02 -Struttura e Proprietà Dei Metalli

Metallurgia e saldabilit

26 Settembre 2008

Struttura e propriet dei metalli

Istituto Italiano della SaldaturaENTE MORALE

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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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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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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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Propriet fondamentali dei metalli puri (esempi)

Fe NiAlTi


6


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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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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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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Caratteristiche dei reticoli cristallini

Caratteristiche geometriche dei

reticoli fondamentali - esempi


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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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