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Metallurgia e saldabilit
26 Settembre 2008
Struttura e propriet dei metalli
Istituto Italiano della SaldaturaENTE MORALE
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Struttura e propriet dei metalli
I legami atomici
I legami atomici possono essere
classificati in primari e secondari
Tra i primari:
metallico
covalente
ionico
Tra i secondari:
forza di Van der Waals, legame
ponte a idrogeno, dipolo dipolo,
ione - dipolo
I legami primari sono caratterizzati dalle
maggiori energie di legame, quindi
comportano maggiore densit,
resistenza meccanica e temperatura di
fusione della sostanza
Caratteristiche fondamentali dei
legami atomici
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Struttura e propriet dei metalli
Il legame metallico
Legame metallico
Coesione tra atomi dovuta
allattrazione tra ioni positivi e nube
elettronica
ioni positivi in posizione fissa
nuvola elettronica costituita dagli
elettroni di valenza
Caratteristiche del legame metallico
elevata conducibilit termica
buona conducibilit elettrica
aspetto brillante, lucentezza
resistenza meccanica e durezza
duttilit (dovuta agli scorrimenti tra
piani cristallini)
Rappresentazione del
legame metallico
Scorrimento tra piani
cristallini
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Struttura e propriet dei metalli
Propriet fondamentali dei metalli puri
Alcune propriet fisiche assumono
unimportanza enorme ai fini della saldabilit
dei metalli e (soprattutto) delle leghe da loro
derivate
La densit: controllo del bagno, nella saldatura
manuale e semiautomatica, specie in posizione
La durezza: consente un controllo indiretto delle
variazioni microstrutturali indotte dal ciclo termico
di saldatura
La dilatazione termica lineare: correlata con lo
sviluppo di tensioni residue, in presenza di
condizioni di vincolo
La resistivit elettrica: determina la saldabilit
con il processo a resistenza
La permeabilit magnetica: regola la
correlazione tra intensit di campo ed induzione
Lucentezza: impiego di processi laser, sicurezza
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Struttura e propriet dei metalli
Propriet fondamentali dei metalli puri (esempi)
Fe NiAlTi
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Struttura e propriet dei metalli
I reticoli cristallini
Un reticolo cristallino tipico di quelle
sostanze che, allo stato solido, si
dispongono in modo ripetitivo nello
spazio
I legami risultano pi stabili rispetto ad
una disposizione disordinata
Attorno ad ogni atomo si dispone il
maggior numero possibile di atomi,
compatibilmente con la geometria
Si distinguono in natura microstrutture
cristalline, amorfe e miste
Un cristallo dunque una disposizione
regolare e ripetitiva di unit dette celle,
da cui dipendono alcune propriet
fondamentali del metallo
Struttura amorfa
Reticolo cristallino
(cubico semplice)
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Struttura e propriet dei metalli
I reticoli cristallini
Esistono 14 tipi di celle
elementari fondamentali, dette
reticoli elementari di Bravais
Tali celle sono sufficienti a
descrivere la microstruttura di
tutti gli elementi metallici
Per gli scopi di questo corso,
solo una parte di essi risulta
significativo
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Struttura e propriet dei metalli
Caratteristiche dei reticoli cristallini
I reticoli cristallini sono caratterizzati da
alcuni parametri di tipo fisico e
geometrico
Tra i parametri geometrici: le costanti
reticolari e gli angoli di inclinazione della
cella rispetto ai tre assi geometrici
Tra i parametri fisici, il fattore di
impaccamento ed il numero di
coordinazione
Il fattore di impaccamento rappresenta il
rapporto tra il volume occupato dagli atomi
e quello della cella
Il numero di coordinazione rappresenta il
numero di atomi posti alla stessa distanza
rispetto ad un atomo di riferimento del
reticolo
Rappresentazione
vettoriale di un reticolo
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Struttura e propriet dei metalli
Caratteristiche dei reticoli cristallini
Caratteristiche geometriche dei
reticoli fondamentali - esempi
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Struttura e propriet dei metalli
Il reticolo cubico semplice
E caratterizzato dalla
presenza di otto atomi
ai vertici
Il fattore di
impaccamento pari a
0.52
Il fattore di
coordinazione invece
6Il reticolo cubico
semplice
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Struttura e propriet dei metalli
Reticolo cubico a corpo centrato (bcc, body cubic centered)
E dato da una struttura
cubica semplice, con
laggiunta di un atomo
al centro della cella
Il fattore di
impaccamento sale a
0.68, il numero di
coordinazione ad 8
Il reticolo cubico a
corpo centrato
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Struttura e propriet dei metalli
Reticolo cubico a facce centrate (fcc, face cubic centered)
Rispetto al cubico
semplice, in questa cella
presente un atomo al
centro di ogni faccia
Il fattore di impaccamento
0,74, il fattore di
coordinazione 12
Il reticolo caratterizzato
da un maggior numero di
possibili piani di
scorrimento
Il reticolo cubico a
facce centrate
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Struttura e propriet dei metalli
Reticolo esagonale compatto
E caratteristico di alcuni
metalli quali titanio e
magnesio
Presenta un alto grado di
impaccamento (0.74) ed ha
un elevato numero di
coordinazione (12),
esattamente come la cella
cubica a facce centrate
Il reticolo esagonale
compatto
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Struttura e propriet dei metalli
Metalli monomorfi e metalli polimorfi
Gli elementi metallici possono essere divisi in elementi
monomorfi ed elementi polimorfi
I primi presentano sempre lo stesso tipo di reticolo, quali che siano
le condizioni di pressione e di temperatura
I secondi assumono reticoli differenti in funzione della pressione
e, soprattutto, della temperatura
Il fenomeno sopra descritto chiamato allotropia (o
polimorfismo)
Le diverse microstrutture assunte dallo stesso elemento sono
denominate forme allotropiche
Lallotropia fondamento della possibilit di assumere specifici
stati metallurgici, in funzione degli stati di fornitura
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Struttura e propriet dei metalli
Metalli monomorfi e metalli polimorfi: il ferro
Lo studio delle leghe metalliche non pu che
partire dal ferro puro, da cui derivano gli acciai
Quarto elemento in ordine di abbondanza,
costituisce il 5.1% della crosta terrestre ed
contenuto in quantit variabile in quasi tutte le
rocce della litosfera.
Allo stato elementare (Fe) si trova sulla terra
nelle meteoriti (sideroliti) e come corpo del
nucleo terrestre, di solito accompagnato da
altri metalli in lega (nickel e cobalto).
Il ferro nativo di origine terrestre piuttosto
raro e contiene cobalto (1- 2 %)
I minerali utili nell'estrazione del ferro sono
ematite (Fe2O3), magnetite (Fe3O4), limonite
(Fe2O3 nH2O), carbonato di ferro (FeCO3).
Siderolite
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Struttura e propriet dei metalli
Metalli monomorfi e metalli polimorfi: il ferro
Il ferro presenta varie forme
allotropiche in funzione della
temperatura (a pressione
atmosferica):
ferro delta, con reticolo CCC tra 1535 e 1390C
ferro gamma, con reticolo CFC tra 1390 e 910C
ferro beta, con reticolo CCC tra 910 e 770C (non magnetico)
ferro alfa, con reticolo CCC tra 910 e T ambiente (ferromagnetico)
Liquido
Ferro
Ferro
Ferro
Ferro
770C
1535C
910C
1390C
TC
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Struttura e propriet dei metalli
Metalli monomorfi e metalli polimorfi: il ferro
La forma , ferromagnetica, stabile fino a 770C circa (T di Curie), al di
sopra della quale, pur mantenendo la
stessa struttura, modifica la propria
permeabilit magnetica
Per un certo tempo (nei primi anni del
'900), questa forma non-
ferromagnetica venne definita forma ,
stabile fino a 910 C
Oltre 910 C e sino a circa 1390 C
stabile invece la forma
A temperatura ancora superiori, la
forma si trasforma a sua volta nella
forma , stabile fino alla temperatura fusione (circa 1535C)
Il ferro liquido rimane tale (a pressione
atmosferica) fino a 2862C (T di
ebollizione)
Un esempio di altoforno inglese
(secolo XVIII)
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Struttura e propriet dei metalli
Cubico a corpo
centrato
Cromo
Molibdeno
Niobio
Tungsteno
Vanadio
Ferro , Ferro
Titanio
Zirconio
Cubico a facce
centrate
Alluminio
Argento
Nichel
Oro
Piombo
Rame
Ferro
Cobalto
Esagonale
compatto
Magnesio
Stagno
Zinco
Titanio
Cobalto
Zirconio
Metalli con ununica forma allotropica
Metalli con diverse forme allotropiche
Reticoli caratteristici di altri metalli
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Struttura e propriet dei metalli
Reticoli caratteristici di altri metalli
Nel caso dei principali metalli di interesse industriale, oltre al ferro, si
presentano quindi situazioni di metalli monomorfi e polimorfi.
Lalluminio (Al) un elemento monomorfo (CFC), con Tf attorno a 660C;
Il nickel (Ni) un a sua volta monomorfo, con Tf attorno a 1450C;
Il rame (Cu) un metallo monomorfo (CFC), con Tf attorno a 1083C
Il titanio (Ti) un materiale polimorfo, che presenta una temperatura di
transizione tra due stati solidi differenti attorno ad 880C (detta beta-transus):
al di sotto di beta-transus, il reticolo EC (fase alfa)
al di sopra CCC (fase beta)
Le temperature di passaggio di fase allo stato solido saranno di
particolare interesse, nel caso delle leghe piuttosto che dei metalli puri,
per definire i parametri dei trattamenti termici
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Struttura e propriet dei metalli
Allinterfaccia tra un liquido ed un
solido allequilibrio, alla temperatura di
fusione, esiste passaggio di atomi da
uno stato allaltro (da liquido a solido
e viceversa, in numero identico)
Per ottenere solidificazione (o fusione)
occorre sottrarre (o aggiungere)
energia, in forma di calore
Allinterfaccia tra le fasi deve esservi
quindi un gradiente di temperatura
Nella trasformazione liquido-solido si
possono distinguere due momenti:
nucleazione
accrescimentoNucleazione ed accrescimento
Meccanismi di solidificazione dei metalli
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Struttura e propriet dei metalli
Meccanismo di solidificazione dei metalli
La nucleazione di nuovi germi solidi
si svolge con una velocit
caratteristica (Vn), cos pure esiste
una velocit caratteristica di
accrescimento (Va) dei germi
formatisi
In termini qualitativi, si pu dire che:
una struttura di solidificazione
caratterizzata da una elevata Vn e pi
bassa Va sar costituita da numerosi
grani, di piccole dimensioni;
una struttura di solidificazione
caratterizzata da una bassa Vn e pi
elevata Va sar costituita da grani
meno numerosi e di maggiori
dimensioni
Un esempio di struttura bi-fasica
(lega ASTM B 265 Ti6Al4V)
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Struttura e propriet dei metalli
Solidificazione dei metalli: gradiente negativo
Per gradienti negativi, la differenza di
temperatura tra liquido e solido
cresce con la distanza allinterfaccia
Il caso del gradiente negativo molto
frequente nei casi industriali pi
importanti
Durante laccrescimento, la struttura di
solidificazione penetra in una zona a
minore temperatura, sviluppandosi
secondo una struttura ad albero,
denominata dendrite
Il liquido residuo, negli interstizi tra
dendriti, solidifica per ultimo, sinch
lintera massa metallica risulta
solidificata
Il fenomeno del dendritismo
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Struttura e propriet dei metalli
Bordo grano
In una struttura metallica ogni cristallo definito grano per quanto esistano a livello industriale applicazioni di particolari monocristallini, in saldatura interessano microstrutture policristalline
Linterfaccia tra grani (bordo grano) una zona di transizionedellorientazione
La dimensione del grano un parametro fondamentale per molte propriet della lega resistenza meccanica, durezza e tenacittendono a diminuire, con microstrutture pigrossolane, a differenza della duttilit
Tra le altre, le caratteristiche tensili(limite elastico) sono dipendenti dalla dimensione media del grano d (equazione di Hall Patch, snervamento proporzionale a d-1/2)
Una struttura dendritica
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Struttura e propriet dei metalli
Bordo e dimensioni del grano
La dimensione del grano
influenzata dalla presenza di particelle
non metalliche (seconde fasi,
precipitati) e dalla velocit di
raffreddamento
La zona del bordo del grano, in
quanto zona di transizione, risulta
meno compatta del reticolo cristallino
e pu essere un sito preferenziale per
la diffusione di elementi nella matrice
( il caso del C nel Fe)
A temperatura ambiente risultano pi
resistenti i materiali a grano fine
Ad alta temperatura (creep) risultano
pi resistenti i materiali a grano grosso
Una rappresentazione della
struttura reticolare a bordo grano
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Struttura e propriet dei metalli
Imperfezioni e difetti reticolari, impurezze
I cristalli descritti sono assimilabili
a cristalli ideali
I materiali metallici industriali
sono caratterizzati dalla presenza
di difetti ed imperfezioni:
impurezze
difetti reticolari (soprattutto: atomi
interstiziali, posti vacanti)
dislocazioni
Le impurezze sono particelle con
dimensioni e caratteristiche
chimiche diverse dagli elementi
che costituiscono la matrice
La rappresentazione di una
dislocazione (sopra) e la sua
immagine reale (sotto)
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Struttura e propriet dei metalli
I difetti reticolari sono
sostanzialmente i
posti vacanti e gli
atomi interstiziali
Esistono anche altri
tipi di difetto
reticolare, di minore
rilevanza (difetto di
Shottky, difetto di
Frenkel)
Imperfezioni e difetti reticolari, impurezze
1. Posto vacante
2. Atomo interstiziale
3. Atomo sostituzionale
4. Atomo interstiziale
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Struttura e propriet dei metalli
Dislocazioni
La dislocazione si pu definire come un
difetto lineare costituito da
irregolarit o distorsioni di piani
reticolari
Attraverso il loro movimento, giustificano
lo scorrimento tra piani cristallini e, di
conseguenza, la duttilit del materiale
Ogni processo che consenta di
incrementare le caratteristiche tensili
(tempra, incrudimento, invecchiamento
naturale o artificiale) comporta
inevitabilmente:
un aumento della rigidezza del reticolo
cristallino
una diminuzione della mobilit delle
dislocazioniDiversi tipi di dislocazione
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Struttura e propriet dei metalli
Il fenomeno dellincrudimento
Per effetto di una deformazione plastica
ha luogo un fenomeno detto
incrudimento
Il movimento delle dislocazioni si arresta
per effetto della loro interazione con il
bordo grano (ed anche precipitati, e
difetti) che ne ostacolano il moto
La duttilit del materiale diminuisce
rapidamente mentre aumenta la sua
resistenza meccanica
Il fenomeno pu essere:
una conseguenza indesiderata di una
specifica lavorazione
lobiettivo di una lavorazione specifica
( il caso delle leghe alluminio -
magnesio)
Incrudimento
(curva tensione / deformazione)
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Struttura e propriet dei metalli
Il fenomeno dellinvecchiamento
E causato dalla precipitazione,
nella matrice, di fasi formate da
elementi presenti oltre il limite di
solubilit (sovrassaturi)
Nel caso del ferro, tali elementi
sono:
carbonio (cementite ultradispersa)
azoto (nitruri)
Essi precipitano dalla soluzione
metastabile, ancor pi facilmente
nel caso in cui una deformazione
plastica distorca la matrice
Lossigeno limita la solubilit di C
ed N nella matrice, quindi
necessario disossidare lacciaio
con Si e/o Al
Rappresentazione
dellinvecchiamento
Risultano aumentate le
caratteristiche tensili
Duttilit e tenacit diminuiscono
anche sensibilmente
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Struttura e propriet dei metalli
Ricupero e ricristallizzazione
Durante la deformazione plastica si cede
energia al metallo che viene immagazzinata
sotto forma di energia di incrudimento
Tale energia resa disponibile per un
riassetto o recupero del reticolo
(recovering) per ripristinare lo stato iniziale,
attraverso due meccanismi:
ricupero - ridistribuzione delle dislocazioni
ricristallizzazione - nucleazione e crescita
di nuovi grani a bassa densit di energia ed
esenti da tensioni residue
Per attivare il recupero del reticolo
necessario fornire energia, tipicamente in
forma di calore, come avviene
mantenendo il materiale al di sopra di una
certa temperatura Esecuzione di una prova di trazione ad alta temperatura
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Struttura e propriet dei metalli
Ricupero e ricristallizzazione
Il recupero giustifica il comportamento dei
metalli in regime di scorrimento viscoso a
caldo (creep)
In particolare, minore la deformazione,
maggiore la T di ricristallizzazione
Il fenomeno assume notevole rilievo nel caso
dei trattamenti termici:
In generale, terminata la ricristallizzazione
della matrice, il proseguimento del
trattamento termico comporta solo un
aumento della dimensione del grano
La ricristallizzazione un processo
fondamentale in numerosi processi di
saldatura allo stato solido, che non
prevedono il raggiungimento della Tf del
materiale
Un esempio di processo allo
stato solido: la saldatura a
frizione
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Struttura e propriet dei metalli
Influenza della temperatura
In primo luogo, la temperatura
influenza le dimensioni del reticolo:
nel caso del ferro, la costante
reticolare dipende anche dal tipo di
cella, a sua volta funzione della
temperatura
Le dimensioni della cella variano in
modo lineare in funzione della
temperatura e sono maggiori nel
caso di reticolo cubico a facce
centrate
La variazione della costante
reticolare modifica la solubilit
degli elementi di lega e di eventuali
gas (idrogeno) dallo stato liquido
0 400 800 1200 1600
4,0
3,5
3,0
2,5
Ferro
Ferro
Ferro
TEMPERATURA [C]
L
A
T
O
D
E
L
L
A
C
E
L
L
A
[
A
]
Variazione della costante reticolare
del Fe con la temperatura
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Struttura e propriet dei metalli
Influenza della temperatura sulla resistenza
In funzione della
temperatura, i metalli (e le
leghe derivate) presentano
valori decrescenti della
resistenza meccanica, sia in
termini di carico di rottura
che di carico di
snervamento
Il fenomeno ha un rilevante
numero di conseguenze, tra
cui:
le limitazioni alla
temperatura di esercizio
lesecuzione di trattamenti
termici di distensione
0
100
200
300
400
500
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Temperatura [C]
[MPa]
CARICO DI ROTTURA
CARICO DI SNERVAMENTO
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Struttura e propriet dei metalli
Influenza della temperatura sulla resistenza
Al di sopra di una T critica (detta T di
creep) e caratteristica di ogni metallo
(o lega), il metallo stesso sotto
tensione soggetto a deformazioni
plastiche permanenti
Si dice che il metallo (o lega) opera in
regime di creep (o scorrimento
viscoso a caldo), tale che la sua
resistenza sar definita non con Rm
ma con parametri pi complessi
Tali parametri esprimono la
resistenza a rottura in funzione della
T, del tempo e di una massima
deformazione permanente ammessa
(ad esempio, R100.000/0.2/570C) Variazione di alcune caratteristiche meccaniche per leghe di Al tipo 7075, 2219 e 6061
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Struttura e propriet dei metalli
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Struttura e propriet dei metalli
Recommended