista

                                      modellista in legno (prototipizzzione per la carrozzeria)

 

 

Area di attività: L’addetto, sulla base di indicazioni o con riferimento a schemi esistenti, esegue disegni costruttivi meccanici o elettrici con l’ausilio di stazioni computerizzate di sistemi CAD, definendo dimensioni, quote, materiali, tolleranze anche attraverso la costruzione di modelli; prepara la distinta dei materiali, attraverso l’elaborazione di programmi automatici necessari all’esecuzione dei cicli lavorativi, intervenendo anche durante la loro messa a punto

 

 

Conoscenze e competenze professionali:

• Conoscere le caratteristiche del settore di appartenenza dell’apprendista e dei principali processi e tecnologie di fabbricazione e trasformazione
• Possedere una visione “sistemica” che permetta di individuare i collegamenti tra i diversi sub-settori merceologici in una logica di filiera
• Conoscere il ruolo della propria sezione di lavoro all'interno del processo produttivo ed il ciclo produttivo di riferimento, le procedure previste dal S.Q.A.
• Conoscere la normativa di settore
• Leggere ed interpretare progetti e schemi logici e la documentazione tecnica relativa
• Conoscere le tecnologie meccanica e/o elettrica e/o elettronica
• Conoscere e realizzare il disegno tecnico meccanico e/o elettrico e/o elettronico con strumenti tradizionali e con l’utilizzo di sistemi CAD; rappresentare, attraverso una codifica completa, le caratteristiche sulla natura, sulla geometria e sulle dimensioni del/dei componente disegnato
• Essere in grado di garantire la trasferibilità delle informazioni tra utenti diversi e favorire l'integrazione del disegno-progetto con le altre fasi del processo produttivo
• Saper utilizzare lo strumento informatico per la stesura della documentazione necessaria
• Conoscere ed applicare la normativa antinfortunistica riferita al ruolo

Conoscere le innovazioni di processo di prodotto e di contesto

 

Addetto al controllo ed al collaudo di qualità

 

 

Figure professionali:   Collaudatore

                                      Addetto prove di laboratorio

                                      Addetto sala prove

                                      Operatore di laboratorio

                                      Addetto controllo qualità

 

 

Area di attività: L’addetto interagisce sia esternamente che all’interno dell’azienda con le altre funzioni quali la produzione e l’ufficio tecnico, e’ in grado di verificare che il prodotto sia conforme ai requisiti richiesti, è in grado di verificare la fattibilità in base a standard qualitativi di accettabilità, controlla il processo produttivo utilizzando strumentazioni e prove di laboratorio.

 

 

Conoscenze e competenze professionali:

• Conoscere le caratteristiche del settore di appartenenza dell’apprendista e dei principali processi e tecnologie di fabbricazione e trasformazione
• Possedere una visione “sistemica” che permetta di individuare i collegamenti tra i diversi sub-settori merceologici in una logica di filiera
• Conoscere il ruolo della propria sezione di lavoro all'interno del processo produttivo ed il ciclo produttivo di riferimento, le procedure previste dal S.Q.A.
• Leggere ed interpretare la documentazione tecnica di pertinenza
• Conoscere le caratteristiche tecnologiche dei materiali
• Saper utilizzare la metodologia e la strumentazione adeguata per effettuare il collaudo, comprese le prove meccaniche e di funzionalità, in riferimento a quanto richiesto dalla scheda controllo qualità
• Conoscere ed applicare i metodi per le verifiche di conformità del prodotto finito o semilavorato
• Saper verificare le schede di autocontrollo pervenute dalla Produzione-
• Conoscere ed usare la documentazione tecnica per registrare le fasi del lavoro ed i risultati
• Conoscere i metodi, le tecniche e gli strumenti di controllo e collaudo
• Conoscere e saper utilizzare gli strumenti di misura manuali e computerizzati
• Saper utilizzare lo strumento informatico per la stesura della documentazione necessaria
• Conoscere ed applicare la normativa antinfortunistica riferita al ruolo
• Conoscere le norme e le procedure per prevenire comportamenti che danneggiano l’ambiente
• Conoscere la normativa internazionale sulla certificazione di qualità e le procedure relative alla gestione degli strumenti
• Conoscere le innovazioni di prodotto, di processo e di contesto

 

LASER

 

STORIA

 

Basi teoriche: 1917 A. Einstein.

 

Prima emissione stimolata: 1928 a Berlino, R Ladenburg e H. Kopfermann.

 

Anni ’50: C. H. Townes (americano), A. M. Prokhorov e N. G. Basov (sovietici) [tutti e tre premi NOBEL per la fisica nel 1964] realizzarono apparecchiature operanti nello spettro delle microonde invisibili che furono chiamate MASER (acronimo di Microwave Amplifier based on Stimulated Emission of Radiation).

 

1957: concetti teorici relativi al LASER (non depositati e brevettati, però poi vince la causa) da parte di G. Gould.

1958: concetti teorici relativi al LASER pubblicati da C. H. Townes e Schawlow.

 

1960: realizzato il primo Laser da T. H. Maiman; è un laser a RUBINO, a luce rossa con le seguenti proprietà: estremamente intensa, monocromatica e fortemente collimata.

Si proseguì con la costruzione di vari tipi di laser che lavoravano tutti con materiali solidi ed emettevano luce sotto forma d’impulsi.

Alla fine del 1960 A. Javan (iraniano) costruiva un laser a emissione continua usando una miscela gassosa di elio e neon.

 

Oggi il laser non è solo una sorgente di luce visibile; esso ha conquistato anche altre zone dello spettro come l’ultravioletto, l’infrarosso e il campo delle onde millimetriche. I primi successi lasciano sperare che il principio laser possa essere esteso anche ai raggi X.

Vi è infatti una molteplicità di sistemi laser: a neodimio, ad anidride carbonica, a eccimeri (excimer=excited dimers, dimeri eccitati; molecole instabili che si formano nella stessa scarica elettrica di eccitazione, costituite dall’associazione di atomi di gas nobili con atomi alogeni), a coloranti,a semiconduttori, a elettroni liberi FE (Free Electron)  e, nel futuro (già sperimentati e attuati), laser a raggi X che consentirebbero di penetrare più profondamente nell’intima natura delle cellule viventi o costruire strutture ancora più piccole sui chip a semiconduttore.

Il segreto del laser è costituito dall’amplificazione della luce mediante emissione forzata (detta anche emissione stimolata) di radiazioni: in inglese Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (acronimo LASER).

Applicazioni di ogni giorno: lavorazioni dei materiali, elettronica, telecomunicazioni, tecniche di stampa, raccolta e memorizzazione dei dati, ricerca, misure sull’inquinamento, medicina, nella tecnica militare (armi teleguidate, localizzazione di bersagli,…),….

Questo non solo grazie alla smisurata intensità del raggio ma a causa delle innumerevoli proprietà.

I laser a semiconduttori, usati nel campo delle telecomunicazioni e dell’elettronica, installati nei lettori CD (Compact Disk), usati per la rilevazione dei codici a barre, per osservarli occorre una lente di ingrandimento e la loro radiazione non è percepita dall’occhio umano.

Sviluppi sono stati offerti dalle fibre ottiche: guide elastiche e sottili, percorso ideale per la luce laser che in tal modo viene condotta a grandi distanze e a grande velocità.

Infine l’OLOGRAFIA, tecnica basata sui laser, con la quale si possono memorizzare e riprodurre strutture tridimensionali.

 

 

 

FUNZIONAMENTO

 

Per la realizzazione di un laser occorrono:

1. materiale laser, detto materiale attivo: al suo interno viene generata la radiazione coerente mediante emissione stimolata;
2. fornitura di energia o sorgente di pompaggio;
3. risuonatore o cavità risonante: si compone di elementi riflettenti, di cui uno solo parzialmente riflettente, fra i quali la radiazione laser può essere innescata e amplificata.

 

 

 

Come materiale attivo possono essere utilizzati: gas, liquidi, solidi, semiconduttori o plasma. Il presupposto è unico: devono essere in grado di amplificare la luce o altre radiazioni elettromagnetiche mediante emissione stimolata.

La scelta del materiale attivo dipende innanzitutto dalla lunghezza d’onda che il laser dovrà emettere.

Il nocciolo del processo è rappresentato dall’emissione stimolata; essa si ottiene mediante eccitazione del materiale o, più precisamente, degli atomi o molecole di cui esso è costituito.

 

I vari processi sono basati sul fatto che:

 

1. atomo: livelli energetici discreti o energia quantizzata; non tutti i livelli energetici di un atomo sono equidistanti. I livelli energetici sono caratteristici di ciascun tipo di atomo;

 

1. molecole (insieme di più atomi): stati di oscillazione (nascono dalle oscillazioni degli atomi all’interno delle molecole), stati di rotazione (nascono dal fatto che gli atomi costituenti le molecole possono anche ruotare attorno al loro centro di gravità). Le molecole possiedono numerosi livelli diversi, molto vicini tra loro e questo risulta essere molto utile in alcuni tipi di laser;

 

1. materiali solidi: possiedono bande di energia in luogo dei livelli energetici; un elettrone può assumere diversi livelli energetici all’interno della  banda. Questo fatto risulta molto importante in quanto per l’eccitazione non è più necessaria un’energia determinata con grande precisione.

 

Tre processi (la luce è una radiazione elettromagnetica e un insieme di fotoni la cui frequenza corrisponde a quella dell’onda elettromagnetica) concorrono all’eccitazione di un atomo:

 

1. assorbimento: per quanto grande possa essere l’energia fornita se la lunghezza d’onda non corrisponde esattamente alla distanza fra i livelli energetici nessun fotone può essere catturato;

 

1. emissione spontanea: l’elettrone rimane eccitato per un tempo pari a circa 10-8 s; torna poi al livello inferiore e il fotone catturato viene emesso spontaneamente;

 

1. emissione stimolata (o indotta, o forzata): l’emissione è forzata da un secondo fotone; poiché i fotoni hanno stessa direzione, fase e lunghezza d’onda “si sommano” e la radiazione (la luce) emessa risulta più intensa. Se il processo prosegue si giunge a un’amplificazione a valanga e ne nasce un raggio ad alta intensità.

 

L’amplificazione a valanga della luce è un caso ideale perché l’emissione spontanea e l’assorbimento sono processi che si trovano in competizione con l’emissione stimolata.

Per favorire quest’ultima occorre che nel materiale laser vi siano molti più elettroni eccitati che allo stato di riposo: deve, in altre parole, verificarsi una inversione nell’occupazione dei livelli energetici.

Tale presupposto alla realizzazione dell’effetto laser prende anche il nome di inversione della popolazione o, anche semplicemente, inversione.

L’inversione è uno stato di non equilibrio, per mantenere il quale è necessario fornire energia: occorre “pompare” continuamente dal momento che gli elettroni hanno la tendenza a riportarsi nello stato di riposo che è uno stato di equilibrio.

La fisica mostra che gli elettroni occupano i vari livelli energetici secondo la “distribuzione di Boltzmann”.

Ciò significa che anche in presenza di una temperatura infinitamente elevata, quindi irrealizzabile, si può raggiungere al massimo l’uguaglianza fra il numero di elettroni presenti sul livello fondamentale e il numero di quelli sul livello eccitato.

Alla normale temperatura ambiente il livello inferiore è più popolato e risulta favorito l’assorbimento.

L’emissione spontanea poi, che si oppone al processo laser, è tanto maggiore quanto più elevata è la frequenza a cui si opera: essa provoca il cosiddetto “RUMORE LASER”.

 

Quanto maggiore dovrà essere la frequenza della radiazione laser, tanto più difficile risulterà ottenere l’inversione poiché la distanza fra i livelli diventano sempre maggiori e gli elettroni non si lasciano più eccitare così facilmente.

In un sistema a due livelli l’emissione stimolata è possibile solo nella banda delle microonde. Si ottiene comunque, al massimo, un’occupazione uguale dei due livelli: per poter ottenere una radiazione coerente (altrimenti assorbimento ed emissione spontanea sono identici) necessita l’inversione e questa viene creata allontanando gli elettroni dal livello inferiore mediante forti campi elettromagnetici (un amplificatore capace di emettere una radiazione coerente nella banda delle microonde si chiama MASER).

Se si desidera ottenere una radiazione nella banda del visibile o, addirittura, nella banda dell’ultravioletto o dei raggi X occorre un processo basato su tre o quattro livelli.

Essendo la potenza di pompaggio per un sistema a quattro livelli di molto inferiore rispetto a quello a tre livelli ecco perché tutti i laser attuali sono realizzati con un sistema a quattro livelli (il laser a rubino, primo laser, è un sistema a tre livelli).

 

LEGHE DI ALLUMINIO (LEGHE LEGGERE)

Notizie storiche.

L’alluminio in natura è molto abbondante e diffuso in forma combinata: costituisce circa il 75% della litosfera ed è il terzo degli elementi in ordine di abbondanza, dopo l’ossigeno e il silicio. Data la sua elevata affinità per l'ossigeno non è reperibile allo stato nativo, ma si trova come composto nella maggior parte delle rocce, specialmente come ossido Al2O3 idrato nelle bauxiti, uno dei minerali più sfruttati per la preparazione dell'allumina (Al2O3), la materia prima per l'estrazione del metallo. L'alluminio si ottiene per elettrolisi dell'allumina disciolta in un bagno fuso di criolite ad una temperatura di poco inferiore ai 1000°C. Il consumo di energia elettrica è notevolmente più elevato di quello di analoghi processi elettrochimici in soluzioni acquose perché, oltre a compiere il lavoro elettrochimico di decomposizione dell'allumina, una discreta quantità di energia elettrica deve impiegarsi per mantenere il bagno all'elevata temperatura necessaria. L'alluminio fu scoperto all'inizio del 1800. La storia dell’alluminio è quindi relativamente recente rispetto agli altri metalli e l’evoluzione dei processi è stata rapida anche a causa della nascita degli apparecchi destinati al volo, dove la leggerezza del materiale, unita alla facilità di lavorazione e alla resistenza, è di enorme importanza. Nel 1887 il dirigibile Schwartz venne dotato, in alcune parti, di strutture in alluminio. Data la bassa densità (2,7 kg/dm3) è il metallo di impiego strutturale più leggero dopo il magnesio (1,7 kg/dm3) anche se non possiede particolari doti di rigidezza: da qui la necessità di legarlo con altri metalli quali zinco, rame, nichel, magnesio, silicio. Caratteristica importante dell'alluminio è l'ottima resistenza alla corrosione atmosferica: nonostante il valore fortemente negativo del suo potenziale standard, si ricopre spontaneamente di uno strato passivante sottilissimo e molto aderente di Al2O3 per reazione con l'ossigeno atmosferico. C'è poi da ricordare che, essendo una struttura reticolare CFC (Cubica a Facce Centrate), è ottimamente lavorabile (minore impedimento allo spostamento delle dislocazioni rispetto ad altri tipi di reticolo) anche se presenta una cattiva saldabilità. Questo è dovuto al fatto che il sottile strato di ossido, sempre presente sulla sua superficie, è refrattario (fonde a 2000 °C) ed ha massa volumica superiore al metallo stesso: per tali motivi si usano particolari procedimenti di saldatura. L'alluminio è dotato inoltre di buona conducibilità sia termica che elettrica. Viene usato infatti per la fabbricazione di conduttori elettrici ove la leggerezza sia una necessità, poiché la sua conducibilità è circa il 60% di quella del rame; la forte differenza fra le masse volumiche fa sì che, a parità di conduttanza, i cavi d'alluminio pesino circa la metà di quelli di rame. Ecco perché la quasi totalità dei collegamenti elettrici negli aerei viene realizzata in alluminio. Unico inconveniente è la bassa temperatura di fusione, che non permette la circolazione di correnti di intensità troppo elevate, a meno di antieconomici aumenti di sezione dei cavi. Il basso punto di fusione ne limita inoltre l'utilizzazione già in ambienti a temperatura mediamente elevata. Le prime applicazioni dell’alluminio risalgono dunque alla fine dell’ottocento e sfruttano le qualità più appariscenti del nuovo metallo allo stato puro, cioè la bassa temperatura di fusione e l’aspetto brillante pressoché inalterabile nel tempo (uno strato sottile, duro e trasparente di allumina incolore ricopre immediatamente ogni manufatto esposto all’aria preservandolo dall’ossidazione ulteriore) stimolarono infatti immediatamente la fonderia alla produzione di vasellame di pregio e oggetti d’arte. Simbolo perfetto della prima infanzia dell’alluminio è la statua di Eros presente nel cuore di Londra dal 1894. Già dal 1900 lo si iniziò ad usare nel settore dei trasporti: in Inghilterra si produssero dei giunti per i telai delle biciclette, si utilizzò l’alluminio in una lega con piccole e calcolate empiricamente quantità di rame (una delle prime leghe ad essere usate è stata la lega alluminio-rame, le cui proprietà meccaniche sono migliori dell’alluminio puro a scapito di una più scarsa resistenza alla corrosione). Nel 1903 il blocco motore del primo aeroplano era in lega di alluminio – rame, prodotto dall’azienda che sarebbe divenuta l’Alcoa. Successivamente a questo risultato l’alluminio entrò nel settore dell’auto con leghe a base di rame e zinco, in grado di sopportare sollecitazioni fino a 120 MPa (120 N/mm2). Fondamentale fu la scoperta, agli inizi del ventesimo secolo (1907-1910) che alcune leghe, sottoposte a un trattamento termico a 500° C seguito da tempra e invecchiamento, presentavano valori di durezza notevolmente più elevati. Un’opportuna scelta dei parametri di temperature e tempi di permanenza consente di ottenere, per ogni lega, una combinazione ottimale di proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione, tanto che i trattamenti termici risultano un passaggio imprescindibile nell’elaborazione delle leghe dell’alluminio. In Germania, pur senza capirne il motivo, si scoprì che sottoponendo a bonifica le leghe contenenti piccole quantità di rame e magnesio si raggiungevano carichi di rottura di 250 MPa (250 N/mm2). Con la scoperta della bonificabilità nasce così la metallurgia dell’alluminio, a cui soprattutto i costruttori di mezzi di trasporto richiedono leghe con prestazioni meccaniche sempre più elevate, senza compromettere la naturale leggerezza, l’alta tenacità, l’ottima conducibilità termica ed elettrica, la buona lavorabilità, la resistenza alla corrosione del metallo di base. Date fondamentali sono il 1921 (scoperta che l’addizione di sodio globulizza i cristalli altrimenti aciculari e quindi infragilenti dei composti eutettici Al-Si e quindi disponibilità della famiglia 4XXX (vedere in seguito la classificazione), dotata di colabilità superiore alle primitive leghe Al-Cu e Al-Zn), il 1932 messa a punto delle leghe Al-Si-Mg a bassa dilatazione termica per la realizzazione di pistoni per motori endotermici e 1939 con la definizione della composizione di AlSi5Cu3, prodotto mediante rottami opportunamente depurati e corretti e quindi la nascita delle leghe secondarie, indispensabili vista la scarsità di alluminio primario dovuta agli eventi bellici. In Italia il primo stabilimento di produzione di alluminio sorge nel 1907 presso Pescara. Solo nel 1928 si realizza però l’ingresso nel mondo dell’alluminio grazie ad Alusuisse e Montecatini che fondano indipendentemente ben sei stabilimenti di produzione nel Nord-Est della penisola, vicino alle ricche cave dell’Istria. Nel 1937 viene fondato il Centro ISML, dedito alla ricerca e allo sviluppo, e tuttora l’unico ente italiano dedicato al settore. Inizia così anche in Italia la sostituzione dei materiali tradizionali con l’alluminio. Alla metà degli anni ’40 il metodo di colata in terra è ancora preponderante e perciò le leghe più utilizzate sono le alluminio-rame che a tale tecnologia ben si prestano e possono raggiungere carichi di rottura di circa 270 MPa (270 N/mm2) dopo bonifica; i getti così ottenuti sono facilmente corrodibili. Verso la fine del decennio iniziano le pubblicazioni UNI ancora oggi, riviste e corrette, in vigore: per ogni lega, individuata da un preciso codice alfanumerico, sono indicati i tenori imposti e ammessi degli otto elementi fondamentali: (Cu, Fe, Si, Mg, Mn, Zn, Ti, Ni), le caratteristiche fisiche, le proprietà meccaniche dei getti, i parametri dei trattamenti termici e le caratteristiche tecnologiche. Verso il 1955 si affermano anche in Italia le leghe Al-Si, meccanicamente prestanti, poco corrodibili, con buona tenuta a pressione ma soprattutto dotate di colabilità ed utilizzabili quindi anche nella colata in conchiglia, che i lotti di produzione numericamente sempre più consistenti cominciano a richiedere. Le leghe Al-Mg, apprezzate per la resistenza alla corrosione e l’ottimo aspetto dopo lucidatura, vengono notevolmente migliorate (in particolare l’addizione di berillio riduce l’ossidazione del magnesio nel corso della fusione). Compaiono molte leghe nuove destinate a usi specifici: le Al-Sn per manufatti antifrizione (boccole e cuscinetti), le durissime Al-Si ipereutettiche (Si>13%) affinate al fosforo per pistoni, le Al-Cu-Ni e le Al-Si-Ni per impieghi ad alta temperatura come testate e basamenti per motori a scoppio. Verso la fine degli anni settanta del secolo ventesimo si ripropongono le leghe Al-Zn-Mg, dette autotempranti perché in grado di assumere autonomamente, dopo un breve stazionamento a temperatura ambiente, le condizioni di bonifica. La vera novità italiana degli anni ottanta deriva da un processo innescatosi negli USA circa venti anni prima a causa della richiesta di componenti leggeri ed affidabile da parte delle industrie aeronautiche ed aerospaziali: la realizzazione dei cosiddetti getti "Premium", richiesti in maniera sempre più massiccia dai costruttori di automobili dopo la crisi petrolifera del 1981. Come tutti i maggiori produttori europei SAVA e Alluminio Italia rendono così più sofisticate e prestazionali le proprie leghe specificatamente dedicate al settore dei trasporti: intervalli più ristretti degli alliganti silicio, magnesio e rame per rendere più precisa la risposta alla bonifica, ferro "basso" (<0.20%) per aumentare la tenacità, fosforo praticamente assente per facilitare la modifica morfologica degli eutettici Al-Si, rigoroso controllo di ogni impurità per la miglior costanza delle caratteristiche, riduzione delle dimensioni del grano mediante titanio e boro, premodifica mediante stronzio. Anche per le leghe secondarie si assiste al miglioramento delle proprietà. Negli ultimi anni non si è assistito a ulteriori importanti innovazioni infatti, le leghe Al-Ag (elevate proprietà tensili) e Al-Li (bassa densità, bassi allungamenti) non hanno trovato spazio in fonderia a causa dell’alto costo di entrambe e della tossicità della seconda in sede di fusione.

Caratteristiche fisiche, meccaniche e chimiche.

Proprietà fisiche. Non ci sono ancora nomenclature adottate universalmente per i vari gradi di purezza dell’alluminio. L’alluminio ha massa volumica 2,7 kg/dm3, la sua fusione è accompagnata da un cambio di volume compreso tra il 6,5 e il 6,7%, a seconda del grado di purezza del metallo; presenta un coefficiente di dilatazione lineare tra 20 e 300 °C di circa 24×10-6 °C-1 (circa il doppio di quello dell’acciaio; tuttavia per le leghe è molto più basso), il punto di fusione per l’alluminio puro al 99,99% è 660 °C ed il calore di fusione è 387 kJ/kg. La conduttività termica dell’alluminio ad alta purezza e ricotto per temperature sopra i 200 °C è circa 240 W/m×K (circa la metà di quella del rame puro) ed è relativamente insensibile all’aggiunta di piccole quantità di impurezze. La resistività elettrica dell’alluminio puro al 99,99% a 20 °C è 2,6548×10-8 ohm, cioè il 63,8% dello IACS (International Annealed Copper Standard). La conduttività è isotropica finché non vi sono linee di dislocazione orientate: infatti il materiale lavorato a freddo presenta una conduttività migliore nella direzione della deformazione.

Proprietà meccaniche. Il modulo di Young è relativamente basso se confrontato con altri metalli, 64000 N/mm2 per purezze del 99,99%, ma è sensibile a piccole variazioni nelle quantità delle impurezze, infatti per una purezza del 99,95% si rileva che il modulo elastico passa a 69000 N/mm2 (la cella c.f.c., cubica a facce centrate, forma in cui cristallizza l’alluminio, è la responsabile di questo fenomeno). L’estensione elastica dell’alluminio e delle sue leghe, a parità di sforzo applicato, è circa tre volte maggiore di quella degli acciai: questo è un vantaggio nei pezzi meccanici dove è richiesta resistenza all’impatto e quindi anche nella costruzione delle carrozzerie per automobili. Come gli altri metalli non ferrosi, l’alluminio e le sue leghe non hanno un limite elastico netto e ben definito. Per questo si valuta, per il limite di snervamento, il carico per cui si ottiene una deformazione permanente dello 0,2%. Nella seguente tabella si riportano lo sforzo di snervamento (in MPa=N/mm2), il carico di rottura a trazione (in MPa=N/mm2) e l’allungamento percentuale per tre diversi gradi di purezza.

Il modulo di rigidità a torsione è circa 25 MPa (25 N/mm2), il modulo di Poisson vale 0,34. La durezza Vickers HV è 17 punti e cresce fino a 40 se il metallo viene laminato a freddo. L’alluminio e le sue leghe di tipo c.f.c. (cubica a facce centrate) non hanno problemi di frattura fragile a basse temperature: non subiscono clivaggio. Per il materiale commerciale puro, i valori di creep (scorrimento viscoso) crescono rapidamente per temperature superiori ai 100 °C: per questo motivo l’alluminio non è adatto ad impieghi sotto sforzo ad alta temperatura; tuttavia questo comporta una facilità di lavorazione a caldo.

Proprietà chimiche (ossidazione). Per la sua posizione nella serie elettrochimica, l’alluminio è classificato come elemento molto reattivo e facilmente ossidabile. In realtà esso si dimostra molto resistente alla corrosione, sia come metallo puro, sia nelle leghe. Questa proprietà è dovuta alla formazione di uno strato di ossido molto compatto e resistente e con volume molecolare 1,3 volte quello del metallo consumato nell’ossidazione, portando in questo modo la superficie in uno stato di compressione. Lo strato di ossido è insolubile in acqua e in molti altri composti chimici; esso protegge il metallo sottostante dall’ambiente esterno, anche se lo strato di ossido formato in aria è molto sottile: 5×10-6 mm a temperatura ambiente. Tramite il meccanismo dell’ossidazione anodica lo spessore dello strato di ossido può essere aumentato sino a 0,03 mm. In entrambi i casi esso è amorfo ed è chiamato a. Al riscaldamento esso si trasforma in una forma cristallina più dura conosciuta come g-Al2O3. L’ossido a ottenuto per anodizzazione può assorbire e trattenere le vernici. La legge dell’accrescimento dell’ossido a temperature moderate ha andamento logaritmico. L’alluminio incorre nella corrosione generalizzata solo sotto l’influenza di solventi che, una volta dissolta la pellicola passivante, attaccano il metallo con la formazione di sali. Gli agenti più aggressivi per l’alluminio sono gli acidi alogenidrici (acido cloridrico e acido fluoridrico), l’acido solforico concentrato, le soluzioni acquose di idrossidi alcalini, i carbonati di sodio e di potassio. Vi sono molte sostanze che non reagiscono, o lo fanno molto blandamente, con il metallo: tra queste le soluzioni concentrate di acido nitrico, l’ammoniaca e molti acidi organici, eccetto l’acido formico e l’acido ossalico, che sono solventi sia dell’alluminio che del suo ossido.

 

LEGHE LEGGERE D’ALLUMINIO

 

Le leghe a base d’alluminio sono anche note come leghe leggere in virtù del loro peso specifico. Gli elementi che generalmente compaiono in queste leghe da soli o insieme sono rame, magnesio, silicio formando così leghe d’alluminio-rame, alluminio-silicio, alluminio-magnesio ma anche alluminio-rame-silicio o alluminio-zinco (generalmente usata nell’industria aeronautica).

 

Le principali caratteristiche dell'alluminio sono:

• leggerezza (massa volumica 2,7 kg/dm3);
• ottima resistenza alla corrosione atmosferica;
• ottima lavorabilità (struttura CFC, cioè Cubica a Facce Centrate);
• scarse proprietà meccaniche;
• cattiva saldabilità;
• buona conducibilità elettrica e termica;
• pratica inutilizzabilità alle alte temperature (punto di fusione 660°C).

 

Sfruttando quindi le qualità dell'alluminio e aumentandone le proprietà meccaniche con alliganti quali il rame, il silicio, il magnesio, il manganese, il nichel, lo zinco, ecc. si possono ottenere delle leghe (le leghe leggere appunto; nb. una lega viene chiamata leggera se la massa volumica è minore di 3 kg/dm3)) il cui impiego come materiali da costruzione, soprattutto nel campo aeronautico, è notevolissimo. Le leghe d'alluminio possono essere classificate in relazione al procedimento tecnologico produttivo in leghe da lavorazione plastica ed in leghe da fonderia.

 

CLASSIFICAZIONE

 

Ci riferiremo al sistema più usato che è quello elaborato dalla Aluminium Association (A.A.) un organismo costituito in U.S.A. dai fabbricanti di alluminio e sue leghe. Il simbolo base della nomenclatura è costituito da un gruppo di quattro indici numerici consecutivi, il primo dei quali individua le famiglie di materiali secondo lo schema seguente:

1xxx

Alluminio (99% minimo)

 

2xxx

Leghe al rame

3xxx

Leghe al manganese

4xxx

Leghe al silicio

5xxx

Leghe al magnesio

6xxx

Leghe al magnesio-silicio

7xxx

Leghe allo zinco

8xxx

Leghe contenenti altri elementi; leghe Al-Li

9xxx

Leghe particolari

 

Il secondo indice definisce le eventuali varianti della lega originaria, alla quale è riservato l'indice 0.

Le ultime due cifre, infine, indicano, nella serie 1xxx, il grado di purezza dell'alluminio (ad esempio 1050 è un alluminio 99,50%); in tutte le altre serie non hanno altro significato se non quello di individuare le singole leghe all'interno del gruppo. L’alluminio puro, come dianzi accennato, trova impiego soprattutto nell’elettrotecnica e nell’industria chimica ma, a causa delle sue scadenti proprietà meccaniche, per le altre applicazioni quasi sempre vengono impiegate le leghe. Gran parte degli elementi metallici sono solubili nell’alluminio, ma solo alcuni, silicio, magnesio, rame, zinco, manganese e litio, sono i principali costituenti delle leghe commerciali. Talvolta sono aggiunte, per scopi particolari, piccole percentuali di nichel, titanio, zirconio, cromo, bismuto, piombo, cadmio ed anche stagno e ferro, quest’ultimo peraltro sempre presente come impurezza. Ogni elemento possiede il suo particolare effetto, per esempio:

• il silicio: migliora la colabilità e riduce il coefficiente di dilatazione;

• il magnesio: aumenta la resistenza alla corrosione in ambiente alcalino e in mare;
• il manganese: aumenta la resistenza meccanica e alla corrosione;
• il rame: accresce la resistenza meccanica, soprattutto a caldo;
• lo zinco: soprattutto se associato al magnesio, conferisce una elevata resistenza meccanica.

Designazioni delle leghe d’alluminio, secondo l’UNI sono:

• G leghe per getti, in particolare: Gs getti colati in terra, Gc getti colati in conchiglia, GD getti colati sotto pressione; 
• P leghe per lavorazione plastica, in particolare: Pl laminati, Pe estrusi, Pf fucinati, Ps stampati, Pt trafilati.

In base al trattamento termico subito avremo:

• T tempra di soluzione con raffreddamento in acqua 10¸30 °C;
• Ts tempra di soluzione dipendente da raffreddamento nella forma di sabbia;
• Tc tempra di soluzione dipendente da raffreddamento nella forma in conchiglia;
• Tb tempra di soluzione con raffreddamento in acqua calda 60¸100 °C;
• To tempra di soluzione con raffreddamento in olio;
• Ta tempra di soluzione con raffreddamento in aria soffiata;
• N stagionatura naturale dopo qualsiasi tempra di soluzione;
• A rinvenimento a temperatura maggiore di 60 °C dopo tempra di soluzione;
• S stabilizzazione dimensionale;
• R ricottura;
• B bonifica (tempra di soluzione seguita da stagionatura o da rinvenimento); NB. stagionatura: invecchiamento naturale, rinvenimento: invecchiamento artificiale. Per bloccare l’invecchiamento collocare il manufatto dopo tempra di soluzione a temperatura minore di 0 °C.

 

3.2 Principali sistemi alliganti.

• Alluminio - rame. Il rame è un elemento in lega molto importante per l’alluminio, vista la sua apprezzabile solubilità ed il suo effetto rinforzante. Molte leghe commerciali (serie 2XXX) contengono rame come principale elemento in lega, in concentrazioni variabili dall’1 al 10% in peso; è spesso usato in combinazione con magnesio per ottenere un migliore comportamento meccanico. Il sistema alluminio - rame possiede un eutettico Al-AlCu2 alla temperatura di 548 °C e alla composizione 33% di Cu in peso. L’indurimento avviene per precipitazione. Le leghe binari Al-Cu non sono molto usate commercialmente. Con l’aggiunta di elementi quali Mg, Mn, Si, Ni, Li, esse vengono usate spesso per applicazioni strutturali sugli aerei e in generale dove occorrono buone caratteristiche meccaniche e leggerezza.

• Alluminio - magnesio. Il magnesio mostra una buona solubilità nell’alluminio (seconda solo allo zinco) e, per questo, leghe con concentrazioni minori del 7% non mostrano una apprezzabile precipitazione (tuttavia se sono presenti altri elementi questa percentuale diminuisce), ma è possibile comunque ottenere un discreto effetto indurente tramite la lavorazione a freddo, visto che il magnesio permette di conservare un’ottima duttilità. Il magnesio fornisce inoltre un’eccellente resistenza alla corrosione e una buona saldabilità: queste caratteristiche vengono sfruttate nella costruzione delle carrozzerie in alluminio. L’eutettico Al-Mg2Al3 si ha ad una concentrazione di 35% di Mg in peso ad una temperatura di 450 °C. Per causare la precipitazione di Mg2Al3 (fase b), che ha un reticolo c.f.c., la lega deve essere trattata a temperature tra 200 e 300 °C e per un tempo dipendente dalla temperatura scelta. La precipitazione avviene preferenzialmente sui piani {100}, seguita da quella sui piani {120}. La precipitazione può essere continua o discontinua, a seconda della temperatura di tempra adottata; quella continua genera una struttura di tipo "Wiedmastaetten", la cui dimensione principale decresce all’aumentare della temperatura di tempra e mostra un limitato effetto indurente. La modalità di formazione della fase b è importante anche per la resistenza alla corrosione: per ottimizzarla, essa deve presentarsi in particelle discrete priva di struttura tipo network a bordo grano, da evitare anche perché riduce drasticamente la duttilità.
• Alluminio - silicio. L’importanza del silicio è dovuta all’aumento di fluidità e alla riduzione del coefficiente di dilatazione termica conferito dall’aggiunta di piccole quantità di alligante, proprietà molto utile nei getti e nelle saldature. Il sistema Al-Si forma un eutettico alla temperatura di 577 °C ad una percentuale di silicio dell’11.7% in peso; poiché questo sistema non forma composti intermetallici, il silicio precipita direttamente dalla matrice della soluzione solida primaria. La durezza delle particelle di silicio conferisce infine una buona resistenza all’usura. Nell’uso commerciale a questo sistema vengono aggiunti altri elementi in lega quali per esempio il rame e il magnesio.

Alluminio - manganese. Le leghe Al-Mn formano un eutettico alla temperatura di 658 °C e per una composizione del 2% in manganese; la fase intermetallica che si separa è MnAl6. Questo sistema si trova raramente in equilibrio e il manganese, che ha una solubilità molto ridotta nell’alluminio, non è portato in soluzione solida nella percentuale prevista dal diagramma di stato, e così MnAl6 appare come micro costituente anche per percentuali molto basse di manganese; infatti è usato in percentuali di poco superiori all’1% in peso nelle leghe non trattabili termicamente e in quantità maggiori nelle leghe trattabili al calore.

 

TRATTAMENTI TERMICI DEGLI ACCIAI

 

Ciclo termico.

 

Variazioni, entro i limiti determinati, della temperatura del materiale in funzione del tempo definiscono il ciclo termico. Matematicamente esso è rappresentato dalla funzione T = T (t), dove T è la temperatura e t è il tempo [in modo implicito f(t,T)=0].

Una rappresentazione di ciclo termico può essere la seguente:

In questo diagramma si possono distinguere:

• Tr: temperatura di regime desiderata; dipende dal tipo di materiale e dagli scopi che si vogliono raggiungere;

 

• t1: durata di massa in temperatura; è il tempo che trascorre tra l’inizio del riscaldo ed il momento in cui si ritiene che sia raggiunta la temperatura voluta, al cuore o nella parte del pezzo che deve essere trattata;

 

• Velocità di riscaldo, in genere lenta per consentire una distribuzione  graduale del calore e quindi evitare deformazioni di carattere termico e/o strutturale;

 

 

 

• t2-t1: tempo di permanenza alla temperatura Tr di regime; dipende dallo scopo del ciclo e dalle dimensioni dei pezzi;

 

• t3-t2: tempo di raffreddamento;

 

• Velocità di raffreddamento, dipende dal tipo di materiale, dagli scopi, dalle dimensioni dei pezzi e loro geometria.

                                                                   

 

 

 

Le fasi di riscaldo e/o di raffreddamento possono essere realizzati in più stadi, cioè con una o più soste a temperature intermedie.

Per esempio:

Le singole velocità di riscaldo o di raffreddamento possono essere diverse.

Questa tecnica si rende necessaria, per esempio, quando si vuole garantire la distribuzione uniforme della temperatura in pezzi di grandi dimensioni o in pezzi di geometria complessa.

 

Trattamento termico.

 

Uno o più  cicli termici definiscono il trattamento termico.

Durante tali operazioni, che avvengono sempre allo stato solido, il mezzo in cui si trovano i pezzi può, negli strati superficiali, modificare più o meno profondamente la composizione chimica del materiale stesso (trattamenti superficiali termochimici di diffusione).

Lo scopo del trattamento termico è quello di conferire al materiale particolari caratteristiche meccaniche e/o tecnologiche.

Il trattamento termico può essere:

• generale: quando è applicato all’intero pezzo;
• locale o parziale: quando è applicato soltanto ad una parte o a talune parti del pezzo, ma non al suo insieme.

Il trattamento termico può, contemporaneamente o separatamente:

• produrre modificazioni della natura dei costituenti senza modificare la composizione chimica;
• provocare modificazioni strutturali della dimensione, della forma e della ripartizione dei costituenti, senza modificarne la natura;
• utilizzare azioni chimiche o fisico-chimiche per aumentare o ridurre il tenore di alcuni elementi o per modificare la natura di alcuni costituenti;
• conferire particolari proprietà agli strati superficiali;
• modificare la ripartizione e l’intensità delle tensioni interne.

Il trattamento termico è influenzato non solo dalle proprietà del materiale, ma anche:

• dalle dimensioni del pezzo: effetto di massa; infatti la velocità di raffreddamento dell’esterno del pezzo è sempre diversa da quella del cuore e si potrebbe anche non raggiungere localmente l’effetto desiderato [il calore si propaga dal cuore verso l’esterno per conduzione];
• dalle caratteristiche (conduttività termica, temperatura, agitazione, ...) dei mezzi di riscaldo o di spegnimento (raffreddamento).

Il trattamento termico può comportare fenomeni collaterali, talvolta indesiderati, quali:

• surriscaldo: riscaldo effettuato in condizioni di temperatura e di durata tali da provocare 

un ingrossamento esagerato del grano, senza alterazione pronunciata dei giunti  e generalmente accompagnato da una degradazione delle proprietà meccaniche; un materiale surriscaldato può essere rigenerato mediante un appropriato trattamento termico;

• bruciatura: riscaldo che ha provocato una alterazione pronunciata dei giunti dei grani (fusioni locali) e tale che non possa più essere rigenerata mediante trattamento termico;
• grafitizzazione: precipitazione, totale o parziale, del carbonio combinato sotto forma di grafite;
• decarburazione: diminuzione del contenuto di carbonio sotto l’azione, a temperatura sufficientemente elevata, del mezzo esterno;
• ricarburazione: aumento del contenuto di carbonio sotto l’azione, a temperatura sufficientemente elevata, del mezzo esterno;
• deformazione di tempra o di trattamento: variazione della dimensione e/o della forma di  un prodotto in seguito ad un trattamento  termico;
• cricca: fessura provocata nel materiale dagli effetti immediati o differiti di un riscaldo o   di un raffreddamento;
• modificazione dell’aspetto superficiale: modificazioni dovute alla formazione o alla riduzione di ossidi superficiali nel corso di talune fasi del trattamento termico.

 

Punti critici.

 

Punto critico o punto di trasformazione o temperatura critica è la temperatura alla quale avviene, nel corso del riscaldo o del raffreddamento, una trasformazione con o senza cambiamento di fase.

Questa temperatura viene chiamata anche temperatura di trasformazione.

I punti critici principali sono i seguenti:

• A1: temperatura dell’equilibrio austenite «[ferrite + cementite] [perlite], l’austenite comincia a formarsi al riscaldo e termina si scomporsi al raffreddamento formando la miscela [ferrite + cementite] di composizione eutettoide denominato perlite.

Si possono distinguere:

• Ae1: temperatura di equilibrio della trasformazione (punto del diagramma di stato);
• Ac1: temperatura alla quale l’austenite eutettoide comincia formarsi nelle condizioni di riscaldo utilizzate; 
• Ar1: temperatura alla quale la trasformazione dell’austenite eutettoide in una miscela [ferrite + cementite] [perlite] termina nel corso del raffreddamento utilizzato.
• A3: temperatura d’equilibrio austenite « ferrite, nel caso di acciaio         ipoeutettoide, al di sopra della quale sola l’austenite è stabile e al di sotto della quale appare progressivamente la ferrite.

Si possono distinguere:

• Ae3: temperatura d’equilibrio della trasformazione (punto diagramma di stato);
• Ac3: temperatura alla quale la trasformazione della ferrite in austenite è completa  nelle condizioni di riscaldo utilizzate;
• Ar3:  temperatura alla quale l’austenite comincia a trasformarsi in ferrite al raffreddamento (meglio: inizia la segregazione della ferrite).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

• Acm: temperatura d’equilibrio austenite « cementite (secondaria) nel caso degli acciai ipereutettoidi, al di sopra della quale solo l’austenite è stabile al di sotto della quale appare progressivamente la cementite (secondaria).

Si possono distinguere:

• Aecm: temperatura d’equilibrio della trasformazione (punto del diagramma di stato);
• Accm: temperatura alla quale la messa in soluzione della cementite (secondaria) è completa nelle condizioni di riscaldo utilizzate;
• Arcm: temperatura alla quale la precipitazione della cementite (secondaria) comincia nelle condizioni di raffreddamento utilizzate (meglio: inizia la segregazione della cementite detta cementite secondaria).

 

• Ms (martensite start): temperatura alla quale comincia la trasformazione dell’austenite in martensite durante il raffreddamento;
• Mf: (martensite finish): temperatura alla quale la trasformazione dell’austenite in   martensite è praticamente completa (può in certi casi, ad esempio nel caso di acciai fortemente legati, sussistere dell’austenite residua).

 

Possono essere ricordati, ma non sono importanti per i nostri scopi:

• A4: temperatura d’equilibrio austenite  «  ferrite d;
• A2: temperatura alla quale la ferrite passa durante il riscaldo dallo stato ferromagnetico allo stato non ferromagnetico (punto di Curie).

L’intervallo di temperature nel quale si producono le trasformazioni viene detto intervallo critico o zona critica.

Esso è compreso fra i punti A1 ed A 3 per gli acciai ipoeutettoidi o fra i punti A1 ed Acm per gli acciai ipereutettoidi (l’acciaio eutettoide ha A1 º A 3 º Acm).

 

Austenitizzazione.

 

È l’operazione mediante la quale un acciaio è portato in modo più o meno completo allo stato austenitico, cioè allo stato di soluzione solida del carbonio, dell’azoto o di altri costituenti nel ferro allo stato g.

Essa comprende un riscaldo, con una permanenza sufficiente; la temperatura di questa permanenza è:

• nel caso di acciai ipoeutettoidi al di sopra di Ac3; 
• nel caso di acciai ipereutettoidi al di sopra di Accm se si ricerca una austenitizzazione completa, o solamente al di sopra di Ac1 se una austentiizzazione incompleta è compatibile con il seguito del trattamento termico (si ricorda che per gli acciai di molto iper ci si può avvicinare troppo alla curva del solidus con il rischio di provocare grano bruciato e quindi pezzo irrimediabilmente perso!).

L’austenitizzazione può essere:

• completa: quando la matrice è in equilibrio allo stato austenitico;
• parziale: quando insieme alla fase g sussiste una porzione più o meno importante della fase a;
• incompleta: quando la messa in soluzione di carburi o di altri costituenti non ha  raggiunto l’equilibrio o non è desiderata.

NB. Qualche autore e nelle ditte si usa talvolta, per velocizzare la pronuncia, il termine austenizzazione.

 

Curve di Bain.

 

Il diagramma di stato Fe-C (o meglio il diagramma ferro-cementite, cioè Fe-Fe3C) vale solo per raffreddamenti tali che diano tutto il tempo necessario affinché i processi di diffusione allo stato solido possano avvenire in modo completo.

Tale diagramma perciò non può essere usato se i raffreddamenti avvengono in tempi più brevi e tali da non permettere di raggiungere lo stato di equilibrio.

Le curve di Bain (e Davenport) definiscono invece, per ciascun acciaio, la struttura che si ottiene dalla trasformazione dell’austenite al variare della velocità o della temperatura di raffreddamento.

• Curve di Bain  isotermiche o T.T.T. (Temperatura,Tempo,Trasformazione).

Queste curve rappresentano il tempo di trasformazione dell’austenite a temperatura costante.

Le più semplici curve T.T.T. sono quelle studiate da Bain per le trasformazioni isotermiche di un acciaio eutettoide (≈0,8% di carbonio): per tale acciaio il punto A3 coincide col punto A1 (e coincide anche con Acm) e ciò rende le curve particolarmente semplici (l’austenite si “trasforma” in un solo prodotto).

La trasformazione isotermica si realizza così: preso un provino molto piccolo (così si può supporre che la temperatura cambi istantaneamente in tutta la sua massa e cioè si può sempre supporre che la temperatura sia costante in ogni punto ad ogni istante), lo si riscalda fino ad una temperatura Tr=T1 superiore al punto di trasformazione Ac3 (che coincide con Ac1 e con Accm), in modo che la struttura sia tutta austenitica (austenitizzazione completa).

Lo si raffredda poi istantaneamente fino ad una temperatura T2, inferiore al punto A1 (723 °C), che viene mantenuta costante; data la rapidità del trattamento l’austenite non riesce a trasformarsi subito (fenomeno di isteresi) e resta perciò presente anche alla temperatura T2.

Tale austenite però è instabile (alla temperatura T2 infatti, dovrebbe essersi già trasformata in condizioni di equilibrio). Questa instabilità fa sì che dopo un tempo t0  (tempo di incubazione) essa inizi a trasformarsi e dopo un tempo t1 la trasformazione risulti completata .

Si può rappresentare tale formazione in un diagramma avente le temperature (T) in ordinata e i tempi (t) in ascissa:

 

 

 

Tra il punto S ed il punto F l’austenite si trasforma in un’altra struttura che è stabile (cioè non subisce nel tempo altre trasformazioni). La struttura finale, però, cambia al variare della temperatura T2.

Ripetendo il procedimento a diverse temperature T2 si ottengono tanti punti S ed F che, congiunti, danno, le curve di Bain per trasformazioni isotermiche dell’austenite di un acciaio eutettoide.

Il diagramma riporta in ascissa il tempo in scala logaritmica, perché ci sono trasformazioni che richiedono tempi brevi e tempi molto lunghi (anche settimane) e la scala lineare si espanderebbe troppo in orizzontale.

Poiché il logaritmo di zero non esiste (log0 = - ¥), il diagramma ha le ascisse che non partono mai da un tempo zero, ma da un tempo definito (per esempio 0,1 secondi).

Sulla destra del diagramma sono riportati i nomi delle strutture ottenute alle diverse temperature di trasformazione dell’acciaio eutettoide.

 

Il comportamento dell’acciaio cambia completamente se il raffreddamento istantaneo scende sino a circa 220°C (linea Ms): in questo caso una parte di austenite si trasforma istantaneamente (senza che trascorra alcun tempo di incubazione) in una struttura che prende il nome di martensite.

Anche questa struttura non cambia più al passare del tempo; la trasformazione in martensite è completa solo se il raffreddamento istantaneo scende sotto i 60°C circa (linea Mf).

Se ci si ferma ad una temperatura T2 compresa tra Ms ed Mf  solo una parte di austenite diventa martensite e solo dopo tempi molto lunghi (1¸7 giorni) si può presumere che l’austenite residua si trasformi in prodotti bainitici (strutture intermedie) incontrando il prolungamento tratteggiato della curva di Bain (punto S) e termini di trasformarsi incontrando il punto F.

NB. Inizialmente le curve furono chiamate curve ad “S” per la loro forma.

 

 

 

Per la determinazione e la rilevazione delle curve isotermiche sono stati studiati vari procedimenti.

Il primo, quello classico, seguito dal Bain, consiste nel raffreddare, il più velocemente possibile, un certo numero di campioni (per esempio 25) dalla temperatura di austenitizzazione fino alla temperatura studiata  (per esempio 300 °C) e mantenerli quindi a temperatura costante (per esempi in un bagno di sali fusi): periodicamente ne viene estratto uno e temprato in acqua; se la struttura risultante è completamente martensitica significa che l’austenite, al momento del prelevamento del campione, non aveva ancora iniziato la trasformazione. Quando vediamo comparire insieme alla martensite un altro prodotto di trasformazione (per esempio nel nostro caso, la bainite) significa che l’austenite ha iniziato la sua trasformazione e la parte rimanente si è trasformata in martensite con la tempra in acqua: abbiamo così la misura del tempo necessario perché si inizi la trasformazione (è il punto S che nel nostro caso è di 3 minuti). Proseguendo nelle nostre operazioni su vari campioni arriveremo, dopo un certo tempo, ad un campione che non presenta più tracce di martensite, ma solo bainite; questo significa che tutta l’austenite si è trasformata a 300 °C: abbiamo così la misura del tempo necessario perché la trasformazione sia completa (è il punto F, che nel nostro caso è di circa 30 minuti). La rappresentazione di detto procedimento è evidenziato in figura.

 

provino 1-2.3.4: struttura risultante completamente martensitica;

provino 5: struttura risultante martensite + prima bainite;

provino 6-7: struttura risultante martensite decrescente e bainite crescente;

provino 8: struttura risultante completamente bainitica;

provino 9-...: struttura risultante sempre completamente bainitica.

 

Oltre a questo metodo, tipicamente metallografico, sono stati messi a punto altri procedimenti basati sulla variazione di altre caratteristiche durante la trasformazione: uno dei più interessanti è quello che consente di seguire il progredire della trasformazione attraverso le variazioni delle caratteristiche magnetiche; infatti l’austenite non è magnetica, mentre lo sono tutti i prodotti della sua trasformazione al di sotto del punto di Curie (punto A2, circa 769 °C) e quindi con dispositivi elettromagnetici si può seguire, istante per istante, la trasformazione ed anche registrarne le varie fasi.

Le strutture di trasformazione dell’austenite si possono riunire in tre gruppi:

• perlitiche: grossolana, fine, finissima o troostite (termine da non più utilizzarsi: proscritto);
• bainitiche: superiori ed inferiori;
• martensitiche.

Per meglio comprendere la formazione di queste diverse strutture bisogna ricordare che la dissociazione (dissoluzione) dell’austenite avviene attraverso due fenomeni distinti:

• trasformazione allotropica del ferro g in ferro a (da cubica a facce centrate, più “denso”, a cubica a corpo centrato);
• separazione della cementite.

Tali processi sono legati alla diffusione e quindi alle temperature in gioco.

Le trasformazioni perlitiche provengono da trasformazioni legate ad entrambi i fenomeni.

Abbassando gradualmente la temperatura del mantenimento isotermico, la trasformazione si accelera e la distanza fra le varie lamelle (ferrite-cementite) formanti la perlite è sempre più piccola e la struttura della perlite appare sempre più fine. A temperature più basse l’aspetto dei prodotti delle trasformazioni cambia in quanto si verifica per diffusione la separazione della cementite, mentre la trasformazione g ® a non ha più il tempo di avvenire per migrazioni di atomi di ferro, ma avviene senza diffusione, attraverso una specie di movimento “a scatto” degli atomi che si scambiano posti solamente in zone limitate e molto vicine. Non si possono più formare lamelle di ferrite e cementite e si ottiene una struttura diversa chiamata bainite, essa viene distinta in bainite superiore e bainite inferiore a seconda della temperatura di trasformazione. In entrambi i casi la cementite è presente non sotto forma di lamelle, ma di particelle isolate. La bainite superiore presenta particelle di cementite più grosse orientate di preferenza secondo l’asse delle placchette di ferrite circostanti; la bainite inferiore invece ha un aspetto aciculare (aghiforme), più marcato tanto più bassa è la temperatura di trasformazione; le particelle di cementite diventano piccolissime e sono orientate in piani formanti 60° con la direzione delle placchette di ferrite. Se il raffreddamento istantaneo scende al di sotto di Mf non c’è tempo per fenomeni di diffusione. La trasformazione g ® a avviene “a scatto” come nel caso della bainite, ma gli atomi di carbonio non riescono ad uscire dal reticolato (cubico a corpo centrato) del ferro a e non si ha più formazione di cementite. Il reticolo del ferro a risulta deformato (cella tetragonale) dalla presenza in esso degli atomi di carbonio che crea condizioni di soluzione solida soprassatura (vedere figura pagina precedente). La struttura risultante si chiama martensite: la deformazione del reticolo cristallino la rende estremamente dura e fragile. Tale durezza tuttavia non aumenta indefinitamente con l’aumento del tenore di carbonio, non potendo il reticolo distorcersi oltre certi limiti; il valore massimo raggiunto è di 65 HRC, che già si ha con lo 0,6% circa di carbonio (vedere figura pagina precedente).

 

Osservazione: di tutte le trasformazioni studiate fino ad ora, si è visto che solo la trasformazione martensitica non è isotermica e pertanto non dovrebbe essere considerata sullo stesso diagramma; si usa però lo stesso segnare le linee Ms e Mf nei diagrammi T.T.T. perché esse delimitano inferiormente il campo dell’austenite instabile (detta anche metastabile).

Nel caso di acciai con tenore di carbonio inferiore a 0,8% (acciai ipoeuttetoidi) o superiori a 0,8% (acciai ipereutettoidi) le curve T.T.T. risultano modificate. I diagrammi hanno qualitativamente l’andamento seguente:

 

 

Infatti il punto A3 (o Acm) non coincide più con il punto A1: avremo cioè due orizzontali corrispondenti alle temperature di ciascun punto critico; inoltre anche la temperatura dell’orizzontale Ms (e quindi anche Mf) subisce variazioni più o meno marcate per effetto del tenore di carbonio, come è presentato dal diagramma seguente:

 

 

Tale variazione può essere vista anche con la formula semplificata di Carapella:

 

Ms= 514×(1- 0,620×%C) - 18 [° C]

Dove %C è la percentuale di carbonio presente nell’acciaio.

 

 

Come si può notare compare una curva di inizio formazione ferrite o cementite (secondaria) a seconda che si tratti di un acciaio ipoeuttoide o ipereutettoide e quindi la struttura risultante presenta, eventualmente, ferrite o cementite espulse più i prodotti di trasformazione dell’austenite.

Le quantità di ferrite e cementite espulse possono annullarsi se la velocità di raffreddamento è elevata. Tali prodotti sono generalmente indicati nei diagrammi con F + C in quanto sono sempre composti da ferrite (F) e cementite (usualmente indicata con C, anche se più opportuno Cm) sia che si tratti di prodotti perlitici o bainitici. Bisogna poi aggiungere che gli acciai ipoeutettoidi a basso tenore di carbonio hanno le T.T.T. così spostate a sinistra che in molti casi esse oltrepassano addirittura l’asse delle ordinate rendendo praticamente impossibile ottenere strutture completamente martensitiche, come può mostrare l’esempio seguente.

La presenza poi dei  comuni elementi leganti (Cr, Ni, Mo, Mn, Si, W, Co, …) provoca diverse modifiche alle curve T.T.T. in quanto si:

• modificano i valori A1, A3, Acm;
• abbassano i valori delle temperature Ms ed Mf  (escluso il Co); in certi casi si può trovare Ms, al di sotto della temperatura ambiente con conseguente possibilità di trovare austenite residua a temperatura ambiente;
• spostano a destra (escluso il Co) le curve di Bain con conseguente aumento dei tempi di incubazione (isteresi); questa proprietà è particolarmente interessante perché rende possibile con aggiunte, talora minime, di un opportuno elemento chimico la completa trasformazione martensitica di acciai ipoeutettoidi per i quali, come già detto, non sarebbe sempre possibile;
• modificano la forma stessa delle curve.

Vengono riportati a titolo esemplificativo le variazioni della forma e della posizione delle curve isotermiche per alcuni acciai legati.

 

 

NB.   L’austenite viene indicata con A, l’austenite instabile con (A), l’austenite residua con (+A). la ferrite con F, la bainite con B, la martensite con M.

          Alcuni autori indicano la austenite con g, l’austenite instabile con (g), l’austenite residua con (+g), la ferrite con Fe, la bainite con Ba, la martensite con Ma.

 

 

b) Curve di Bain anisotermiche o C.C.T. (curve di raffreddamento continuo).

    Nella maggioranza dei trattamenti termici di importanza pratica gli acciai non vengono    

    mantenuti a temperature costanti,ma raffreddati con continuità, più o meno velocemente, 

    seguendo determinate traiettorie di raffreddamento ed allora le curve T.T.T. saranno

    modificate in C.C.T. (talvolta in antitesi alle T.T.T. vengono dette anche C.C.C.).

 

Trattamenti termici di interesse pratico.

 

Ricottura

La ricottura può servire separatamente o simultaneamente:

• ad attenuare gli effetti sulla struttura dovuti alla solidificazione, alla deformazione plastica, alla saldatura, al trattamento termico precedente;
• a conferire al materiale un determinato stato di addolcimento o a ripristinare quanto più possibile questo stato ove esso risulti modificato dai trattamenti anteriori;
• a provocare la formazione di strutture favorevoli alla lavorazione o alla deformazione a freddo;    
• a provocare la formazione di una determinata struttura ai fini, ad esempio, di un ulteriore trattamento termico;
• ad eliminare o ridurre le tensioni interne;
• ad attenuare le eterogeneità della composizione chimica del materiale.

Si possono distinguere diversi tipi di ricottura a seconda del prevalere di uno degli effetti sopracitati.

a) Ricottura completa o ricottura (propriamente detta): essa viene eseguita nel seguente modo:

• riscaldo progressivo fino ad una temperatura T1 (detta temperatura di ricottura) di 30¸50 °C superiore ad Ac3 o Accm (a seconda che l'acciaio sia ipoeutettoide o ipereutettoide) e quindi tale da garantire la completa austenitizzazione;
• mantenimento alla temperatura T1 per un tempo sufficiente a assicurare l'uniformità della temperatura nel pezzo;
• raffreddamento lento, in forno, in modo che tutte le trasformazioni possano avvenire in condizioni prossime a quelle di equilibrio; a titolo indicativo si possono ritenere che le velocità medie di raffreddamento siano dell'ordine di 30 °C/h.

Con riferimento alla figura si può ritenere che la traiettoria di raffreddamento intersechi le curve anisotermiche alle alte temperature in modo da evitare che l'austenite si trasformi in prodotti diversi dalla perlite (accoppiata a ferrite o cementite a seconda dei tenore di carbonio dell'acciaio).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La ricottura completa che riassume tutti gli scopi della ricottura in genere, non viene industrialmente quasi mai eseguita perché richiede un notevole impiego di tempo e di mezzi e porta generalmente ad una struttura a grani grossi che non è la migliore per la lavorazione alle macchine utensili con asportazione di truciolo e non sempre adatta per i trattamenti termici successivi.

 

b) Ricottura isotermica: è un ciclo di ricottura con il quale si ottengono praticamente gli stessi     risultati della ricottura completa, ma con vantaggio economico data la riduzione di tempo.

Il ciclo della ricottura isotermica si differenzia da quello precedente solo nel raffreddamento.

Come si può notare nella figura

 

 

 

 

 

 

 l'acciaio, dalla temperatura di austenitizzazione, viene raffreddato alla temperatura T2 (al di      sotto dell'intervallo critico ma tale da escludere il formarsi di bainite o martensite) più o meno rapidamente; durante il mantenimento a questa temperatura l'austenite si trasforma      isotermicamente in ferrite e aggregati di cementite.

Nel nostro caso da X a Y in ferrite e poi da Y a Z l'austenite residua si trasforma in perlite:      dunque il prodotto finale è perdite + ferrite.

Quando la trasformazione isotermica è terminata (dal punto Z in poi) si procede ad un  raffreddamento, in aria o anche in mezzo  più rapido, fino a temperatura ambiente.

Con questo trattamento si ottiene in generale, rispetto alla ricottura completa, una migliore      lavorabilità alle macchine utensili.

 

 

c)  Ricottura di coalescenza (o giobulizzazione).

Lo scopo è quello di permettere all'acciaio di raggiungere un equilibrio strutturale comportante modifiche delle dimensioni e della forma dei costituenti fini dispersi, quali ad esempio la sferoidizzazione della cementite, derivandone una migliore lavorabilità alle macchine utensili asportanti truciolo e una migliore deformabilità plastica a freddo.  La ricottura di coalescenza      può essere effettuata con cicli diversi quali:

 

• riscaldo a temperatura T1, minore di Ac1, permanenza prolungata a tale temperatura e successivo raffreddamento lento;

 

• riscaldo pendolare a temperature vicine situate a cavallo di Ac1 e successivo raffreddamento lento (ricottura pendolare):

 

 

 

• riscaldo compreso nell' intervallo critico Ac1-Ac3 o Ac1-Acm, permanenza a tale temperatura e successivo lento raffreddamento con prolungata sosta a temperatura appena al di sotto del punto critico e successivo raffreddamento a velocità conveniente:

 

 

d)  Ricottura di ricristallizzazione.

Essa viene effettuata al fine di modificare la struttura distorta od incrudita da una lavorazione meccanica  eseguita a freddo ed ottenere una nuova struttura a grani regolari non deformati.

Essa comprende il riscaldo ad una temperatura (detta temperatura di ricristallizzazione) che      dipende dall'acciaio e dal suo grado di incrudimento, la permanenza per un tempo sufficiente ed il successivo raffreddamento generalmente lento.

 

e)  Ricottura di distensione.

Comporta un riscaldo a temperatura conveniente, inferiore ad Ac1, con o senza permanenza,    seguito da un raffreddamento a velocità conveniente, allo scopo di ottenere la soppressione delle tensioni proprie dovute alla solidificazione o alle operazioni anteriori, sia termiche (che non siano di tempra), sia meccaniche, sia di saldatura.

 

f)  Ricottura di diffusione (o di omogeneizzazione).

Viene effettuata ad una temperatura (per acciai suscettibili di trasformazione a ® g di regola        molto al di sopra di Ac3) e per una durata tale da far si che la diffusione sia sufficiente per      attenuare le eterogeneità di composizione chimica del materiale prodottesi durante una      operazione precedente effettuata a temperatura molto elevata (solidificazione dopo fusione, ...).

Il raffreddamento viene in seguito effettuato secondo una legge appropriata.

 

g)  Ricottura in vista dell'ingrossamento del grano.

Essa serve per aumentare la lavorabilità alle macchine utensili. Il ciclo comporta un riscaldo a temperatura elevata, nettamente al di sopra di Ac3, una permanenza di durata sufficiente ed un successivo raffreddamento lento specie attraverso l'intervallo critico.

 

 

 

 

Normalizzazione.

Serve per affinare ed omogeneizzare il grano conferendogli buone doti di resilienza (resistenza agli urti).

Essa consiste nel:

• riscaldo dell'acciaio ad una temperatura T1 di circa 70 °C sopra Ac3 per gli acciai ipoeutettoidi e Ac1 e talora Accm per gli acciai ipereutettoidi;
• permanenza a tale temperatura per un tempo sufficiente a realizzare la completa austenitizzazione (o incompleta se sopra Ac1 per gli acciai ipereutettoidi);
•    raffreddamento in aria calma (per gli acciai al carbonio) o comunque con velocità che non deve superare la velocità critica Vi.

La struttura che si vuole ottenere è di tipo ferritico-perlitica (se si tratta di acciai ipoeutettoidi) o di tipo perlite-cementite (se si tratta di acciai ipereutettoidi) a grani uniformi e relativamente fini.

Nella figura vengono rappresentate per confronto una ricottura completa ed una normalizzazione.

 

 

 

 

 

Dunque la velocità di raffreddamento della normalizzazione è più elevata di quella della ricottura completa.

Anche la temperatura T1 della normalizzazione è diversa ed è più elevata per poter ottenere una migliore omogeneizzazione.

 

Tempra.

La tempra consiste nel:

• riscaldare l'acciaio ad una temperatura T1 di 50 °C circa sopra il punto Ac3 per gli acciai ipoeutettoidi e sopra Accm o solo Ac1 per gli acciai ipereutettoidi, rinunciando in questo ultimo caso ad avere una completa austenitizzazione, perché oltre ad essere la cementite un composto molto duro il punto Accm si avvicina rapidamente alla linea di "solidus" ed in queste condizioni si avrebbero fenomeni di surriscaldamento (indesiderati perché infragiliscono la struttura) e per i tenori più elevati di carbonio basterebbe una piccola variazione incontrollata della temperatura per produrre la parziale fusione dell’acciaio al contorno dei grani (grano bruciato) rovinandolo irrimediabilmente;
• mantenere l'acciaio alla temperatura T1 per un tempo sufficiente per assicurare la completa  austenitizzazione (incompleta nel caso degli acciai ipereutettoidi quando T1 è sopra Ac1);
• raffreddarlo con velocità superiore alla velocità critica Vs, superare Ms e Mf (che può anche essere al di sotto della temperatura ambiente), in modo da fargli acquistare una struttura completamente martensitica, caratterizzata da grande durezza e fragilità.

 

Il raffreddamento necessario alla tempra dell'acciaio si ottiene immergendo il pezzo in un mezzo che può essere acqua, soluzioni saline, oli, metalli fusi, sali fusi, aria soffiata o semplicemente aria (acciai autotempranti).

 

La curva di raffreddamento dei vari mezzi dipenderà dal loro calore latente di vaporizzazione, dal calore specifico, dalla conducibilità termica, dalla viscosità, dalla temperatura.

Le velocità di raffreddamento dei vari mezzi tempranti vengono classificate ponendo uguale ad uno quella dell'acqua a 20 °C (viene chiamato indice di drasticità ed è indicato con H).  Nella tabella seguente vengono riportati a titolo esemplificativo alcuni valori delle drasticità dei comuni mezzi tempranti:

 

 

L'agitazione o circolazione del bagno fa aumentare i suddetti valori.

 

Più la velocità Vs dell'acciaio sarà elevata, più grande dovrà essere l'indice di drasticità del mezzo raffreddante: aumenta quindi il pericolo di distorsioni e di cricche di tempra dovute alle tensioni interne che si stabiliscono nel pezzo.

 

Le tensioni di tempra e le deformazioni sono collegate al fatto che raffreddando un pezzo di acciaio di una certa massa con velocità superiore a Vs è evidente che la parte esterna, ad immediato contatto con il mezzo di tempra sarà la prima ad attraversare  l'orizzontale Ms, mentre il cuore del pezzo raggiungerà la temperatura Ms dopo un certo tempo (tanto più grande quanto più grande è il pezzo e/o quanto più elevato è l’indice di drasticità del mezzo di spegnimento); poiché la trasformazione austenite-martensite avviene con un aumento di volume, l'espansione della zona interna è ostacolata dallo strato superficiale già martensitico ed induce quindi nel materiale quello stato di tensioni che può provocare gli inconvenienti descritti.

 

Potrebbe anche accadere che l'interno dei pezzo non possa essere completamente martensitico, perché la sua velocità di raffreddamento è inferiore a Vs.

• tempre bainitiche: i tipi di tempra fin qui studiati permettono di avere la formazione della martensite in modo pressoché totale, però, per determinate applicazioni,                                 può essere preferibile che il costituente finale sia principalmente la                                 bainite, in modo da avere minori tensioni interne anche se il risultato è una                                 minore durezza.

La legge di raffreddamento è tale da evitare la trasformazione superiore austenite-perlite e anche, almeno in parte, la trasformazione inferiore austenite-martensite.  Nel campo bainitico (zona di temperature maggiori della temperatura Ms) il ciclo può continuare con una delle seguenti varianti:

• un rallentamento dei raffreddamento poi, quando la trasformazione intermedia sia sufficientemente progredita, un raffreddamento qualsiasi fino alla temperatura ambiente: si ottiene una struttura finale costituita da bainite e da martensite;

 

•  una permanenza a temperatura costante poi, quando la trasformazione intermedia sia ultimata, un raffreddamento qualsiasi fino alla temperatura ambiente: si ottiene una struttura finale costituita completamente da bainite (tale trattamento viene detto: tempra isotermica o austempering).

 

Osservazione.

Nei processi di tempra di tipo martensitico, cioè quelli che portano ad una struttura finale di tipo martensitico, si può presentare la possibilità di austenite residua: questo fenomeno é dovuto all'incompleta trasformazione in martensite per effetto di un eccessivo ostacolo allo scorrimento dei piani cristallografici. La quantità di austenite residua dipende dalla composizione chimica dell'acciaio e dalla velocità di raffreddamento. La sua presenza è indesiderabile perché ha effetti negativi sulla durezza, sulla resistenza all'usura e sulla stabilità dimensionale (nel tempo infatti tende a trasformarsi in prodotti di equilibrio meno densi e dunque necessari di maggior volume).

 

Rinvenimento.

E' un trattamento termico effettuato su un prodotto allo stato temprato al fine di provocare modificazioni che gli conferiscano le caratteristiche di impiego volute. Tale trattamento provoca la formazione di una struttura più vicina allo stato di equilibrio fisico-chimico di quella conseguita mediante la tempra.

Il ciclo termico comporta un riscaldo fino ad una temperatura determinata ma minore di Ac1, una o più permanenze ad una o più temperature determinate, uno o più raffreddamenti fino alla temperatura ambiente mediante un mezzo appropriato o secondo una legge fissata.

Con il termine rinvenimento di distensione o stabilizzazione si designa il trattamento di rinvenimento effettuato a bassa temperatura (150¸200°C ); lo scopo principale è l'eliminazione più o meno completa delle tensioni dovute alla tempra ed il miglioramento della stabilità meccanica.  Esso comporta minime variazioni di durezza e di struttura e viene effettuato, ad esempio, dopo le tempre martensitiche e dopo la tempra bainitica ottenuta con raffreddamento continuo.

NB. La martensite rinvenuta viene chiamata martensite b per distinguerla dall’altra chiamata martensite a. La martensite a è tetragonale, la martensite b cubica.

L'insieme del trattamento termico di tempra e del rinvenimento (che non sia di distensione) viene denominato bonifica.

 

Con il rinvenimento si favorisce la diffusione degli atomi di carbonio che abbandonano progressivamente il reticolo della martensite per precipitare sotto forma di carburi (per esempio: cementite).

 

Le strutture, di importanza pratica, conseguenti al riscaldo della martensite sono:

• martensite rinvenuta: aggregato di ferrite e carburi che mantiene l'aspetto della martensite, la   struttura si affina e l'eventuale austenite residua scompare; rinvenimento viene effettuato a temperature di circa 150¸200 °C. La sua resilienza è migliorata per l'attenuazione delle tensioni interne, mentre la durezza e la resistenza sono pressoché costanti;
• sorbite: aggregato di ferrite e di carburi risultante dal rinvenimento a temperature di circa 400¸600 °C e per tempi prolungati in modo da favorire una progressiva sferoidizzazione dei carburi nella matrice ferritica (fenomeno di coalescenza); essa è caratterizzata da una fase globulare fine, omogenea ed uniforme: è la struttura che offre la massima tenacità (ideale per pezzi sottoposti a cicli ripetuti, cioè a fatica), è però sensibile la diminuzione della durezza e della resistenza;
• perdite globulare: aggregato di ferrite e carburi risultante dal rinvenimento a temperature di circa 600¸700 °C (o comunque sempre inferiori ad Ac1 ), essa è caratterizzata da una fase globulare grossa in quanto prosegue (all'aumentare della temperatura di rinvenimento) la precipitazione dei carburi dalla martensite ed ha una buona lavorabilità alle macchine utensili  con asportazione di truciolo (bonifica di lavorabilità), mentre si hanno valori sempre più bassi di resistenza e di durezza (simili a quelli di una ricottura).

Gli effetti della temperatura di rinvenimento sono dunque sostanziali ai fini delle proprietà meccaniche e tecnologiche ed in particolare all'aumentare della temperatura la resistenza a trazione e la durezza diminuiscono, mentre aumentano la resilienza, l'allungamento, la deformabilità, la lavorabilità alle macchine utensili.  Nella figura vengono riportate, a titolo esemplificativo, le caratteristiche meccaniche medie dell'acciaio 38 NiCrMo4 in funzione della temperatura di rinvenimento.

NB. Rs carico di snervamento oggi indicato con ReH, KCU resilienza Charpy oggi indicata con KU.

 

 

Al rinvenimento si possono presentare anche altri fenomeni quali:

• la fragilità al rinvenimento o malattia di Krupp: diminuzione della resilienza collegata a  precipitazioni intercristalline che si manifesta principalmente negli acciai al Ni-Cr per temperature di rinvenimento comprese fra 300¸500 °C o per raffreddamenti troppo lenti da dette temperature; il fenomeno può essere eliminato con minime introduzioni di Mo (0,25¸0,35%); nb. kgm/cm2 sono circa daJ/cm2.

 

• durezza secondaria: aumento della durezza che si presenta negli acciai ad elevato tenore di carbonio per decomposizione dell'austenite residua, ma soprattutto negli acciai per utensili che contengono anche elevati tenori di W, Co, V, Cr; in questi acciai, infatti, non solo si ha       un ritardo nella decomposizione della austenite residua, ma anche una precipitazione di   particolari carburi in forma finemente dispersa, che, non partecipando ai fenomeni di             coalescenza, conferiscono all'acciaio l’aumento di durezza.

 

 

 

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