Riassunto di Metallurgia

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Riassunto di Metallurgia

Messaggio da Aldebaran »

Su questo sito dell'università di Kiel ho trovato scritte molte cose interessanti.
Ho deciso di fare un riassunto in italiano affinchè ne possano usufruire tutti gli appassionati di forgiatura e trattamenti termici.

Capitolo 1 Tenacità Metalli/Lavorabilità

Capitolo 2Anisotropia/l’energia di bordo grano/fragilità

Capitolo 3 Deformazioni

Capitolo 4 Fratture

Capitolo 5 Lavorazione a caldo

Capitolo 6 Diagramma Fe-C

Capitolo 7 Trattamenti Termici

Capitolo 8 Elementi in Lega e Classificazione Acciai

Capitolo 9 Acciai Inox

Capitolo 10 Acciai da Utensili

Capitolo 11 Ghise

Bibliografia:
http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/m ... 8_4_2.html

http://straightrazorplace.com/razors/71 ... steel.html

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/index.html
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Re: Riassunto di Metallurgia

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1. Significato della tenacità nei metalli

La tenacità è la capacità di un materiale di assorbire energia sino alla rottura. L’energia assorbita viene trasferita alla deformazione del pezzo. La tenacità è una proprietà fondamentale in quanto indica di quanto si deforma plasticamente un metallo prima di rompersi. Inoltre questo parametro è un indicatore di come si romperà il pezzo (sempre tenendo conto delle condizioni di utilizzo): un materiale tenace sfrutta la propria deformazione plastica all’apice delle cricche, che si “arrotondano”, attenuando l’effetto di “intensificatori di sforzo”, dunque si avrà una frattura cosiddetta duttile.

2. Significato della lavorabilità per deformazione plastica e della lavorabilità per asportazione
di truciolo


La lavorazione per deformazione plastica è strettamente connessa alla tenacità di un materiale: se un metallo ha grande tenacità può subire lavorazioni come la laminazione o lo stampaggio, che consistono nel far passare una lastra fra due rulli contrapposti per ridurre gradualmente lo spessore (più passaggi). La lavorazione per asportazione di truciolo può essere eseguita su di un materiale duttile, che quindi è facile da lavorare a macchine utensili. Tale materiale creerà un truciolo spezzettato.
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Re: Riassunto di Metallurgia

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Capitolo 2

1. Anisotropia

La struttura cristallografica con i suoi (eventuali) sistemi di massimo impaccamento di atomi, determina il comportamento meccanico dei metalli.
Le proprietà di un metallo dipendono dalla composizione chimica, dalla struttura e dalla microstruttura:
 Cella BCC: cubica a corpo centrato, nessun piano di massimo impaccamento, 4 direzioni di massimo impaccamento, NESSUN SISTEMA di massimo impaccamento.
Piano ottaedrico: piano di massimo impaccamento per le celle FCC e HCP. Contiene 3 direzioni di massimo impaccamento.
Ha 2 possibili sequenze di impilaggio che portano a 2 celle diverse:
 FCC: sequenza ABC-ABC-ABC. Struttura cubica a facce centrate. 4 piani di massimo impaccamento (con 3 direzioni di massimo impaccamento ciascun piano) --> 12 sistemi di massimo impaccamento.
 HCP: sequenza AB-AB-AB. Struttura esagonale compatta. 1 piano di massimo impaccamento, 3 direzioni di massimo impaccamento --> 3 sistemi di massimo impaccamento.

Le proprietà fisiche dei monocristalli di alcune sostanze dipendono dalla direzione cristallografica lungo la quale sono misurate. Tale direzionalità delle proprietà è detta ANISOTROPIA (dal greco – non uguale in ogni luogo), il contrario è detto ISOTROPIA (le proprietà non dipendono dalle direzioni).
Un monocristallo è ANISOTROPO, un aggregato policristallino è tendenzialmente ISOTROPO (i vari cristalli hanno orientamento casuale nel materiale).
N.B. Un aggregato policristallino si può rendere ANISOTROPO mediante una lavorazione: con la laminazione ad esempio si orientano i grani in una determinata direzione. Ovviamente per l’utilizzo di metalli laminati si deve specificare la direzione di utilizzo.
Forgiatura o fucinatura: Deformazione plastica avvenuta ad una determinata temperatura (a caldo).

2. Fenomeni correlati con l’energia di bordo grano
Come osservo i grani di un materiale?
 Lucido a specchio il materiale (eliminare difetti morfologici)
 “Attacco cristallografico”, ossia sostanza che corrode il metallo.
 La corrosione è avvantaggiata sui bordi grano per cause termodinamiche.
 Osservo al microscopio
.
Difetti reticolari: i difetti reticolari consistono in distorsioni del reticolo cristallino, dovute a vari fattori. Tali difetti influenzano pesantemente le proprietà dei metalli. Se non esistessero i difetti, non sarebbe possibile la diffusione, o lo stampaggio. Principali tipi di difetti:
 Vacanze reticolari, ossia siti “vacanti” del reticolo, posizioni in cui manca un atomo e dove quindi si crea una distorsione del reticolo. La concentrazione di vacanze è legata alla temperatura. Tale difetto è strettamente connesso alla diffusione.
 Atomi interstiziali, ossia atomi di natura diversa dagli atomi del reticolo, si trovano in posizioni “interstiziali”, ossia fra gli atomi del reticolo normale. Creano anch’essi una distorsione del reticolo, che influenza la resistenza meccanica.
 Atomi sostituzionali, ossia atomi di natura diversa dagli atomi del reticolo che si trovano dove dovrebbe trovarsi un atomo del reticolo. Creano distorsione del reticolo, dunque influenzano la resistenza meccanica del materiale.
 Dislocazioni,ossia difetti di linea; nel reticolo cristallino manca un’intera “linea” di atomi. Questo porta a una distorsione del reticolo, dunque le dislocazioni influenzano la resistenza meccanica di un materiale, ma oltre a questo tali difetti entrano in gioco in prima persona per i fenomeni di deformazione plastica di un materiale. La deformazione plastica infatti è strettamente connessa al moto delle dislocazioni.
 Bordo grano, ossia la zona di confine fra un grano ed un altro. È una superficie amorfa che ha proprietà diverse da quelle del grano. Definizione: “Superficie continua che “accomoda” la diversa orientazione dei grani adiacenti.” (carica su se stesso le tensioni che esistono fra i grani). È un difetto di superficie, modellato come una foresta di dislocazioni. Possiede una grande energia.
o Energia del bordo grano: dove c’è deformazione, c’è energia. La superficie del bordo grano è piena di difetti, dunque il reticolo presenta pesanti deformazioni dovute a tali difetti, che spiegano la presenza di questa energia.
 L’energia di bordo grano entra in gioco nei fenomeni di:
 Accrescimento del grano: infatti, se si scalda un materiale si verifica un fenomeno di crescita del grano, dovuto alla spinta termodinamica di riduzione dell’energia totale del materiale: infatti, maggiore è la dimensione del grano, minore è la superficie TOTALE dei grani, dunque diminuisce l’energia totale.
 Nucleazione: i nuovi atomi nucleano sul bordo grano della fase in trasformazione.

L’angolo fra grani è definito in termini meccanici, infatti l’angolo “a” in figura ha ampiezza dipendente dalle energie di bordo grano dei cristalli. In un materiale monofasico, l’angolo fra i grani è solitamente 120°, in quanto tutti i grani hanno la stessa energia.
Nel caso di materiali bifasici:
L’orientazione dell’angolo θ dipende dalle energie di bordo grano delle due fasi. Come si può notare in figura, basta equilibrare le forze fra fase 1 e fase 2, in questo caso:
γ11=γ12*cos(θ/2) + γ12*cos(θ/2).
Riassumendo, i i fenomeni collegati all’energia di bordo grano possono essere:
o Segregazione degli atomi di soluto a bordo grano (attratti dai campi di deformazione)
o Corrosione facilitata a bordo grano
o Nucleazione di nuovi grani
o Accrescimento del grano
o Angolo fra i grani
o Creep


3. Fragilità a caldo dell’acciaio causata dallo zolfo:

Fragilità a caldo: comportamento anomalo, molto pericoloso. Solitamente è causato da un’eccessiva presenza di zolfo nell’acciaio (oltre lo 0,035% in peso di zolfo c’è il rischio di fragilità). Tale fenomeno è dovuto alla posizione assunta dallo zolfo: infatti tale elemento si posiziona sul bordo grano, sotto forma di placchette. È noto che lo zolfo ha una temperatura di fusione bassa, minore di quella di un acciaio. Questo comporta il fatto che, ad elevate temperature lo zolfo porta alla formazione di un eutettico che si scioglie prima della matrice, e crea un film continuo di liquido che fa slittare i grani. Stesso effetto per rame-bismuto.
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Re: Riassunto di Metallurgia

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Capitolo 3

Deformazione elastica e deformazione plastica dei metalli:

Il comportamento a deformazione di un materiale è una delle caratteristiche fondamentali, infatti:
 Nelle lavorazioni si sfrutta la deformazione plastica (irreversibile) per dare la forma voluta.
 In utilizzo, è consentito al componente di deformarsi elasticamente ma non plasticamente.
 Se in utilizzo il pezzo di deforma plasticamente (per sovraccarico), deve incrudire per resistere alle sollecitazioni.
 A livello strutturale, la deformazione plastica di un metallo ne determina la tenacità.
Materiale fragile: materiale che non si deforma plasticamente, o si deforma in quantità minima (vetro).
Materiale duttile: materiale che si deforma plasticamente, a sforzi bassi , la deformazione plastica è molto facile e può raggiungere anche il 400% di allungamento a rottura.
Materiale tenace: buona deformazione plastica a carichi elevati, ha la capacità quindi di assorbire energia prima di rompersi.
Differenze: nella deformazione elastica, sotto l’effetto di uno sforzo di taglio gli atomi si spostano dalle posizioni reticolari ma non raggiungono posizioni di equilibrio, quindi con la scomparsa dello sforzo, gli atomi ritornano alla loro posizione originale. Nella deformazione plastica invece, sotto l’effetto di uno sforzo di taglio gli atomi si spostano dalle posizioni reticolari e raggiungono altre posizioni di equilibrio, dunque non tornano nella posizione iniziale.

1. Definizione e determinazione del carico di snervamento

Il carico di snervamento è quel carico oltre il quale il metallo comincia deformarsi plasticamente. Nella curva del grafico sforzo deformazione si può individuare come il punto in cui la pendenza cambia. Spesso è difficile determinarlo con precisione e per questo viene adottato il limite di proporzionalità allo 0,2%: quindi si definisce carico di snervamento quel carico che comporta una deformazione permanente del pezzo allo 0,2%. Anche prima dello snervamento si può avere una piccola deformazione plastica che però è innocua e viene quindi trascurata.
2. Definizione e determinazione del coefficiente di incrudimento
L'incrudimento è quel “fenomeno” per il quale un materiale resiste a deformazione plastica. Può essere sia positivo che negativo a seconda della funzione del materiale. “n”, il coefficiente di incrudimento si trova tramite l'equazione che descrive il campo plastico della curva vera: σt=Kεtn che se graficata logaritmicamente diventa logσt= logK + nlogεt dove K è una costante del materiale e “n” può andare da 0 a 0,5.

3. Lo sforzo di taglio di Nabarro Peierls: definizione e descrizione

Lo sforzo di taglio di Nabarro-Peierls è lo sforzo necessario per ottenere lo scorrimento fra piani cristallografici. In un cristallo perfetto (privo di difetti), lo sforzo è pari a T=G/2, dove G è il modulo di elasticità a taglio.
Lo sforzo di taglio di Nabarro-Peierls è influenzato da vari parametri:
 Distanza fra i piani e fra gli atomi del piano (struttura cristallina)
 Temperatura
 Impurezze del cristallo.
Nei cristalli conenenti dislocazioni, lo scorrimento richiede piccolissimi spostamenti di pochi atomi e quindi lo sforzo richiesto è molto minore di quello teorico.
τNP = [2G/(1-v)] e –*2πa(1-v)b]

4. Sorgenti di Frank-Reed

Sorgenti di Frank-Reed: spiegano perché l’incrudimento causa la fragilità di un metallo. Si ha una dislocazione con gli estremi bloccati. Sotto l’effetto dello sforzo di taglio questa dislocazione si “gonfia” sempre più, fino a chiudersi su se stessa formando un loop, grazie all’interazione dei campi di deformazione delle dislocazioni. Oltre alla formazione del loop, quando la dislocazione si chiude origina un nuovo frammento di dislocazione, che sotto l’effetto dello sforzo si gonfierà originando altri loop ed altre dislocazioni.
Geminazione: meccanismo di deformazione plastica, prevalente a bassa temperatura e ad elevata velocità di deformazione. Prevede il moto cooperativo degli atomi contenuti in un volume finito del cristallo, indotto da sforzo di taglio.
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Re: Riassunto di Metallurgia

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Capitolo 4

La frattura: evento da evitare in lavorazione e in esercizio. Evento microscopico da cui deriva l’evento macroscopico di rottura (nucleazione di una cricca e propagazione).
Due tipi di frattura: frattura transgranulare (o per clivaggio) – la frattura avviene dentro ai grani – e frattura intergranulare – ovvero la frattura avviene fra un grano e l’altro, lungo i bordi dei grani- .
A seconda delle condizioni di utilizzo, il materiale può avere diversi tipi di frattura:
Frattura duttile: alta energia di deformazione (plastica), grandi quantità di energia assorbita prima della frattura. La superficie si presenta irregolare, non lucida. Velocità di propagazione “lenta”, prima di propagarsi si ha deformazione plastica.
Frattura fragile: bassa energia di deformazione, bassa quantità di energia assorbita prima della frattura. La superficie si presenta regolare, lucida. Velocità di propagazione “rapida”, incontrollabile perché il materiale non si deforma plasticamente prima della rottura.
Frattura per fatica: materiale sollecitato ciclicamente, può avvenire la rottura anche per carichi molto inferiori a quelli di rottura, avviene quando si è in presenza di un carico variabile nel tempo.
Frattura per creep: elevate temperature, carico costante.
1. Parametri che influenzano il comportamento a frattura dei metalli
Il comportamento a frattura dipende dalle condizioni di carico: i parametri da prendere in considerazione sono 3:
 Temperatura: maggiore è la temperatura, maggiore è la tendenza plastica alla rottura.
 Velocità di deformazione: all’aumentare della velocità di deformazione, la deformazione plastica è minore, quindi è via via più difficile.
 Multiassialità degli sforzi
In presenza di basse temperature, elevate velocità di deformazione e multiassialità degli sforzi avviene una frattura fragile.
2. Frattura fragile: meccanismo, sforzo di rottura teorico, nucleazione e propagazione della cricca di clivaggio e fattori controllanti
Frattura fragile per clivaggio: superficie lucida, brillante. Si ha la separazione di due piani cristallografici per rottura dei legami. Da notare che lo sforzo teorico:

ςt = (γE/a)1/2

dovuto alla separazione e rottura dei legami fra gli atomi del materiale è molto maggiore dello sforzo reale in quanto non tiene in considerazione la presenza di difetti nel materiale. In particolare le cricche, dei micro vuoti all’interno del materiale possono fungere da intensificatori di sforzo ai loro apici, aumentando anche di molto il valore reale dello sforzo all’apice della cricca.

La nucleazione della cricca può avvenire in 4 modi:

 Impilaggio di dislocazioni, che trovano un ostacolo al moto dei piani di scorrimento
 Intersezione di piani diversi
 Geminati
 Particelle di seconde fasi, nelle leghe tecnologiche, possono generare cricche (esempio i carburi negli acciai, infatti particelle di seconde fasi o impurezze ostacolano dislocazioni; ecco perché nell’analisi metallografica si può notare il sito di nucleazione della cricca come un aggregato di impurezze o di seconde fasi). Più grandi saranno queste particelle, più grandi saranno le cricche che si possono formare, da qui deriva il fatto importante di controllare la dimensione dei precipitiati.
gli aggregati cristallini a grana fine si oppongono alla propagazione della cricca in quanto il bordo grano ha un effetto tenacizzante, quindi al diminuire della dimensione del grano si ha più resistenza.
Importante è il concetto di lunghezza critica della cricca: se la lunghezza della cricca non raggiunge un valore critico, non si avrà rottura. Dunque anche per questo motivo è utile avere un materiale a grana fine.
Parametri per la rottura fragile:
 Modulo elastico: più è alto, più è resistente alla fragilità.
 Energia superficiale: più è alta, più è resistente il materiale. È modificabile aggiungendo elementi in lega (acciai al nichel…)
 Energia di deformazione plastica
 Dimensione del grano
3. Frattura duttile: meccanismo, nucleazione e propagazione della cricca duttile

Frattura duttile: tipo di frattura che avviene dopo che nel materiale è avvenuta deformazione plastica. La frattura duttile interessa tutti quei materiali che sono duttili e hanno buona tenacità. Si può osservare nelle prove di trazione, nelle quali si assiste ad un progressivo assottigliamento della sezione (strizione) del provino sino a rottura. La superficie di frattura è detta a “coppa-cono”. Essa si presenta irregolare, caratterizzata da una miriade di fossette (dimples) tipiche di questo tipo di frattura. Il meccanismo di nucleazione si basa sulla formazione di microvuoti (void sheet) causati da un accumulo di dislocazioni (per blocco delle dislocazioni, che tendono ad unirsi riformando le void sheet). Questi microvuoti si uniscono a formare delle bande di vuoto. Queste, rompendosi, formano una cricca. All'apice della cricca c'è un'intensificazione degli sforzi che crea nuove bande di vuoto. La critica duttile si propaga quindi per formazione e rottura delle bande di vuoto (zig-zag)

4. Transizione duttile-fragile

Il comportamento duttile fragile del materiale dipende dalle condizioni di esercizio del pezzo: la temperatura alla quale si effettua la prova, la velocità di deformazione che il provino subisce e la multiassialità degli sforzi a cui è soggetto. Tutti i materiali tendono ad assumere un comportamento duttile all’aumentare della temperatura, e al diminuire della velocità di deformazione. Per studiare la trasformazione duttile-fragile viene utilizzata la prova Charpy, che calcola l'energia assorbita dal provino durante l'urto. Maggiore è l'energia assorbita maggiore è il comportamento duttile del materiale. Viene indicata come temperatura di transizione duttile fragile la temperatura corrispondente alla media matematica dell'energia massima assorbita e quella minima. La prova viene effettuata a varie temperature e si va ad osservare la quantità di energia che viene assorbita durante la prova. A causa di questo comportamento i metalli con struttura BCC alle basse temperature diventano fragili. Questo avviene anche a causa dei pochi sistemi di slittamento di questi materiali. Questi materiali non devono quindi lavorare sotto la temperatura di transizione. In generale gli FCC non presentano transizione duttile fragile, la temperatura di transizione è inferiore ai -180 °C (acciai austenitici).

5. Frattura fragile intergranulare

La frattura intergranulare è un tipo di frattura anomala per un metallo ed è causata da fenomeni di infragilimento a bordo grano (rame-bismuto e acciaio-fosforo). Ad esempio il fosforo tra i 350 °C e 650 °C, negli acciai, tende a diffondere (segregazione) nel bordo grano e lo rende fragile. Questo accade perché a bassa temperatura il potenziale chimico del fosforo è minore (più stabile) a bordo grano e quindi ogni volta che si scalda e si raffredda, il fosforo diffonde di più.

6. Frattura per fatica: morfologia della superficie di frattura, meccanismo di nucleazione e propagazione della cricca, curve di Wohler, correlazione con le proprietà a trazione.

Frattura per fatica: In condizioni di carico variabile nel tempo, si può avere rottura anche per carichi inferiori alla resistenza del materiale, frattura per fatica.
Morfologia della superficie di frattura: parte liscia in cui è enucleata la cricca. Essa si propagata lentamente (creando delle linee di riposo o linee di spiaggia). Parte ruvida : la cricca ha raggiunto la lunghezza critica,diventando una cricca critica (distruttiva, in quanto la sezione resistente si è ridotta a seguito della deformazione a intervalli).
La frattura avviene con un numero di cicli sempre minore all’aumentare del carico.

Curve di Wohler: grafici che mettono in relazione la componente alternata di un ciclo di fatica (sforzo alternato –costante) con il numero di cicli che un provino sopporta prima della rottura. Ogni curva di Wohler ha una probabilità prefissata, ad esempio può esistere la curva 20% di probabilità (inteso come 20 provini su 100 al livello di sforzo fissato si rompono dopo il numero di cicli osservato sul diagramma).
Si definisce come limite a fatica di un materiale la resistenza di un pezzo a 107 cicli in esercizio, ma per alcuni materiali esiste un limite a fatica al di sotto del quale il pezzo può sopportare un numero infinito di cicli (materiali BCC).Tale limite si può notare sulle curve di Wohler come asintoto orizzontale.
La nucleazione della cricca di fatica avviene in superficie tramite la cosiddetta teoria delle intrusioni nelle estrusioni: a causa della flessione alternata, lo sforzo si concentra in superficie dove a causa delle continue flessioni e compressioni si ha un limite di snervamento inferiore. Con la tensione i piani slittano senza tornare alla posizione iniziale a causa dell'effetto Bauschinger e dell’incrudimento, e quindi la cricca si propaga. La cricca si apre e si chiude e quindi crea una zona liscia. Un pezzo meccanico che lavora a fatica viene di solito raffinato per ridurre la rugosità e quindi la formazione di cricche in superficie.
Effetto Bauschinger: si ha un materiale, con la propria curva sforzo- deformazione. Se si sottopone ad uno sforzo maggiore del carico di snervamento, tale materiale si deforma un po’, con conseguente incrudimento. Se lo stesso materiale incrudito viene sottoposto a compressione, ovvero allo sforzo “opposto” a quello di prima, si ha come risultato un’agevolazione del moto delle dislocazioni, e il valore del limite di snervamento è minore persino del limite di snervamento originale.
Il limite di fatica è influenzato da vari parametri:
 Resistenza a trazione : più è alta, più il materiale resiste a fatica
 Qualità microstrutturale del materiale : le impurezze fanno calare la resistenza a fatica
 Stato tensionale residuo di superficie : se la superficie è in compressione, gli sforzi di compressione attenuano gli sforzi agenti sul pezzo.
 Finitura superficiale : più è buona, più il pezzo resiste a fatica
Si può notare come la resistenza a fatica dipenda molto dalla superficie del pezzo. Il limite di fatica può essere migliorato agendo sui parametri sopra indicati, ad esempio attraverso dei processi che creano degli stati tensionali superficiali, come la pallinatura o la cementazione gassosa che rallentano la propagazione di una cricca.

7. Creep: gli stadi del creep e i meccanismi della deformazione e della frattura
Frattura per creep: Ad alta temperatura, con una sollecitazione costante applicata, si hanno fenomeni di deformazione permanente, che si accumula nel tempo e che possono portare a rottura poiché si hanno allungamenti maggiori a parità di temperatura. Questo fenomeno viene chiamato creep (scorrimento viscoso).
Inizialmente il pezzo risponde in modo elastico, tuttavia dopo del tempo esso risponde in modo plastico, per via della temperatura a cui è soggetto il pezzo.

Creep: si divide in 4 stadi

 Creep primario: la velocità di deformazione va via via calando, lo sforzo di taglio di Nabarro-Peierls è bassa per via della temperatura, si ha un moto delle dislocazioni (climbing e recovery) attivato dalla temperatura e un leggero incrudimento
 Creep secondario: la velocità di deformazione è costante, il moto delle dislocazioni e l’incrudimento si bilanciano
 Creep terziario: la velocità di deformazione aumenta di molto perchè si attivano i processi di creep diffusionale; formazione di vuoti a bordo grano a causa del suo scorrimento
 Frattura intergranulare, causata dalla diminuzione dell'energia di bordo grano. Le forze di coesione a bordo grano ad alta temperatura si indeboliscono di molto a causa dello scorrimento del bordo grano (dislocazioni).
N.B.: Il creep diffusionale dipende dalla concentrazione di vacanze (vuoti) che dipende dalla temperatura.

Il parametro di Larson Miller esprime in un unico valore gli effetti dovuti dalla combinazione di temperatura-tempo mediante l’equazione:
P=(1,8T+491)(log(t) + 20) * 10-3

Un materiale resistente al creep presenta queste caratteristiche:
 Elevata temperatura di fusione
 Elevata resistenza all’ossidazione
 Elevata resistenza meccanica in temperatura
 Dimensione del grano tendenzialmente grande ( il vuoto che andrà a formarsi sarà piccolo )
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Re: Riassunto di Metallurgia

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Capitolo 5

1. Comportamento a deformazione di un aggregato policristallino: scorrimento localizzato e generalizzato

Due caratteristiche importanti del comportamento a deformazione plastica di un aggregato policristallino sono la presenza del bordo grano e la diversa orientazione dei grani stessi:
Presenza del bordo grano: le dislocazioni non superano il bordo grano, si formano impilaggi di dislocazioni che ne ostacolano il movimento.

Diversa orientazione dei grani:

o i singoli grani si deformano in modo diverso
o la deformazione di un singolo grano e ostacolata dai grani adiacenti
o si formano dislocazioni geometriche lungo i bordi grano.
o Scorrimento localizzato, inizia nei grani orientati piu favorevolmente, e all¡¦aumentare del carico si attivano altri sistemi di scorrimento, arrivando allo scorrimento generalizzato.
In conclusione, l¡¦aggregato policristallino ha una resistenza alla deformazione plastica maggiore del monocristallo e il fenomeno dello scorrimento avviene in un intervallo di carico.
2. Incrudimento: definizione ed effetto sulle proprieta meccaniche
Incrudimento: fenomeno per il quale il materiale risulta rafforzato (aumenta carico di snervamento) a seguito della deformazione plastica a freddo.
Si nota la pendenza non nulla del tratto plastico delle curve sforzo deformazione. Per deformare un pezzo quindi, si richiede uno sforzo sempre maggiore. Tale incremento di sforzo deriva dall¡¦ostacolo al moto delle dislocazioni esercitato dagli impilaggi, e dalla creazione di nuove dislocazioni, i quali campi di deformazione interagiscono tra loro ostacolandosi. Analiticamente:
£n=£n0 +£\Gb£l1/2
£n e lo sforzo necessario a muovere una dislocazione in presenza di altre dislocazioni
£n0 e lo sforzo necessario a muovere una dislocazione ¡§libera¡¨
£l e la densita di dislocazioni
£\ e una costante dovuta alla geometria del sistema
G e il modulo di taglio
b e il vettore di Burgers.
L'incrudimento è ottenuto per deformazione plastica a freddo, ad esempio laminazione a freddo; piu e sottile la lamina, piu e incrudito il materiale. Da ricordare che tanto piu aumenta la resistenza e la durezza, tanto e minore la deformazione plastica possibile o allungamento a rottura.
Un metallo sottoposto ad incrudimento diventa piu resistente, ma anche piu fragile e meno lavorabile.
Per eliminare gli effetti dell'incrudimento per deformazione plastica a freddo si utilizza un trattamento termico chiamato ricottura di ricristallizzazione.

3. Ricottura di ricristallizzazione:

evoluzione microstrutturale e strutturale, parametri che influenzano la ricristallizzazione
Ricottura: consente di ripristinare le caratteristiche di lavorabilita preesistenti. Il processo e strutturato in due fasi, il recovery o riassetto e la ricristallizzazione.
Termodinamicamente, il materiale incrudito e metastabile e ha quindi un eccesso di energia libera.
Recovery: ridistribuzione, grazie a processi diffusivi, delle tensioni che si erano create attraverso la deformazione a freddo. Le dislocazioni si allineano le une sulle altre, ma non diminuisce la densita di dislocazioni. Parte delle proprieta iniziali del materiale vengono riacquistate, si osserva una diminuzione della resistivita. In un monocristallo si ha la diminuzione della densita di dislocazioni in seguito all¡¦annichilimento, ovvero le dislocazioni escono dal monocristallo attraverso la superficie. Nei materiali policristallini questo non puo accadere se non nei grani in superficie, in quanto gli altri grani trattengono le dislocazioni ai loro bordi grano.
Ricristallizzazione: recupero completo di tutte le proprieta del materiale, in quanto si ha la creazione di una nuova grana cristallina, con una densita di dislocazione molto minore. La ricristallizzazione permette la sostituzione della grana incrudita deformata (ricca di dislocazioni) con una nuova grana cristallina con densita di dislocazioni molto minore.
Temperatura di ricristallizzazione: temperatura per la quale il processo di ricristallizzazione e attivato.
La temperatura di ricristallizzazione dipende da questi fattori:
Materiale
Lavorazione precedente, ovvero piu era incrudito, minore e la temperatura di ricristallizzazione.
La ricottura e influenzata da vari parametri:
Temperatura , che deve essere ovviamente maggiore della t. di ricristallizzazione, maggiore e la temperatura minore e il tempo di ricottura.
Tempo, maggiore e il tempo minore e la temperatura richiesta; importante controllare il tempo per evitare l'ingrossamento del grano.
Impurezze
Deformazione percentuale precedente: aumentando l'incrudimento precedente, diminuisce il tempo di ricottura richiesto a parita di temperatura, oppure diminuisce la temperatura a parita di tempo. Questo avviene perche c¡¦e una maggiore energia accumulata nel materiale a causa dell¡¦alta percentuale di incrudimento che vuole scaricarsi. La deformazione precedente ha effetti anche
sulla dimensione del grano ricristallizzato: maggiore e la deformazione, minore e la dimensione del grano ricristallizzato.
Al termine di questo processo il metallo risulta incrudito ma meno resistente, meno fragile e piu lavorabile.
Effetto buccia d'arancia: effetto che deriva da un'errata deformazione plastica, in quanto porta alla formazione di una grana piu grossa. Se si piega una lamiera, lo sforzo tendenzialmente si localizza nell'angolo di piegatura. Se il pezzo e sottoposto a ricottura, si ha un surplus di energia, che fa ingrossare il grano in misura maggiore che nelle zone adiacenti. Se si deforma nuovamente il pezzo, vengono a formarsi degli scalini, che hanno un effetto opaco alla vista.
Per risolvere tale effetto, si deve stirare e piegare omogeneamente il pezzo, con il risultato che la deformazione sara meno localizzata e meno brusca. Meno deformazione maggiormente distribuita corrisponde a meno energia distribuita equamente su un piu ampio raggio. Il pezzo successivamente ricotto non presentera grani cosi grossi in una sola zona, ma grani piu piccoli e con una distribuzione di misure che sfuma gradualmente.
Ad esempio, i sottobicchieri di argento vengono stampati a freddo, poi ricotti e poi ristampati a freddo. Se la deformazione iniziale non avviene in modo omogeneo i grani diventano piu grossi. Deformando nuovamente a freddo si avra una zona lucida (grana fine) e una zona opaca (grana grossa), dovuta al maggior dislivello fra i grani.

4. Cosa significa lavorazione a caldo ? Definizione della ricristallizzazione dinamica

Lavorazione a caldo: Per lavorazione a caldo, si intendono tutte quelle lavorazioni che avvengono ad una temperatura abbastanza alta (temperatura di ricristallizzazione dinamica) da permettere ricristallizzazione del materiale durante il processo di deformazione, questo processo porta il materiale a non mantenere tensioni interne dovute all'incrudimento.
Ricristallizzazione dinamica: Mentre si lavora a caldo il materiale, esso si deforma, dunque dovrebbe incrudirsi, ma ricristallizza immediatamente a causa dell'alta temperatura, che supera la temperatura di ricristallizzazione. Viene a crearsi cosi una grana cristallina che presenta poche dislocazioni. Il materiale in conclusione risulta non incrudito, dunque non aumentano le caratteristiche meccaniche e la lavorabilita rimane intatta.
5. Indurimento per affinamento del grano: definizione e meccanismo
Indurimento per affinamento del grano: si sa che il bordo grano costituisce un limite al moto delle dislocazioni, in quanto tale difetto interrompe la continuita del reticolo cristallino e l¡¦energia di bordo grano frena il moto di tali difetti.
La resistenza allo snervamento del metallo aumenta al diminuire delle dimensioni del grano secondo la legge di Hall-Petch:
£y = £y0 + kD1/2
y0 e il carico di snervamento del materiale con una grana ¡§grande all¡¦infinito¡¨
k costante del materiale
D e la dimensione del grano.
Al diminuire della dimensione del grano, quindi, il materiale diventa piu resistente e meno fragile.
La £ è responsabile di cio che succede nel grano adiacente, infatti l¡¦impilaggio determina uno sforzo aggiuntivo sul grano 2 dovuto ad un campo di deformazione. Le dislocazioni si muovono quando £nNP = cos£c2 * cos£p2 + £nhead. Piu grande e il grano cristallino, tanto piu grande sara £nhead e quindi il suo contributo allo snervamento. Da qui segue che un grano piu piccolo avra minore contributo sui grani adiacenti. Inoltre, la diversa orientazione dei grani ostacola lo scorrimento generalizzato.

Si hanno 2 metodi per determinare la dimensione dei grani:
Steyner-Graff: si traccia una linea sulla micrografia, e si misura il numero di grani che vengono intersecati dalla linea, dopodiche si fa la media. (tecnica non usata spesso)
ASTM (American Standard Testing Material) : 16 immagini tipo, 1->grana grossa, 16->grana fine. Con il colpo d'occhio si confrontano le micrografie.

6. Crescita del grano: definizione, parametri che la influenzano e fattori che la limitano nei materiali sottoposti a trattamenti termici o ad esercizio in temperatura
Il processo di crescita del grano e un processo che normalmente segue alla ricristallizzazione del materiale, se mantenuto in temperatura. Tale effetto ha cause termodinamiche, infatti il materiale tende a diminuire l'energia interna totale. Per fare questo aumenta la dimensione del grano, con diminuzione della superficie totale dei bordi grano.
Per fare questo, entrano in gioco fenomeni diffusivi che fanno migrare gli atomi dai grani piccoli ai grani grossi. La forza motrice e la differenza di potenziale chimico fra grani di diversa dimensione.
£G£g=V£^*(1/R1)+(1/R2)
V e il volume molare
£^ e l¡¦energia di superficie specifica di ogni materiale
R1,R2 sono i raggi di curvatura dei grani.
La migrazione di materiale dai grani piccoli a quelli grossi ha ora una forza motrice. Essa avviene per diffusione di vacanze,spiegata tramite l'equazione di Gibbs-Duhem:
£G£g=RT*lnC0/C
La concentrazione di vacanze nel grano grande e piu alta di quella del grano piccolo e per questo c'e un flusso di vacanze dal grano grande a quello piccolo, e un conseguente flusso di atomi dal grano piccolo a quello grande per diffusione. Il bordo grano quindi ¡§migra verso il grano piccolo¡¨ portandolo a scomparire. La crescita del grano dipende dalla diffusione D =Kt1/2 dove K = K0e-Q/RT e quindi avra una dipendenza dal tempo e dalla temperatura: questo fenomeno e attivato dalla temperatura ma va attenuandosi con il tempo.
Gli ostacoli alla crescita del grano possono essere:
Atomi di soluto, infatti tendono a segregare a bordo grano. Essi sono di ostacolo perche devono essere trascinati dal bordo grano nel suo moto diffusivo (come un uomo con uno zaino pesante sulle spalle).
Particelle di una seconda fase precipitatati a bordo grano (pinning). L'effetto di quest'ultimo e tanto piu grande quanto piu grande e la particella.
Per fare una lega si usa far precipitare particelle piccole. Tale precipitato deve resistere alla fusione e alla coalescenza, per evitare i fenomeni di infragilimento visti prima (rame-bismuto e ferro-zolfo).
Riassumendo, l¡¦accrescimento del grano puo essere ricondotto a fenomeni diffusivi, quindi:
Accrescimento del grano dipende da:
Tempo
Temperatura
Inoltre, l¡¦accrescimento del grano e ostacolato da:
Atomi di soluto
Particelle sul bordo grano.

7. Definizione dell'indurimento per soluzione

Indurimento per soluzione: un elemento in lega, generalmente, aumenta la resistenza meccanica di un metallo, secondo meccanismi differenti a seconda che l¡¦elemento sia disciolto nel reticolo cristallino del metallo o sia precipitato nella forma di una seconda fase. In ogni caso, l¡¦elemento in lega aumenta la resistenza in quanto e un ostacolo per il moto delle dislocazioni. Inoltre, porta con se uno strain field, un campo di deformazione che ostacola il movimento delle dislocazioni. Le soluzioni interstiziali sono piu efficaci delle soluzioni sostituzionali in quanto bloccano anche le dislocazioni a vite, ma infragiliscono di piu il materiale.
Atmosfere di Cottrell: Gli atomi di soluto sono attratti dai campi di deformazione generati dalle dislocazioni. Il soluto le circonda e le stabilizza, formando una struttura unica (dislocazione + atomi soluto) detta ¡§atmosfera di Cottrell¡¨. La dislocazione risulta ¡§ancorata¡¨ dalla propria atmosfera di Cottrell e lo sforzo per innescare il moto e superiore rispetto a quello richiesto per una dislocazione libera.
8. Il fenomeno del carico di snervamento manifesto e l'effetto sulla qualita superficiale

Il carico di snervamento manifesto (SYP) e un fenomeno tipico delle soluzioni solide diluite (leghe con concentrazioni di soluto basse), che rende ben visibile sulla curva sforzo deformazione il limite elastico.
In corrispondenza dell¡¦Upper yeld point le dislocazioni si iniziano a liberare delle atmosfere di Cottrell. Dopo essersi liberate, lo sforzo richiesto per il moto delle dislocazioni e minore, dunque si manifesta il lower yeld point.
La deformazione, che insorge al manifestarsi del fenomeno di snervamento, non e uniformemente distribuita lungo il provino. Infatti solo alcune dislocazioni riusciranno a liberarsi delle proprie atmosfere di Cottrell.
Generalmente si formano parecchie bande di deformazione in zone di concentrazione degli sforzi; queste bande vengono usualmente chiamate bande di Luders, o anche linee di Hartmann. Al raggiungimento del punto di snervamento superiore, in zone del provino dove si puo creare una concentrazione degli sforzi, appare una banda di materiale metallico deformato, spesso facilmente visibile ad occhio nudo; immediatamente dopo la formazione della banda, lo sforzo cade al valore dello snervamento inferiore. La banda si propaga poi lungo il provino, producendo l'allungamento di snervamento. Nel corso della formazione delle diverse bande di Luders, l'andamento della curva sforzo-deformazione nel tratto dell'allungamento di snervamento e irregolare per la presenza di numerose oscillazioni, ciascuna corrispondente alla formazione di una nuova banda di Luders. Allorche le bande di Luders hanno interessato l'intero provino, la curva riprende a salire nella maniera usuale; qui ha termine l'allungamento per snervamento.
9. Lo Strain Agening
Lo e un fenomeno tipico di materiali che presentano un grafico £m-£` in cui e presente un SYP. Per tale fenomeno una volta che si supera il limite di snervamento e si scarica, si ottengono comportamenti differenti a seconda se il successivo carico viene effettuato subito o dopo un determinato lasso di tempo.
„h Carico effettuato subito: il materiale si comporta come un normale materiale incrudito.
„h Carico dopo del tempo: si ha un aumento del carico di snervamento con la comparsa di una nuova SYP; questo avviene perche le atmosfere di Cottrell si riformano.
Per evitare la formazione delle bande di Luders,si deve indurre una piccola deformazione sulla superficie (operazione detta skinpass- lamiera skinpassata-). Solitamente dopo un periodo di tempo piu o meno lungo l¡¦effetto ricompare.
Se questo processo viene accompagnato da un'alta temperatura si puo parlare di Strain Agening dinamico poiche il tempo per ripristinare le atmosfere di Cottrell diminuisce con la temperatura, dunque man mano che la dislocazione si libera delle atmosfere esse si ricreano attorno. Esempio del bambino con lo zaino che sale in montagna: il bambino e la dislocazione, lo zaino sono le atmosfere. Se il bambino riesce a liberarsi dello zaino va veloce, ma con lo zaino e ostacolato.
N.B.:
Strain ageing: indurimento per soluzione solida ;
Precipitation hardening: indurimento per precipitazione di una seconda fase.

10. Trattamento termico di indurimento per precipitazione

Tendenzialmente i precipitati si formano a bordo grano (campi di deformazione delle dislocazioni poste a bordo grano) dove sono inefficaci per l'indurimento. Per risolvere questo problema si fa il trattamento termico di precipitation hardening per ottenere precipitazione omogenea all'interno dei grani della matrice metallica
Indurimento per precipitazione: trattamento termico formato da 2 processi: solubilizzazione e invecchiamento.
Solubilizzazione: si scalda il materiale ad una temperatura maggiore della temperatura di solubilizzazione e tutta la fase si dissolve nella matrice.
Il parametro principale di questo stadio e la temperatura di trattamento. Per la sua scelta si fa un compromesso tra il tempo necessario alla solubilizzazione e gli effetti secondari, non voluti, quali l¡¦ingrossamento delle dimensioni del grano cristallino favorito dalle alte temperature. Si utilizza percio una temperatura di 15-20¢XC maggiore rispetto alla temperatura di solubilizzazione di equilibrio. Il raffreddamento veloce (quenching), viene effettuato tipicamente in acqua.
Il pezzo viene poi mantenuto a questa temperatura per un tempo sufficiente a sciogliere tutto il precipitato, ovvero fino a quando si ottiene una soluzione solida il piu omogenea possibile. Tale tempo si puo calcolare, in quanto i processi in gioco non sono altro che diffusioni. Dunque il tempo richiesto e una somma di questi contributi:
Portare a temperatura tutto il pezzo
Trasformazione di fase
Omogeneizzazione della composizione e dei precipitati.
Formazione dei precipitati: segue il classico meccanismo di nucleazione e crescita. Dopo un periodo necessario alla formazione di nuclei stabili, il processo continua rapidamente fino ad un rallentamento causato dal progressivo impoverimento di soluto nella soluzione.

La trasformazione di fase α -> α+β richiede una modifica delle posizioni atomiche, che avviene in diversi stadi:
 Formazione di aggregazioni (clusters) di soluto - zone di Guiner-Preston (GP I )-bidimensionali.
 Ingrossamento dei clusters che portano alla formazione di segregazioni -zone GP II- tridimensionali.
Le zone GP rappresentano i nuclei per la formazione delle fasi precipitate.
 precipitazione di fasi intermedie:
o Composizione stechiometrica simile alla composizione finale
o Microstruttura invariata.

o Precipitato coerente in quanto vi è continuità cristallografica tra i due reticoli.
 Formazione di precipitato :
o Derivato da evoluzione delle fasi intermedie
o Microstruttura diversa da quella della matrice
o Precipitato è di tipo incoerente.
Con l’avanzare del tempo di processo, si ha una degradazione delle proprietà meccaniche; si è nella fase di overaging. Responsabile di ciò è il fenomeno della coalescenza dei precipitati finemente dispersi per formare precipitati di grosse dimensioni (coalescenza). Il calo delle proprietà meccaniche inoltre è dovuto anche al fenomeno di crescita del grano che accompagna sempre i trattamenti termici prolungati nel tempo.
Un rapido raffreddamento (tempra – 80/100°C al secondo) consente di mantenere la microstruttura metastabile ottenuta con i precipitati all’interno del grano a temperatura ambiente, “si congela la microstruttura” grazie a cause cinetiche e non termodinamiche. Non si lascia il tempo al soluto di segregare a bordo grano. Viene così a crearsi un equilibrio metastabile.
Invecchiamento: Si effettua un riscaldamento ed il mantenimento ad una temperatura inferiore a quella di solubilizzazione per raggiungere una velocità di diffusione delle specie atomiche compatibile con i tempi di processo richiesti. Avviene quindi la precipitazione intragranulare del soluto, che precipita in maniera omogenea e non solo a bordo grano perché la soluzione solida sovrasatura possiede uno stato tensionale elastico, dovuto alla tempra, tale per cui le zone a maggiore energia non sono solo quelle a bordo grano.
Aumentando la temperatura diminuisce il tempo di invecchiamento
 Aumentando la temperatura diminuisce la durezza massima
Si nota che aumentando la temperatura, il picco di durezza è più alto, ma la curva è più stretta, e da qui segue che è più difficile fare il trattamento termico in profondità, incorrendo in spiacevoli fenomeni di overageing in superficie per trattare termicamente anche il cuore del pezzo.
Effetto della composizione chimica:
Maggior percentuale di soluto porta a:
 Temperatura di solubilizzazione maggiore:
o Ingrossamento del grano più marcato durante la fase di solubilizzazione
o Calo delle proprietà meccaniche dovute all’ingrossamento. MA:
 Maggior quantità di precipitato
o Maggiore sovra saturazione
o Maggior distorsione
o Maggiore durezza

Il precipitation hardening, in conclusione è influenzato da questi parametri:
 Temperatura
 Composizione chimica
 Tempo (overaging ) influisce sul fatto di aver concluso un buon o un cattivo trattamento termico.
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Re: Riassunto di Metallurgia

Messaggio da Aldebaran »

Diagramma di stato ferro-carbonio

1. Diagramma di stato Fe-C

Bainite: definizione, microstruttura e proprietà meccaniche
Bainite:

 Componente bifasico ottenuto dalla trasformazione dell'austenite. NON E’ UNA FASE!
 Temperatura compresa tra quelle di formazione di perlite e martensite. (>550°C)
 Ottenibile solo con i grafici TTT e non CCT.
 Microstruttura è di ferrite α, fitta dispersione di cementite.
 Struttura: bainite superiore e inferiore.
o Bainite superiore:
 Temperatura tra i 350 °C e 450 °C a causa di questa temperatura, il carbonio riesce ad uscire (diffusione) dalla soluzione per formare placche di cementite alternate a placche di ferrite.
 Serie di placche di fase ferritica tra le quali è precipitato il carburo.
 Fragile, la cricca trova cementite all'interfaccia che la fa propagare velocemente lungo la sua direzione ed è quindi soggetta a frattura per clivaggio.
o Bainite inferiore:
 Temperatura tra i 250 °C e 350 °C a causa della temperatura inferiore, il carbonio rimane in soluzione in quanto la diffusione non è favorita.
 Lamelle di ferrite α con dentro una carburo di ferro ε (Fe2,4C).
 Più tenace, offre più ostacoli alla propagazione della cricca.
 Dura, affinamento del grano e precipitati all’interno del grano, in tale modo la cricca non trova cementite all'interfaccia.
6. Martensite: definizione, morfologia, Ms e Mf, stabilità termica
Martensite:
 Fase ottenuta da una trasformazione dell’austenite.
 Microstruttura: soluzione solida di C in Fe.
 Struttura: tetragonale a corpo centrato, carbonio interstiziale
 Formata da placche orientate in maniera precisa, nette ed acuminate.
 La trasformazione avviene raffreddando l’austenite in modo tale da sopprimere tutte le trasformazioni intermedie (perlite/bainite); il meccanismo è istantaneo, quindi la cella cristallina del materiale si deforma e il C rimane imprigionato.
 Materiale durissimo, ma la cella non è distorta, dunque la durezza non deriva da questo.
 Temperatura di trasformazione non costante, all’aumentare del sottoraffreddamento aumenta l’energia di Gibbs che attiva il processo.
Se entro nella fascia di martensite start con la temperatura, la trasformazione è istantanea, ma se rimango in questa fascia non avviene TUTTA la trasformazione, ma solo una percentuale. Per far sì che tutto il materiale si trasformi devo continuare il raffreddamento.
NB: la temperatura martensitica esiste anche in altre leghe (ottoni – trombe in azoto liquido)
La temperatura di martensite start e martensite finish dipendono dalla % di carbonio.
Due tipi di martensite:
 Aciculare (alta % di carbonio), plate martensite
 Placche (bassa % di carbonio), lath martensite.
Trasformazione:
 Non diffusiva.
 Trasformazione cooperativa, tutti gli atomi in un certo volume di austenite cambiano cooperativamente posizione descrivendo un nuovo arrangiamento reticolare degli atomi (come sollecitare meccanicamente un materiale, con la formazione di geminati – atomi che cambiano posizione cooperativamente, ma nella martensite cambia anche la struttura cristallina).
 Strain accomodation: capacità dell’austenite circostante al volume che si è trasformato in martensite di accomodare la deformazione. Il ΔG minimo deriva proprio da questo fatto, infatti si deve fornire il motivo termodinamico al materiale per spingerlo a deformarsi. La trasformazione necessita di continuo raffreddamento per continuare ad avere questa forza motrice.
Martensite start cala all’aumentare di % C o di elementi in lega: infatti, l’austenite con maggior carbonio o elementi in lega risulta indurita, dunque fa più fatica ad assorbire la deformazione della trasformazione in martensite.
Dunque, all’aumentare di carbonio o elementi in lega, diminuirà la dimensione del grano martensitico, in questo modo si deformerà l’austenite circostante in minor quantità.
7. Trasformazione martensitica indotta da stress, Md e la stabilizzazione meccanica
Stress induced trasformation:
La trasformazione in martensite avviene con un sottoraffreddamento, come le altre trasformazioni di fase ma a differenza delle altre si può formare martensite anche attraverso l’applicazione di carichi.
Esempio: cuscinetti a sfera.
I cuscinetti a sfera necessitano un indurimento molto alto. Per questo sono trattati con tempra e rinvenuti, e la loro composizione tende al 100% di martensite. Se Ms è sottozero però, può risultare dell’austenite residua del 7-8%. Per questo, in esercizio sottoposti a carichi i cuscinetti possono avere questa trasformazione indotta da stress, trasformando l’austenite in martensite inducendo una brusca variazione di volume che porta alla rottura del cuscinetto.

Meccanismo dello stress induced trasformation:

 Il moto cooperativo di atomi ottenuto mediante una deformazione permanente è equivalente a quello ottenuto per sottoraffreddamento. In alcune condizioni, l’austenite risponde a deformazione trasformandosi in martensite.
 Esiste uno sforzo di taglio critico al di sopra della temperatura Md, che rende termodinamicamente favorita la trasformazione in martensite piuttosto che lo scorrimento plastico.
 La temperatura è un parametro molto importante per il comportamento sotto sforzo.
NB: Leghe a memoria di forma sfruttano la trasformazione martensitica dei materiali piegando a freddo un materiale; riscaldandolo ritorna alla posizione originale.
Stabilizzazione termica:
 Fenomeno per il quale l’austenite si stabilizza se si blocca la trasformazione martensitica ad una temperatura intermedia.
 Come conseguenza si ha la diminuzione della temperatura Mf
 La causa di questa stabilizzazione è da ricercare nella diffusione degli interstiziali che formano le atmosfere di Cottrell indurendo la matrice di austenite e sfavorendo quindi la formazione delle placchette di martensite.
Esempio: cuscinetti a sfera. T austenitizzazione= 940°C, Ms=220°C, Mf= -90°C.
Devo assolutamente raggiungere Mf, in quanto non voglio austenite residua nei cuscinetti.
Si tempra in olio, fino ad una temperatura, poi si sposta il materiale in un'altra vasca (stabilizzazione termica in questa fase purtroppo inevitabile) e si tempra in azoto liquido.
L’importanza della stabilizzazione termica e la sua influenza su Mf dipende soprattutto dal tempo di stallo della trasformazione. Maggiore è questo tempo, minore sarà Mf risultante.
Stabilizzazione meccanica:
Se si incrudisce l’austenite durante il raffreddamento, si otterrà un abbassamento di Mf in quanto è più difficile accomodare la deformazione indotta dalla martensite.
Vantaggi:
 Microstruttura più fine
 Martensite a placchette più fini, meno fragile

8. Durezza della martensite

Deriva dalla sua struttura, la più dura che si può avere negli acciai.
 Tetragonale a corpo centrato
 Non ha piani ottaedrici, quindi niente sistemi di scorrimento
 I piani più densi hanno uno sforzo di taglio di Nabarro-Peierls elevato.
 Materiale indurito per soluzione
 Inadatta alla deformazione (atomi interstiziali o sostituzionali di carbonio o elementi in lega)
 La durezza dipende molto dalla %C

 N.B.B.B.B: è SBAGLIATO dire che la martensite è dura perché la cella è distorta.

9. Tempra dell’acciaio: definizione, velocità critica di tempra, descrizione del trattamento
 Definizione:
o Trattamento termico avente lo scopo di indurre la fomazione di martensite.
 Trattamento:
o Riscaldamento ad una temperatura in campo austenitico (o intercritico):
 Problema delle tensioni:
 Espansione di volume per trasformazione di fase (austenite ha un volume minore) e per dilatazione termica.
 La diversa velocità di riscaldamento superficie-cuore porta ad un gradiente di temperatura.
 Al materiale non è permesso deformarsi liberamente (superficie-cuore), dunque all’interno si formano tensioni.
 Preriscaldi, per evitare le tensioni (2-3 preriscaldi per omogeneizzare la temperatura del pezzo)
o Permanenza a questa temperatura per un tempo adeguato:
 Portare a temperatura tutto il pezzo
 Austenitizzare tutto il pezzo
 Ottenere un’austenite omogenea.
 Evitare l’ingrossamento del grano austenitico.
o Raffreddamento con una velocità tale da favorire la formazione della martensite (velocità superiore alla velocità critica di tempra)
o Il trattamento è condotto in un’atmosfera controllata, per evitare carburazione o decarburazione dell’acciaio.

10. Temprabilità Jominy: descrizione, distanza Jominy, parametri che influenzano la temprabilità
Temprabilità: Predisposizione di un materiale a prendere tempra. Maggiore è la temprabilità, meno “cattivo” dovrà essere il raffreddamento per permettere a tutto il pezzo di prendere tempra.
N.B: si assume che un pezzo sia temprato quando nella sua sezione è presente martensite in quantità minima del 50%.
Temprabilità Jominy:
 Più semplice e più ricorrente, ma meno raffinato del metodo Grossman.
 Descritto da una normativa
 Riscaldamento di un provino di grandezza e a temperatura secondo la norma.
 Raffreddamento con un rubinetto di acqua di portata e temperatura secondo la norma.
 L’acqua non deve lambire le superfici laterali.
 Sezione del provino in direzione parallela all’asse e analisi della microstruttura e della durezza
 Grafico della temprabilità Jominy, dove è possibile vedere il parametro dj, distanza Jominy, ovvero la distanza di tempra.

11. Temprabilità Grossmann: descrizione, diametro critico, diametro ideale, parametri che influenzano la temprabilità

Temprabilità Grossmann:

 Alcuni provini di diverso diametro, con altezza almeno il doppio del diametro.
 Austenitizzare i provini.
 Temprare in un mezzo di tempra a piacere (olio, acqua ecc.)
 Gradiente di raffreddamento si avrà in direzione radiale e non assiale.
 Misurare la durezza in funzione del raggio del provino
 Grafico della temprabilità Grossmann, con la durezza in funzione della distanza dall’asse.
 Si ottiene un valore di diametro critico, ovvero il diametro massimo che si può avere affinchè tutto il pezzo prenda tempra. Tale diametro dipende dal mezzo di tempra.
Grossmann cercò un modo per confrontare le temprabilità misurate in questo modo in funzione dei diversi mezzi di tempra.
Diametro ideale: diametro critico di tempra se il pezzo viene temprato in un mezzo ideale, ovvero:
 Non aumenta la propria temperatura quando inserisco il pezzo
 La superficie del pezzo assume immediatamente la temperatura del mezzo.
Nella realtà, il mezzo ideale di tempra si può ottenere approssimando, aggiungendo molto fluido reale rispetto al volume dei pezzi inseriti. Per la seconda condizione invece, si utilizza un fluido in movimento, per non creare “sacche di calore”.

Problemi progettuali:Dato il mezzo di tempra, scelgo l'acciaio piu adeguato oppure dato l¡¦acciaio, scelgo il mezzo di tempra piu adeguato.
Ho un acciaio di cui conosco il diametro ideale. Inserisco D ideale nel grafico dei diametri critici. So quanto e il diametro di progetto, per cui in base a questi dati scelgo il mezzo di tempra piu appropriato (es. per le curve sopra: diametro ideale = 2,0 ; diametro progettuale= 1,0 -> utilizzo il mezzo di tempra che ha H=1.0, in quanto riesce a temprare un po¡¦ di piu dell'1,0 che serve a me).
Se invece ho gia il mezzo di tempra,ho la curva del mezzo di tempra, dunque interseco il diametro progettuale con la curva del mezzo e trovo il diametro ideale che serve a me, dunque compro l¡¦acciaio con quel diametro ideale.
Parametri che influenzano la temprabilita:
Composizione chimica, maggiori elementi in lega, maggiore e la temprabilita.
Dimensione grani austenitici, al diminuire della dimensione dei grani diminuisce la temprabilita.

12. Tensioni di tempra

Durante il trattamento termico di tempra, si sviluppa un campo tensionale all¡¦interno del pezzo che puo portare a rottura immediata, a deformazioni o a cricche.
Tensioni di tempra:
Si sviluppano durante il raffreddamento
Dipendono da:
o Dimensioni del pezzo temprato
o Composizione chimica del pezzo
Dovute alla non omogenea variazione di temperatura nel pezzo.
Piu alta e la temprabilita, piu ingenti saranno le tensioni di tempra, dunque piu difficile sara fare il processo.
Tensioni senza cambiamenti di fase:
Inizialmente la superficie si trova in trazione a seguito del gradiente di temperatura, mentre il cuore e in compressione. Successivamente, parte della tensione viene scaricata tramite deformazione plastica
Infine, la superficie si trova in compressione, mentre il cuore e in trazione.
Per le tensioni residue con i cambiamenti di fase basti sapere che aggravano ancora di piu lo stato tensionale finale, con tensioni residue maggiori che comportano una ¡§diminuzione apparente¡¨ del carico di snervamento, ma che in realta si traduce nel fatto che nella prova a trazione il provino e gia sotto trazione di alcuni MPa a causa delle tensioni residue.

13. Rinvenimento: perche si deve fare il rinvenimento, trasformazioni microstrutturali e influenza sulle proprieta
Rinvenimento:

Trattamento termico che segue la tempra. SEMPRE.
Elimina la fragilita della martensite
Toglie l¡¦austenite residua facendola trasformare
Toglie le tensioni residue.
Il rinvenimento va fatto subito dopo la tempra, non si deve aspettare altrimenti le tensioni residue spaccano il pezzo.
Stadi del rinvenimento:
o 100-200¢XC: La martensite ad alta %C si trasforma in martensite a bassa densita di C e libera carburi £`. Vengono ridotte le distorsioni reticolari e dunque la fragilita della martensite.
o 300-350¢XC: L¡¦austenite residua si trasforma in ferrite + carburo. In certi casi la trasformazione porta alla formazione di bainite, in altri casi solamente ferrite + carburo; aumento di volume.
o 400-450¢XC: La martensite a bassa %C si combina con un carburo per dare Ferrite + Fe3C stabile. Il materiale risulta indurito sia per affinamento del grano che per precipitazione.
o 450¢XC: coalescenza dei precipitati.
Effetto delle trasformazioni:
o Tensioni si rilassano, gia a 200¢XC
o Cala la fragilita gia al primo stadio, e ancor di piu con la scomparsa di martensite
o Precipitazione molto fine di carburi compensa il calo di purezza e di carico di snervamento seguito alla perdita di martensite.
In seguito all¡¦aumento di duttilita, vi e un calo delle proprieta meccaniche. Per un materiale che mantenga le proprieta, devo trovare elementi in lega che rallentino la precipitazione e la coalescenza dei carburi. (Cromo e molibdeno in bassa percentuale ¡V acciai basso legati)
Cr e Mb formano carburi piu fini, piu duri che nucleano a T maggiore e resistono alla coalescenza.
NB. Per gli acciai alto legati, dopo la tempra si ha molta austenite residua (20-25%). Questa austenite e stabile. Si necessita di un
o QUINTO STADIO: 500-570¢XC: l¡¦acciaio perde alcuni elementi in lega ed e libero di trasformarsi in martensite con il raffreddamento.
14. Austempering e martempering
I trattamenti termici speciali: austempering e martempering, hanno lo scopo di aumentare la resistenza del materiale e interessano tutto il pezzo. L¡¦autempering viene utilizzato per ottenere bainite in modo controllato mentre il martempering per ridurre le tensioni di tempra.
Austempering:
Ottengo bainite in modo controllato
Riscaldo il pezzo con i preriscaldi
Raffreddo fino ad una temperatura un po¡¦ maggiore di Ms
Mantengo il pezzo in temperatura (processo isotermo) finche non si trasforma in bainite
Raffreddo a temperatura ambiente.
Martempering:
Riscaldo il pezzo con i preriscaldi
Raffreddo fino a una temperatura un po¡¦ maggiore di Ms
Mantengo il pezzo a bagno a questa temperatura per consentire di uniformare la temperatura nel pezzo, ma non troppo a lungo per non formare bainite.
Raffreddo a temperatura ambiente.
Quest'ultimo trattamento viene fatto su pezzi di dimensioni ragionevoli (stampi) e serve ad attraversare la trasformazione martensitica in modo che il materiale sia il piu possibile omogeneo.
Vantaggi:
o formazione contemporanea di martensite, nessuna ossidazione o decarburazione se il raffreddamento finale avviene in atmosfera protettiva, maggiore tenacita pagando un po' sulla durezza.
Svantaggi:
o maggiori costi di impianto, piu austenite residua
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Re: Riassunto di Metallurgia

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Capitolo 7

Ricordiamo che i trattamenti superficiali hanno lo scopo di modificare la superficie del pezzo per ottenere delle proprietà richieste al momento della messa in esercizio. I trattamenti superficiali possono, a volte, permettere l’utilizzo di materiali più economici a discapito di quelli con maggiori prestazioni ma costosi.
1. Tempra ad induzione

Tempra superficiale:
 Trasforma in martensite solo lo strato superficiale
 Alternativa alla cementazione
 Tenacità a cuore non alterata
 Superficie del pezzo in compressione
Esistono 2 modi per temprare:
 Austenitizzo il pezzo
 Per diversi motivi, quali temprabilità dell’acciaio o mezzo di tempra,si tempra solo l’esterno, mentre il resto rimane austenite
Oppure:
 Porto in austenite solo lo spessore che voglio temprare
o Riscaldamento omogeneo e regolare per scaldare solo la superficie tramite fiamma o per induzione elettromagnetica (effetto Joule)
o All’aumentare della frequenza della corrente aumenta lo spessore riscaldato
o Controllo sul grafico la temperatura a cui devo temprare, dipende da:
 Velocità di riscaldamento
 Microstruttura.

2. Cementazione: definizione, atmosfera di cementazione, attività del carbonio nell’atmosfera e nell’acciaio, trasferimento del carbonio dall’atmosfera all’acciaio.
La cementazione è un trattamento che ha lo scopo di introdurre carbonio nel pezzo in fase solida, mediante diffusione.
Per fare questo, si deve ricordare il concetto di attività del carbonio. La diffusione nell’acciaio parte quando l’attività del carbonio nell’atmosfera in cui è immerso il pezzo è maggiore di quella nell’acciaio (un po’ come i fenomeni di osmosi, vi è un gradiente di concentrazione e le zone di alta concentrazione cercano di “minimizzare” la differenza di concentrazione migrando verso zone a bassa concentrazione).
Attualmente, la cementazione avviene mettendo un pezzo in un’atmosfera ricca di carbonio. L’atmosfera è preparata bruciando metano o propano, attraverso la reazione:
CH4 + O2 -> CO + CO2 + H2 + H2O
2CO <-> CO2 + C
È utile scrivere la costante di equilibrio della rezione:
Da cui si può ricavare l’attività del carbonio, A(c).
L’attività del carbonio è influenzata quindi dalla costante di equilibrio e dal rapporto delle pressioni parziali CO/CO2.
Riassumendo, l’attività del carbonio è influenzata da:
 Temperatura, in quanto dipende dalla costante di equilibrio
 Rapporto delle pressioni parziali
o Dipende dal processo di combustione, attraverso il rapporto di combustione O2/CH4
o All’aumentare del rapporto di combustione, l’atmosfera diventa sempre meno interessante per il trattamento di cementazione.
Nella generazione del gas carburante si può avere una combustione endotermica (endogas ricco di CO e H2) è una combustione esotermica (esogas con solo CO2 e H2O) che variano a seconda del rapporto di combustione per ottenere differenti quantità di gas.
Esogas:
 Reazione esotermica
 CO2+H2O
 L’atmosfera che ne risulta è decarburante e, a seconda dell’acciaio, ossidante.
 Questo gas viene utilizzato per riscaldare il forno di tempra, ma poi vanno tolte scaglie di materiale ossidato.
Endogas:
 Reazione endotermica, richiede energia per continuare.
 Elevato rapporto CO/CO2
 Atmosfera riducente
Negli impianti vecchi si utilizzavano misuratori del “punto di rugiada”, ovvero la temperatura alla quale l’acqua presente in forma di vapore iniziava a condensare.
Basso punto di rugiada: maggiore quantità di carbonio.
Negli impianti attuali le pressioni parziali di CO e CO2 vengono misurate direttamente.
Attività del carbonio nell’acciaio:
 Dipende da:
o Temperatura, a T maggiori diminuisce l’attività nell’acciaio.
o Contenuto di carbonio, all’aumentare della % C aumenta l’attività nell’acciaio
o Elementi in lega (Mn,Cr diminuiscono l’attività; Si e Ni aumentano l’attività)
Il trasferimento di carbonio dal gas all’acciaio avviene in 2 fasi: trasferimento e diffusione.
Trasferimento:
dm/dt = F*β(aCG - aCA)
 F è l’area superficiale del pezzo a contatto con l’atmosfera
 β è un coefficiente empirico che si trova sul grafico sottostante individuando il punto a cui corrispondono le concentrazioni della mia atmosfera.

Diffusione:
 C è interstiziale
 Legge di Fick:

In condizioni normali, questo processo porterebbe ad una diminuzione “esponenziale” della % C in funzione della profondità del pezzo, con conseguente calo brusco delle proprietà meccaniche.
Per rendere il calo della concentrazione di carbonio in funzione della profondità più “dolce”, si deve favorire il trasferimento e la diffusione:
 Alzo T del forno, oppure incremento il rapporto di combustione.
 2 stadi:
o Arricchimento (potenziale chimico del carbonio nell’atmosfera alto per caricare di C il pezzo)
o Diffusione(potenziale minore per omogeneizzare il carbonio già “entrato” nel pezzo diffondendolo in profondità).

3. Cementazione: come si conduce il trattamento globale e come si controllano i pezzi cementati

La cementazione avviene secondo il meccanismo descritto sopra.
 Tempo di trattamento viene trovato mediante la legge di Fick
 Temperatura:
o La diffusione, passando da ferrite ad austenite subisce un abbassamento, per poi tornare ad aumentare. La ferrite scioglie pochissimo C, dunque si è obbligati ad andare in campo austenitico.
o Per sciogliere 0,8-0,9% C utilizzo una T di circa 30-40°C sopra a T austenitizzazione
o Il tempo di trattamento deve essere controllato, per evitare fenomeni di ingrossamento del grano sebbene si è obbligati a rimanere a temperatura per molto tempo, in quanto queste temperature “basse” non favoriscano molto la diffusione.
La grana ottenuta dopo questo trattamento è piuttosto grossa per via dei tempi di permanenza a temperatura. L’ideale sarebbe un raffreddamento in aria mossa per ottenere perlite fine e poi la tempra, ma nella pratica comune si fa la tempra subito dopo l’arricchimento e diffusione, seguita da un rinvenimento.
Processo di cementazione:
 Riscaldo il pezzo con dei preriscaldi:
o Mi fermo prima di A1, omogeneizzo la temperatura del pezzo
o Riscaldo 30-40°C sopra A3 (austenitizzazione)
 Arricchimento e diffusione:
o Processo spiegato sopra
o Tempo in funzione della legge di Fick
 Normalizzazione
o Raffreddamento in aria mossa per avere perlite fine
 Tempra superficiale
 Rinvenimento.
Come già detto, nella pratica si salta il processo di normalizzazione per evitare di raffreddare e riscaldare il pezzo, con enormi spese di impianto.
Controllo del risultato della cementazione:
 Controllo dei parametri di processo (per il produttore)
 Controllo delle proprietà meccaniche (può farlo sia il produttore che chi lo usa)
Il controllo del risultato della cementazione viene effettuato misurando il profilo di durezza del pezzo e tracciando il grafico. Un valore di durezza superficiale non è sufficiente, si devono avere 2 valori: uno alla superficie e uno ad una distanza nota dalla superficie.
4. Nitrurazione: definizione, atmosfera di nitrurazione, microstruttura degli strati nitrurati
Trattamento superficiale che porta ad un arricchimento di azoto alla superficie del pezzo. Il principio del trattamento è equivalente a quello dell’arricchimento di carbonio.
La nitrurazione è eseguita allo scopo di :
 Aumentare la resistenza all’usura
 Aumentare la capacità delle superfici a resistere pressioni specifiche di medio - bassa intensità
 Aumentare la resistenza a fatica
 Ridurre l’attrito
 Aumentare la resistenza a corrosione in alcuni ambienti ( es. aria umida )

Effetti dell’azoto nell’acciaio: Soluzione solida interstiziale, dunque il pezzo risulta indurito ma infragilito.
 Azoto in eccesso forma nitruri
 Compressione del reticolo in superficie (tensioni residue) che, se controllata, è positiva.
Atmosfera di nitrurazione:
 I principi chimici che rendono “buona” un’atmosfera di nitrurazione si sono visti prima.
 L’atmosfera richiesta è un gas ricco di azoto, che si ottiene dall’ammoniaca.
È utile scrivere la reazione chimica dell’ammoniaca e determinarne la Keq.
NH3 <-> N + 3/2 H2

Da cui si può ricavare l’attività dell’azoto nell’atmosfera, che dipende da:
 Keq (dunque temperatura)
 Rapporto delle pressioni parziali NH3/H2(l’utilizzo di catalizzatori può spostare l’equilibrio della reazione)
NB: La nitrurazione si fa in campo ferritico (550-570°C)
La reazione dell’ammoniaca porta alla formazione di azoto atomico e idrogeno. L’idrogeno fortunatamente forma subito H2, in quanto se l’idrogeno diffonde nel ferro si hanno fenomeni di infragilimento.
A temperature così basse, il tempo di trattamento si dilunga molto e lo spessore della zona trattata è minore di quello che si ha con la cementazione.
Microstruttura: è formata da 2 strati,
 Coltre bianca:
o strato esterno
o insensibile all’attacco metallografico
o 1-20 micron
o Strato ceramico senza parti metalliche
o Si può togliere mediante rettifica
 Strato di diffusione:
o soluzione solida di N nella ferrite o martensite
o Precipitati più o meno fini di nitruri o carbonitruri a bordo grano (a bordo grano non vanno bene!)
La coltre bianca va ad alimentare la diffusione negli strati sottostanti, essendo ricca di azoto.
Per evitare la precipitazione di nitruri a bordo grano, si aggiungono nell’acciaio degli elementi in lega, quali Cr, Al e Mo, che formano con l’azoto dei precipitati molto fini e dispersi nel grano -> profilo di durezza più “dolce”.
Lo strato ceramico della coltre bianca è utilizzato negli accoppiamenti fra acciai: infatti questo strato riduce molto l’attrito, evitando fenomeni di usura.
N.B: La nitrurazione deve essere preceduta da una bonifica, per non perdere durezza durante il trattamento.
Dunque il trattamento di nitrurazione prevede:
 Tempra
 Rinvenimento
 Nitrurazione.
Cementazione o nitrurazione?
 Nitrurazione ha maggior costo (tempo di trattamento elevato)
 Raggiunge picchi di durezza più alti
 Spessore interessato è minore.
Si può ricorrere alla carbonitrurazione, ovvero si cementa il pezzo e poi si nitrura (si può fare perché la nitrurazione non deforma il pezzo, non richiedendo una tempra successiva come richiede la cementazione).
Applicazione della carbocementazione: alberi a camme.
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Re: Riassunto di Metallurgia

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Capitolo 8

1. Effetto degli elementi in lega sulla temperatura eutettoidica e sulla concentrazione eutettoidica

Elementi in lega influiscono su molte proprietà.
Prima distinzione, alfageni e gammageni.
 Alfageni:
o (Cr, Si, W, V, Mo, B,…)
o Stabilizzano la ferrite, ovvero ne aumentano il campo nel diagramma di fase.
o Alzano A1
 Gammageni:
o (C, N, Mn, Co, Ni, Cu, Zn,…)
o Stabilizzano l’austenite.
o Abbassano A1
Seconda distinzione, in base alla temperatura eutettoidica.
 Aumento della temperatura eutettoidica:
o (R, Ti, Si, Mo,…)
 Riduzione della temperatura eutettoidica:
o (Ni, Mg,…)
Terza distinzione: effetto sulla concentrazione dell’eutettoide.
Esempio: Cobalto sposta l’eutettoide a sinistra, quindi bisogna porre attenzione nel trattamento di cementazione per evitare di formare cementite pro eutettoide a bordo grano.
Tutti gli elementi in lega tranne Cr, fanno spostare le curve CCT verso destra.
Quarta distinzione: effetto sulla formazione di carburi
 Vanadio, titanio, niobio formano carburi facilmente
 Magnesio, Cobalto, Nichel, Alluminio, Rame, Fosforo, Silicio non formano carburi di C.
Effetti sulla temprabilità:
 Cromo aumenta la temprabilità, e permette di ottenere bainite tramite raffreddamento continuo.
N.B: SALDABILITA’ E TEMPRABILITA’ SONO PROPRIETA’ ANTITETICHE. Se aumenta una, l’altra non può che diminuire.
2. Saldabilità degli acciai da costruzione: fenomeni indesiderati nella ZTA
Saldabilità:
Proprietà di un materiale di poter essere unito con un altro materiale senza che avvengano rotture o screpolature.
 Caratteristica opposta alla temprabilità.
 Il giunto di saldatura è tanto più fragile quanto più il metallo saldato è temprabile.
ZTA= “zona termicamente alterata”.
L’operazione di saldatura avviene fondendo un materiale per creare un cordone di saldatura. Questa operazione porta ad un surriscaldamento del pezzo in prossimità della zona saldata. Tale alterazione di temperatura porta sostanzialmente a due problemi:
 Crescita del grano localizzata (si può scongiurare aggiungendo vanadio o niobio)
 Austenitizzazione temporanea, a seguito della quale si ha un raffreddamento non controllato del pezzo. Se la velocità di raffreddamento è elevata, può formarsi martensite.
Si possono saldare anche acciai temprabili (pur non essendo “saldabili”), utilizzando particolari tecniche, come il laser, il plasma o il fascio elettronico) e soprattutto controllando la velocità di raffreddamento (basta fare un preriscaldo della zona adiacente alla saldatura per permettere una più lenta perdita di calore).
3. Acciai da bonifica: perché si danno due curve della profondità di tempra ?
Acciai da bonifica:
 Molto temprabili
 Ampia gamma di quantità di carbonio:
o Solo carbonio: martensite dura e fragile, usata se non è richiesta tenacità.
o Poco carbonio + altri elementi in lega: martensite più tenace.
 Problema di questi acciai: fragilità da rinvenimento:
o Acciai che contengono cromo
o Precipitazione carburi a bordo grano e trasformazione spinodale della ferrite.
o Problema che è presente solo fra 250-400°C.
 Negli acciai da bonifica si danno due curve della profondità di tempra, per definire il profilo di tempra in un intervallo di composizione chimica per aderire alle tolleranze date dalla normativa
4. Acciai da cementazione
Acciai da cementazione:
 Basso contenuto di C (massimo allo 0,2%)
 Elementi in lega che aumentano la temprabilità (dopo la cementazione si deve temprare il pezzo)
 Magnesio spesso presente per tenacizzare la superficie.
5. Acciai da nitrurazione
Acciai da nitrurazione:
 Elementi in lega (Cr. Mo, Al, V) in grado di formare nitruri molto fini
 Alluminio indurisce ma infragilisce l’acciaio
 Si possono temprare e rinvenire per migliorare le proprietà meccaniche.
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Re: Riassunto di Metallurgia

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Capitolo 9
6. Definizione e classificazione, descrizione sintetica degli acciai inossidabili ferritici,martensitici ed austenitici
Acciai inossidabili:

 Pensati per applicazioni dove è richiesta un’elevata resistenza alla corrosione.
 Il pezzo deve riuscire a formare sulla superficie uno strato che impedisca il contatto dell’ossidante con il cuore del pezzo.
 11-12% Cr (minimo): In superficie si forma ossido di Cr che protegge il resto del materiale (passivazione). Se si toglie lo strato superficiale si riforma l’ossido in quanto il Cr è presente in tutto il pezzo.
Gli acciai inossidabili si distinguono in 3 categorie:
 Ferritici:
o Bassa %C, alto Cr
o Induriti per precipitazione
 Austenitici:
o Più resistenti alla corrosione
o Meno proprietà meccaniche
 Martensitici :
o Meno resistenti alla corrosione
o Più performanti in senso meccanico
 Duplex:
o Austeno-ferritici
o Bifasici al 50%
o Ottima resistenza alla corrosione
o Ottime caratteristiche meccaniche
Termini importanti:
Sensibilizzazione:
 Processo di notevole importanza negli acciai inossidabili austenitici
 T fra 500-900°C
 Precipitazione di carburi di Cr a bordo grano.
 Cr al di sotto del 12%
 Bordo grano diventa suscettibile di attacco locale corrosivo (corrosione intergranulare).
Pitting:
 Distruzione localizzata del strato passivante di ossidi a causa dell'azione degli ioni cloro.
 Zone corrose:
o Funzione anodica (zona attiva)
 Zone circostanti:
o Strato di ossidi ancora integro (protezione), indenni da corrosione
o Funzione catodica (riduzione).
 L’ampia zona catodica, rispetto a quella anodica, fa concentrare la corrosione nelle microzone corrose, realizzando il fenomeno di pitting, vaiolature del metallo.
 Le vaiolature possono evolversi rapidamente fino alla perforazione del metallo stesso.
Acciai ferritici:
 Rimango sempre in campo ferritico con qualsiasi trattamento termico.
 Per avere austenite (tempra) aggiungo C.
 Zolfo:
o Fragilità a caldo, deve essere controllato.
o Negli acciai ferritici può essere elevato (0,15%)
o Precipitato di zolfo molto fine
o Migliora la lavorabilità a macchine utensili
o Infragilisce il truciolo evitando fenomeni di duttilità a caldo.
 Molibdeno:
o Attiva la resistenza alla corrosione localizzata (pitting) in ambienti acidi (ioni cloruro e solfuro) che può forare piastre e pareti, difficile da monitorare (applicazioni marine)
 Carbonio e Cromo:
o Grande affinità
o Formano carburi fra 500-900°C (saldature, ricotture, T in esercizio..)
o Questi carburi riducono l’effetto passivante del cromo, influendo sulla resistenza alla corrosione (sensibilizzazione).
 Niobio e Tantalio:
o Evitano la sensibilizzazione (se si deve lavorare a T elevata senza la possibilità di eliminare del C.
o Stabilizzano la struttura:
 Tolgono C, ovvero non permettono la formazione di carburi di cromo che portano all’annullamento della protezione contro l’ossidazione.
 AISI 430: il più usato, si può incrudire per alzare il carico di snervamento.
Acciai martensitici:
 Zolfo, Nichel, Selenio, Molibdeno
 Vanadio e Tungsteno: resistenza a temperatura
 N.B.: VANNO TEMPRATI PER AVERE LA MARTENSITE!
 Tempra normale:
o Dopo 3° e 4° stadio cala un po’ la resistenza a corrosione
o Massimo di resistenza dopo la distensione.
Acciai austenitici:
 Microstruttura austenitica:
o Austenite stabilizzata da elementi gammageni
o Nichel, Manganese; ora si preferisce Mn
 Cromo per l’azione passivante:
o Cr è un alfageno
o Azione alfagena contrastata da Nichel.
 10-15% Ni
 16-20% Cr
 Carbonio molto basso (0,02 – 0,06%):
o Tende a formare carburi di cromo, da evitare.
 Molibdeno (circa 2%):
o Contrasta il pitting
 Zolfo e selenio (facoltativi):
o Lavorazioni a macchine utensili
o Migliorano l’austenite, che è troppo duttile (trucioli inadatti)
o Peggiorano la resistenza a corrosione!
 Titanio e Niobio:
o Formazione di carburi
 AISI 304 (proprietà meccaniche) e X5CrNiMd 18 10 2 (per pitting)
 Aumento il carico di snervamento incrudendo
 Non hanno transizione duttile-fragile!
 Impieghi a basse T (mantiene la tenacità)
5. Sensibilizzaione degli acciai inossidabili austenitici: descrizione del fenomeno, effetto sulle proprietà e possibili rimedi
La sensibilizzazione è il fenomeno spiegato sopra, che interessa in particolar modo gli acciai austenitici.
 T fra 500-900°C
 Precipitazione di carburi di Cr a bordo grano.
 Cr al di sotto del 12%
 Bordo grano diventa suscettibile di attacco locale corrosivo (corrosione intergranulare).
Questo fenomeno avviene favorevolmente in tali acciai grazie alla meta stabilità della fase da cui sono costituiti, l’austenite.
Oltre agli usi in temperatura, la sensibilizzazione si può manifestare anche in caso di saldature, in quanto si ha una ZTA, zona termicamente alterata.
Soluzioni:
 Niobio e Titanio:
o Evitano la sensibilizzazione (se si deve lavorare a T elevata senza la possibilità di eliminare del C.
o Stabilizzano la struttura:
 Tolgono C, ovvero non permettono la formazione di carburi di cromo che portano all’annullamento della protezione contro l’ossidazione.
 Solubilizzazione dei carburi:
o Fondere i carburi (1050-1100 °C)
o Raffreddamento veloce per evitare che si riformino. (possibile che rimangano problemi a cuore!)
o Si può fare ovviamente solo se il pezzo non rientrerà in quella fascia di T
 Poco %C:
o Si sposta la curva di solution annealing a destra
o Se il pezzo torna in T, ritorna il problema.
o Se C<0,02% non si ha il problema! (Acciai Extra Low Carbon)
6. Acciai inossidabili duplex: definizione, proprietà, CPT e CCT
Acciai duplex:
 Bifasici (ferrite + austenite)
 Migliore composizione 50-50% austenite ferrite
 Cr (18-26%), Ni (4,5-6,5%)
 Elementi in lega (Cr, Ni, Mo, Si, Nb) sostituiti dal Cromo equivalente, o Ni equivalente
 Cr e Ni equivalenti in concentrazione tale da essere situati in un’area del diagramma di fase.
Proprietà:
 Ottima resistenza a corrosione:
o %Cr elevata, Mo per pitting
 Ottime proprietà meccaniche:
o Struttura bifasica
o Elementi in soluzione
 Buona saldabilità
Resistenza alla corrosione: misura tramite metodo oggettivo:
 CPT: Critical Pitting Temperature
 CCT: Critical Crevice Temperature
Crevice: Corrosione localizzata in certe zone, in cui ristagna l’acqua o l’umidità (fessure..)
 Vari campioni immersi in soluzioni con cloruri o altri ioni corrosivi
 Varie prove a diverse T
 Ogni 12 ore si controlla
 Dopo un certo numero di ore, si osserva la T alla quale è partito il pitting.
 Acciai duplex difficili da produrre e da lavorare
 Possibile formazione di fasi secondarie deboli
 Precipitazioni di nitruro di cromo a bordo grano ->sensibilizzazione
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Re: Riassunto di Metallurgia

Messaggio da Aldebaran »

Capitolo 10

1. Classificazione degli acciai per utensili

Acciai per utensili:

Molto performanti, qualita molto elevata
Scelta dipende da:
o Condizioni di utilizzo (caldo,freddo)
o Particolari specifiche (asportazione di truciolo, elevata velocita di taglio..)
Classificazione:
A freddo (T<200¢XC , T minore del primo stadio di rinvenimento)
A caldo (T> 300¢XC)
Per asportazione di truciolo (elevata velocita di taglio fa raggiungere T 500-600¢XC).
Elevata durezza e tenacita, resistenza in temperatura e all'ossidazione.
Lavorazione a freddo: tempra e distensione
Lavorazione a caldo: Tempra e rinvenimento + carburi per le alte T
Asportazione di truciolo: Tempra e rinvenimento nel picco della durezza secondaria.
2. Acciai per utensili da lavorazioni a freddo: caratteristiche microstrutturali degli acciai ledeburitici e ciclo di lavorazione e di trattamento termico
Acciai ledeburitici:
Durante la solidificazione si forma ledeburite (solo se C>2.11%)
Caso particolare: C<2,11% ?
o Cr (11-13%) influenza diagramma di fase (sposta a sinistra l¡¦eutettico)
Ledeburite molto fragile, concentrazione di tensioni all¡¦interfaccia carburo-perlite
Elevatissima temprabilita (anche in aria)
Microstruttura ipereutettoidica
Questa microstruttura va eliminata per eliminare la fragilita. Trattamento termico: forgiatura a caldo (frantumo i grandi carburi e si disperdono finemente nella matrice).
Dopo la forgiatura, si confronta il semilavorato confrontandolo con delle figure della normativa.
Ciclo produttivo:
Si alza la temperatura, stando attenti in quanto ci sono molti carburi che fondono a T diverse, e i grani tendono a crescere.
Forgiatura e laminazione.
Raffreddamento
Ricottura
Raffreddamento lento
Maching (processo che mette in tensione il materiale)
Tempra
Rinvenimento
Secondo processo produttivo: da martensite a martensite rinvenuta:
Ricottura di distensione (con la salita a gradini per omogeneizzare la temperatura di cuore e superficie)
Tempra
Due rinvenimenti.

3. Acciai per utensili da lavorazione a caldo

Caratteristiche:
Resistenza all¡¦ossidazione
Buona resistenza meccanica
Resistenza a shock termici
Resistenza a fatica meccanica
Buona durezza a temperatura
o Vanadio (ostacola l¡¦ingrossamento del grano)
Elevata tenacita: non si puo usare molto C.
o Martensite a bassa %C (massimo 0,4%)
o Cr circa 5%
o Un pò di Si.
Non si forma ledeburite!! Non serve la forgiatura.
Microstruttura caratterizzata da carburi ipereutettoidici di Cromo e Vanadio, che sono buoni solo se fini e non a bordo grano.
Nella produzione, il rinvenimento serve per eliminare l'austenite residua. Ne basterebbe uno, ma nella pratica se ne fanno 3.
Primo rinvenimento a 500¢XC, poi si misura la durezza
Secondo rinvenimento e si misura nuovamente la durezza
Terzo rinvenimento e si raggiunge alle specifiche

4. Acciai rapidi: caratteristiche microstrutturali, ciclo di lavorazione e trattamento termico
Acciai rapidi:
Utilizzati per utensili da asportazione di truciolo, lavorazioni veloci.
Soggetti ad elevate temperature anche se lubrificati bene.
Necessitano di elevata durezza a 500-550¢XC.
Acciai rapidi al

Tungsteno (sensibili alla coalescenza) ¡V AISI T
Molibdeno ¡V AISI M
Microstruttura:

Complicata, si forma ledeburite ->necessaria la forgiatura.
Si devono massimizzare gli effetti del 5¢X stadio di rinvenimento
Procedimento:
Tempra ad alta T (1200¢XC); i carburi di vanadio non si sciolgono e tengono piccolo il grano
Rinvenimento alle temperature del 5¢X stadio; anche 4 rinvenimenti se necessario
Acciai superrapidi: contengono cobalto al posto di altri elementi in lega per migliorare le prestazioni della durezza secondaria.
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Re: Riassunto di Metallurgia

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Capitolo 11

1. Definizione e classificazione: ghisa bianca e ghisa grigia; classificazione della ghisa grigia: lamellare, a grafite compatta, sferoidale
Definizione:
Lega di Ferro Carbonio con %C maggiore rispetto all¡¦acciaio. (non sempre corretta)
Classificazione: a seconda di come si presenta il Carbonio:
Ghisa bianca (Fe, C) ¡V C sotto forma di cementite
Ghisa grigia (Fe, Si, C) ¡V C sotto forma di grafite.
NB. La quantita di C e tale da portare sempre alla formazione di componente ledeburitico.
La definizione di prima non e propriamente corretta, si puo definire attraverso le proprieta:
Colabilita:
o Ottima colabilita sia per la ghisa bianca che per quella grigia.
Lavorabilita per deformazione plastica:
o Campo plastico poco esteso, quindi poco lavorabili per deformazione
Lavorabilita per asportazione di truciolo:
o Ghisa bianca: molto peggiore di quella dell¡¦acciaio
o Ghisa grigia: migliore di quella dell¡¦acciaio.
Conducibilita termica:
o Ghisa bianca: peggiore di quella dell¡¦acciaio
o Ghisa grigia: migliore di quella dell¡¦acciaio
„h Smorzamento delle vibrazioni:
o Ghisa bianca: peggiore di quella dell¡¦acciaio
o Ghisa grigia: migliore di quella dell¡¦acciaio.
Microstruttura ghisa bianca:
Ipoeutettica:
o All¡¦aumentare di C aumenta la fragilita
o Microstruttura fragile per i carburi molto grossi e lunghi.
Eutettica:
Ipereutettica:
o Estremamente fragile.
La ghisa bianca si presta per applicazioni in cui non e richiesta tenacita, ma elevata resistenza all¡¦abrasione e all¡¦usura (rulli da cartiera..)
Microstruttura ghisa grigia: Matrice metallica con grafite dispersa all¡¦interno, sottoforma di lamelle, vermicoli o sferette.
Caratteristiche:
Ottima lavorabilita per asportazione di truciolo:
o Non e troppo dura
o Grafite frammenta i trucioli ed e lubrificante.
Ottima conducibilita termica
Termodinamicamente la ghisa grigia e quella stabile, ma la ghisa bianca (cementite) e molto piu rapida a formarsi.
La differenziazione della ghisa nella produzione:
Due temperature diverse: T eutettico stabile e T eutettico metastabile.
Per produrre ghisa grigia, si deve rimanere nell¡¦intervallo fra T stabile e T meta per un po¡¦ di tempo.
Molto difficile. A seconda delle traiettorie di raffreddamento si puo avere ghisa bianca o grigia, oppure grigia con cementite¡K).
Microstruttura ghisa lamellare:
Grafite sotto forma di lamelle aghiformi
Resistenza dipende da C.Equivalente (meno C ->piu resistenza)e da %perlite (+ resistenza ->+ perlite).
Comportamento elastico non lineare, dipendenza dalla sezione del getto (aumentando diametro diminuisce la velocita di raffreddamento, aumenta % grafite e %perlite, diminuendo perlite.
Non ha senso fare la tempra sulla ghisa lamellare (tranne tondi dei pistoni)
NB: e del diametro del GETTO che si parla, non del diametro del pezzo. Diametro di colata.
Lamelle di grafite tutte unite, portano ad una conducibilita termica migliore.
Microstruttura ghisa sferoidale:
Grafite sotto forma di sferette non interconnesse.
La cricca si ferma nella matrice, grazie alla grafite non connessa
Maggior conducibilita termica
Minor sensibilita alla sezione
Maggiore sensibilita alle impurezze.
Si puo austemperare -> maggior resistenza e duttilita. (ma richiede una purezza estrema, ottenibile da una sola azienda in Italia attualmente.
Requisiti microstruttura per la ghisa sferoidale:
Assenza di carburi (trasformazione deve essere tutta fra l¡¦eutettico stabile e metastabile)
Corretto bilanciamento silicio carbonio (grafico %Si / %Ceq)
N.B: troppo silicio aumenta la fragilita, aumenta la temperatura di transizione duttile fragile
Poco silicio tende a formare ghisa bianca.
Elemento importantissimo: Manganese:
Ferro e Manganese hanno un¡¦affinita con l¡¦ossigeno molto simili
Si formano ossidi in ugual misura
Nella ghisa e sempre presente ed e importante per questo effetto di formazione di carburi.
All'aumentare dello spessore del getto si puo tollerare piu Manganese.
Piu silicio si ha nel materiale, piu Manganese si puo tollerare.
Fra 2 bordi grano si ha molto manganese, molto carbonio e poco silicio: condizioni favorevoli per la segregazione a bordo grano. Con dei diametri di getto abbastanza grandi si intensifica la segregazione a bordo grano.
2. Perche si impiega il silicio per ottenere la ghisa grigia? definizione del carbonio equivalente
La ghisa grigia e una lega Fe-C-Si, in quanto Si predilige la formazione di ghisa grigia a scapito della bianca.
Silicio, effetti:
o Si ha eutettico con meno C.
Problema: grafite ipereutettica forma placche grosse da evitare!
o Fa aumentare l¡¦intervallo di T tra eutettico stabile e metastabile (anche Ni, Cu, Co)
o Indurisce come elemento costituzionale.
Carbonio equivalente:
o %C + 1/3 %Si + 1/3 %P.
o Concentrazione di carbonio che tiene conto degli effetti di Si e P sul diagramma di fase.
o Posso guardare il diagramma ¡§normale¡¨ Fe-C se ho il C equivalente.
3. Influenza della grafite sulle proprieta meccaniche e sulla conducibilita termica della ghisa grigia
Ghisa lamellare:

Lamelle di grafite interconnesse ed appuntite:
o Maggior conducibilita termica, maggior concentrazione degli sforzi.
o La connessione della grafite porta anche ad una maggior facilita di rottura.
Ghisa sferoidale:
„h Grafite non connessa, sottoforma di sferette:
o Maggior resistenza meccanica, la cricca viene fermata dalla matrice.
o Minor conducibilita termica, minor concentrazione degli sforzi.
Ghisa compatta (vermicolare):
Lamelle di grafite arrotondate, caratteristiche intermedie fra sferoidale e lamellare.
Inoltre, la grafite favorisce la lavorabilita per asportazione di truciolo ed e un ottimo lubrificante solido.
4. Come si ottiene la sferoidizzazione della grafite? e come si ottiene la grafite compatta?
Morfologia sferoidale:
Ogni sferetta e formata da prismi attaccati avvitati che partono dal centro.
Morfologia lamellare:
Cristalli che partono dal centro, un po¡¦ avvitati con dei vuoti dentro (petali)
Osservazioni sperimentali:
Il nucleo e identico per tutte 2 le morfologie. Cio comporta un¡¦identica nucleazione
L¡¦accrescimento e il fattore chiave:
o Lamellare: atomi di carbonio accrescono sul piano prismatico
o Sferoidale: atomi di carbonio accrescono sul piano basale.
Importanza Zolfo-Ossigeno:
Nella ghisa lamellare c¡¦e un picco di ossigeno e zolfo a bordo grano.
Tali elementi sono sul piano prismatico
Consegue che Zolfo e Ossigeno aumentano la mobilita del piano prismatico.
La ghisa sferoidale si ottiene diminuendo le concentrazioni di Zolfo e Ossigeno nel materiale, ed aggiungendo elementi come Mg (o comunque elementi sferoidizzanti), che eliminano queste impurita.
Per ottenere ghisa vermicolare, si sommano gli effetti di elementi sferoidizzanti ed antisferoidizzanti (come Alluminio, Titanio e Calcio).
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