Bemporad - Materiali per l'ingegneria

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Data ultima modifica: 01/04/08

MATERIALI PER L'INGEGNERIA

Prof. Bemporad(A.A. 2006-07)

AVVERTENZAVoglio chiarire in modo esplicito che questi appunti sono liberi e tutti possono usufruirne GRATUITAMENTE, non mi rendo responsabile

dell'uso che ne farete, ne della loro correttezza. Sono solo uno studente che condivide il proprio lavoro e quindi questi appunti sono passibili di errori!!!

Chiunque usi questi appunti come fonte di profitto o in modo illecito è interamente responsabile delle sue azioni, voglio sottolineare ancora che

tutti potete ottenere gratuitamente questi appunti sul sito:


Che Dio vi benedica!

Elaborato da:Renato Campus Giraldo

Supporto didattico:Appunti di Marco Buccheri

Dispense del Prof. BemporadManuale dei materiali per l'ingegneria, a cura di AIMAT (McGrawHill)

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INDICE

I. Richiami ed introduzione al corso 03 1. Richiami di STM 03 2. La metallurgia 03

II. Diagrammi di fase 05 1. Definizioni e concetti di base 05 2. Diagrammi di fase di equilibrio 05 3. Evoluzione della microstruttura nelle leghe isomorfe 07 4. Sistemi eutettici binari 08 5. Evoluzione della microstruttura nelle leghe eutettiche 09 6. Reazioni eutettoidi e peritettiche 10

III.Il sistema ferro-carbonio 11 1. Il diagramma di fase Ferro-Carburo di ferro 11 2. Evoluzione microstrutturale 12 3. Leghe ipoeutettoidi 12 4. Leghe ipereutettoidi 13

IV.Trasformazioni di fase nei metalli 14 1. Trasformazioni di fase 14 2. Variazioni microstrutturali e delle proprietà 15 3. Comportamento meccanico delle leghe ferro-carbonio 18

V. Trattamenti termici delle leghe metalliche 20 1. Introduzione 20 2. Processi di ricottura 20 3. Indurimento per precipitazione 24

VI.Saldatura e divisione delle leghe ferrose 26 1. Saldatura 26 2. Leghe ferrose 27

2.1 – Tipi e influenza degli alliganti in una lega ferrosa 27 2.1 - Acciai 27 2.2 - Ghise 29

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CAP. I : RICHIAMI ED INTRODUZIONE AL CORSO

1. Richiami di Scienze e Tecnologia dei materiali

Lo studio dei materiali è fondamentale in qualunque opera di ingegneria, possono essere catalogati in vaste categorie per studiare proprietà e caratteristiche.La maggior parte delle caratteristiche comuni dei materiali di una categoria deriva dalla struttura e dalla natura dei legami tra gli atomi; convenzionalmente i materiali vengono classificati in quattro ampie classi:

● metalli e leghe; ● polimeri; ● vetri e ceramici; ● compositi.

I materiali inclusi in una particolare classe presentano caratteristiche comuni quali: simili proprietà, simili schemi di processo e, spesso, simili applicazioni.In generale nella scienza dei materiali si può dire che le proprietà macroscopiche dei materiali dipendono dalla microstruttura che, a sua volta, deriva dalla composizione (grani o microparticelle) e dai processi di lavorazione. Conoscere le dinamiche di ogni materiale permette di poter intervenire sulla microstruttura per ottenere determinati comportamenti macrostrutturali, cioè determinate reazioni ad una sollecitazione.

2. La metallurgia

A temperatura ordinaria i metalli sono tutti allo stato solido, ad eccezione del mercurio (Hg), sono buoni conduttori di calore ed elettricità anche se la loro conducibilità diminuisce con la loro temperatura. Hanno un elevato peso specifico, sono opachi e sono in grado di assumere dopo opportuna lavorazione una lucentezza caratteristica.Trovano impiego industriale come elemento puro (con un certo grado di impurezze ammesse) o più frequentemente come leghe, cioè come combinazioni fra metalli diversi o anche fra metalli e metalloidi. L'aggiunta di elementi di lega ad un metallo può portare alla formazione di una soluzione solida omogenea, di un composto intermetallico, di un composto interstiziale o di un miscuglio di fasi.Le leghe hanno caratteristiche chimiche, fisiche e meccaniche diverse da quelle dei componenti puri e la loro composizione viene messa a punto in vista dell'ottenimento di caratteristiche particolari richieste dall'applicazione alla quale sarà destinato.L'impiego industriale di un metallo o di una lega prevede una fabbricazione e un affinazione che hanno luogo allo stato liquido. La successiva solidificazione presenta due stadi distinti: la nucleazione e l'accrescimento che vedremo più dettagliatamente in seguito per la lega Rame-Nichel.

Possiamo orientare lo studio in 3 settori:● metallurgia chimica: studia la produzione dei metalli dalla materia prima e il loro comportamento quando sono

in un ambiente aggressivo;● metallurgia fisica: studia la struttura dei metalli, principalmente:

○ il tipo di aggregazione degli atomi internamente;○ proprietà che ne derivano;○ tipi di difetti e le loro conseguenze;

● metallurgia meccanica: comportamenti dei metalli sottoposti a sforzi meccanici;

Metallurgia chimica.Si possono dare delle definizioni molto importanti:

● Fasi: una fase è definita come una porzione omogenea di un sistema che ha caratteristiche chimiche e fisiche uniformi. Ogni materiale puro viene considerato come un unica fase, cosi anche ogni solido, liquido e le soluzioni di gas. Ad esempio in una soluzione acqua-zucchero, l'acqua è una fase e lo zucchero solido non sciolto è un altra fase.Se in un sistema ci sono più fasi, ognuna avrà le sue proprietà fisiche e ci sarà una superficie di separazione tra fasi attraverso le quali c'è un discontinuo e brusco cambiamento delle caratteristiche fisiche e/o chimiche, non deve per forza trattarsi di sostanze diverse, anche la sola presenza di ghiaccio e acqua è sufficiente a definire un sistema bifasico.

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Modifica dellastruttura e dellamicrostrutturadel materiale

Incrementodelle

prestazionimeccaniche

ENERGIAChimicaTermica

Meccanica

AlligazioneTratt. termiciTratt. chimiciTratt. meccaniciTratt. termo-meccanici


La regola delle fasi (o Teorema di Gibbs) dice che in condizioni di equilibrio i gradi di varianza v di un sistema è dato dall'equazione:

v=cim− fdove:○ m è il numero dei fattori fisici;○ ci è una costante ( c i=2 per i sistemi binari);○ f è il numero delle fasi.

● Microstruttura: spesso le proprietà fisiche dipendono dalle microstrutture delle sostanze, queste si possono osservare direttamente al microscopio. Nelle leghe metalliche la microstruttura è caratterizzata dal numero di fasi presenti, dalla quantità e da come sono disposte.

● Equilibri di fase: Altro concetto importante è quello dell'equilibrio, può essere descritto molto bene in termini dell'energia libera, una funzione dell'energia interna e dell'entropia di un sistema:

G=UPV−TS con U=Q−L e S=Qrev

T

Qirr

T.

In determinate condizioni un sistema è in equilibrio se la sua energia libera è al minimo, questo significa che le caratteristiche del sistema non cambiano col tempo ma si mantengono per un tempo indefinito, il sistema è considerato STABILE altrimenti è detto INSTABILE. Si hanno casi, soprattuto nei sistemi solidi, in cui uno stato di equilibrio non viene mai raggiunto perché la velocità di avvicinamento all'equilibrio è estremamente bassa, un tale sistema è definito come di non equilibrio o METASTABILESi ha che se:○ G0 la trasformazione procede spontaneamente verso l'equilibrio;○ G0 la trasformazione non avviene;○ G=0 la trasformazione è all'equilibrio.Lo studio dell'energia libera e l'uso dei diagrammi ci permette di studiare un composto bifasico, ma non ci da' indicazioni sul tempo necessario al conseguimento di un nuovo stato di equilibrio. Questo stato può mantenersi indefinitivamente con variazioni estremamente basse nel tempo.Vediamo quindi che non è solo importante capire lo stato di equilibrio di un sistema ma anche la velocità con cui si stabilisce uno stato di equilibrio ed i fattori che influiscono sulla velocità.

Ricordiamo che i metalli sono solidi cristallini e che hanno i loro atomi disposti in posizioni spaziali ben definite che generano un reticolo cristallino (diversamente dai solidi amorfi e dai liquidi che hanno gli atomi disposti senza un ordine prestabilito). Le proprietà di un solido cristallino dipendono anche dalla natura dei suoi legami atomici che possono essere:

● legame metallico;● legame ionico;● legame covalente;● legame di Van der Waals.

N.B. : Il professore ha inserito nei fascicoli 1 e 2 delle dispense tantissimi richiami ad argomenti di Scienze e Tecnologie dei Materiali (STM) come la descrizione dei legami, le notazioni cristallografiche, i vari tipi di reticolo, i difetti del reticolo e le loro conseguenze, le prove effettuate sui materiali per determinarne le proprietà, la rottura duttile e fragile, la rottura a fatica, il creep, la transizione duttile-fragile e la resilienza.

Questi argomenti non sono stati chiesti in sede di esame nelle sessioni che ho visto quindi non le tratterò, siccome sono tutti argomenti di STM se vi serve potete scaricare gli appunti della materia dallo stesso mio sito http://raid996.altervista.org.

All'inizio del 3° fascicolo c'è comunque un riassunto molto ben fatto che basta e avanza secondo me se avete già dato l'esame di STM.

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CAP. II : I DIAGRAMMI DI FASE

1. Definizioni e concetti di base

La conoscenza dei diagrammi di fase per le leghe è estremamente importante perché c'è una forte relazione tra la microstruttura e le proprietà meccaniche di una lega. Inoltre i diagrammi di fase ci forniscono preziose informazioni sulla fusione, solidificazione, cristallizzazione e altri fenomeni.Vediamo qualche definizione:

● componente: sono i metalli puri e/o i composti di cui è formata la lega;● sistema: corpo specifico del materiale considerato o serie di leghe possibili che hanno uno stesso componente;● soluzione solida: formata da atomi di almeno due tipi, si ha che gli atomi del soluto occupano posizioni

interstiziali o di sostituzione nel reticolo cristallino del solvente.

Limite di solubilitàPer determinati sistemi di leghe a una certa temperatura esiste una concentrazione massima di atomi di soluto che possono essere sciolti nel solvente per formar una soluzione solida, questa concentrazione massima è detta limite di solubilità.Oltre questo limite si ha formazione di un altra soluzione solida o di un composto che presenta una composizione molto diversa, si consideri l'esempio della soluzione acqua-zucchero: lo zucchero si scioglie nell'acqua fino ad una concentrazione massima oltre la quale non si scioglie e si va a depositare sul fondo del recipiente.Il limite di solubilità (lds) dipende dalla temperatura alla quale si trova il solvente, nel caso precedente acqua-zucchero si può tracciare un diagramma come quello a fianco.

2. Diagrammi di fase di equilibrio

Si riassumono le informazioni sulla microstruttura e sulle fasi nel diagramma di fase che descrivono le relazioni fra temperatura e il numero delle fasi all'equilibrio, si possono cosi prevedere le trasformazioni di fase che influenzano a loro volta la microstruttura.Considereremo per il seguito soltanto leghe binarie, ovvero con due componenti, infatti all'averne più di due il diagramma di fase diventa estremamente complicato e di difficile rappresentazione. è comunque possibile esporre il concetto di controllo della microstruttura con un sistema binario anche se la maggior parte delle leghe contiene più di due componenti.Anche se la pressione esterna è un parametro che influisce sulla struttura delle fasi, in pratica rimane virtualmente invariata e quindi i diagrammi di fase saranno rappresentati alla pressione costante di 1 atm.

Sistemi binari isomorfiIl tipo più semplice di diagramma di fase binario è quello del sistema rame-nichel, sul diagramma compaiono tre diverse regioni di fase:

● un campo alfa α dove la fase α è una soluzione solida di sostituzione formata sia da atomi di nichel che di rame con una struttura cfc;

● un campo liquido L dove Il liquido L è una soluzione liquida omogenea di rame e nichel;

● un campo a due fasi α + L ;ogni regione è definita dalla/e fase/i che esistono entro un intervallo di temperatura e composizione delimitato dalle curve di confine delle fasi.

Vediamo che sotto i 1080 °C rame e nichel sono mutuamente solubili l'uno nell'altro allo stato solido per tutte le composizione, questo è spiegato dal fatto che entrambi i composti hanno struttura cristallina (cfc), raggio atomico, valenza ed elettronegatività quasi uguali. Il sistema rame-nichel viene definito isomorfo a motivo della completa solubilità dei due componenti sia sotto forma liquida che solida.Le curve di solidus e liquidus si intercettano alle due estremità della composizione, che sono i punti di fusione dei componenti puri.

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La termodinamica della miscelazioneQualora si abbia la formazione di una nuova fase composta da atomi di A e B casualmente distribuiti si avrà:

● Una variazione di entalpia H mix=⋅x A⋅x B associata alla interazione tra i due atomi, con 2 casi:○ 0 : AA o BB energeticamente favorite → tendenza alla formazione di soluzioni ricche in A o B;○ 0 : AB energeticamente favorite → tendenza a formazione di composti intermedi.

● Una variazione di entropia S mix associata alla nuova distribuzione casuale degli atomi, questa infatti

causa un aumento del disordine atomico e si può esprimere con: Smix=RT⋅−x A⋅ln xA – x B⋅ln xB .

Possiamo cosi dare l'espressione della variazione di energia libera:Gmix=Hmix−S mix=⋅xA⋅x BRT⋅x A⋅ln xAxB⋅ln xB

vediamo che per ogni fase l'energia libera sarà una funzione della temperatura e delle concentrazioni, data una temperatura e i valori delle concentrazioni sarà stabile la fase col valore più basso di energia libera.Se si rappresenta l'andamento della Gmix in funzione della concentrazione, vediamo che per basse temperature si ha un massimo della curva e due minimi che delimitano un intervallo di concentrazioni dove i due componenti non possono miscelarsi completamente (con formazione di fasi).Se si ricava dalla curva ( Gmix , C) quella (T , C) vediamo più chiaramente la zona di immiscibilità.

Nel caso di una soluzione solida la variazione di energia liberaGsol è data dalla somma dell'energia di miscelazioneGmix con quella di fusione: G fus=−9,5⋅T m−T , si

ha che G fus sarà nulla se in corrispondenza della temperatura di fusione, negativa se al di sotto e positiva se al di sopra di essa. A questo punto si può graficare l'energia libera di una soluzione solida: Gsol=GmixG fus .Analizzando l'andamento della curva vediamo che il sistema stabile sarà quello con valori di energia libera minimi.

N.B. : nelle dispense (fascicolo 3, diapositive 39 a 49) sono presenti tutta una serie di casi di cui si fa l'analisi della variazione di energia libera, non le ha chieste all'esame e per semplicità mi limiterò a leggerle velocemente, il procedimento comunque è sempre lo stesso solo che applicato a

casi più complicati.

Interpretazione dei diagrammi di fasePer un sistema binario di composizione nota e temperatura all'equilibrio, sono disponibili tre tipi di informazioni rilevanti per lo studio del sistema:

● Le fasi presenti: stabilire le fasi presenti è relativamente facile. Si localizza il punto temperatura-composizione sul diagramma e si osservano le fasi corrispondenti (ad'esempio nella figura di prima si ha il punto A con [60% Ni - 40% Cu] a 1100 °C e il punto B con [35% Ni - 65% Cu] a 1250 °C).

● La loro composizione: localizzato il punto concentrazione-temperatura si ha che se è presente una sola fase allora la composizione della fase è la composizione del sistema. Per una regione bifasica invece si deve:○ tracciare una retta isoterma in corrispondenza del punto considerato;○ si trovano le intersezioni di questa isoterma con la linea di liquidus e solidus;○ tracciate le verticali di questi punti si trovano le composizioni di α e di L.Per la loro quantità in percentuale o frazione si usa la regola della leva:○ si traccia la isoterma alla temperatura considerata attraverso la regione bifasica;○ la frazione di una fase si trova come la lunghezza della linea corrispondente dal punto considerato (ad'es. il punto B) al

limite della fase considerata divisa per la lunghezza totale, quindi considerando l'esempio di prima si ha la frazione di

fase L nella regione bifasica: W L=S

RSo per sottrazione delle composizioni: W L=

C−C0

C−CL

.

Spesso conviene dare le quantità relative delle fasi come frazioni volumetriche, si ha per la fase α:

V =v

v−v

dove vα e vβ indicano i volumi delle fasi nella lega con V V =1 infine diamo la relazione tra frazione volumetrica e frazione massica: v=W / .

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3. Evoluzione della microstruttura nelle leghe isomorfe

Raffreddamento di equilibrio

Esaminiamo l'evoluzione della microstruttura in una lega che si solidifica, e consideriamo una situazione in cui il raffreddamento è molto lento e quindi in cui è assicurato l'equilibrio di fase. Consideriamo l'esempio di lega rame-nichel che facciamo raffreddare lentamente da 1300 °C.

La situazione precedente di equilibrio di fase avviene solo per velocità di raffreddamento molto basse, questo perché al variare della temperatura si devono realizzare aggiustamenti della composizione delle fasi. Questi riaggiustamenti sono accompagnati da processi di diffusione che sono fenomeni tempo-dipendenti, quindi per mantenere l'equilibrio durante il raffreddamento ci deve essere un tempo sufficiente per permettere che ad ogni temperatura vi sia il riaggiustamento della composizione, la velocità della diffusione è particolarmente bassa sia per liquidi che per solidi e diminuisce ulteriormente col diminuire della temperatura.Comprendiamo quindi che praticamente tutte le situazioni di solidificazione reali non pongono i requisiti per un raffreddamento di equilibrio comportando una evoluzione della microstruttura diversa da quella di equilibrio descritta prima.

Raffreddamento di non equilibrio

Comunque sia per semplificare lo studio si assume che le velocità di diffusione in fase liquida sono sufficientemente rapide in modo che nel liquido venga mantenuto l'equilibrio.Si ha che il grado di scostamento della curva di solidus di non equilibrio da quella di equilibrio dipende dalla velocità di raffreddamento, più lenta è più piccolo è lo scostamento. Ci sono delle importanti conseguenze per le leghe isomorfe che solidificano in condizioni di non equilibrio, si ha infatti che la distribuzione degli elementi nel grano non è più uniforme come prima ma si stabilisce un fenomeno detto di segregazione per cui ci sono dei gradienti di concentrazione attraverso i grani.

Il centro di ogni grano è più ricco dell'elemento altofondente perché e la prima parte a solidificare, invece la concentrazione del composto più bassofondente cresce verso il bordo del grano, questo comporta la formazione di una struttura detta a cuore.Le proprietà di questa struttura sono diverse da quelle del composto formato in condizione di equilibrio, infatti quando un sistema con struttura a cuore viene nuovamente riscaldato le regioni al bordo del grano fondono prima per la maggiore concentrazione di composto bassofondente e questo causa una perdita dell'integrità meccanica del materiale per via del film liquido che separa i grani.

La struttura a cuore può essere eliminata con un trattamento termico di omogeneizzazione condotto ad una temperatura inferiore a quella del solidus di equilibrio durante il quale si verifica la diffusione degli atomi che porta a grani di composizione omogenea.

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Raffreddamento di non equilibrio

Raffreddamento di equilibrioRaffreddamento di equilibrio


4. Sistemi eutettici binariUn altro tipo comune di diagramma di fase per le leghe binarie è il diagramma di fase eutettico, si hanno nel diagramma del sistema rame-argento tre regioni monofasiche:

● α soluzione ricca in rame, ha l'argento come componente soluto ed una struttura cristallina cfc;● β ha una struttura cfc, ma il soluto è il rame;● L fase liquida.

Studiando il grafico vediamo alcuni punti di interesse:● Il rame e l'argento puro vengono considerati rispettivamente come fasi α e β, quindi la solubilità in queste fasi

è molto bassa e ad ogni temperatura inferiore alle retta BEG solo una limitata concentrazione di rame si scioglie nell'argento e viceversa.

● Il segmento BEG posto fra i punti di massima solubilità può essere considerato una curva di solidus perché rappresenta in ogni lega in equilibrio del sistema la temperatura più bassa a cui può esistere la fase liquida.

● Nelle regioni bifasiche evidenziate sul grafico si possono calcolare le composizioni e le quantità relative per ogni fase applicando la regola della leva.

● Man mano che l'argento viene aggiunto al rame diminuisce lungo la curva di solidus la temperatura in cui la lega è completamente liquida quindi possiamo dire che la temperatura di fusione del rame viene abbassato per l'aggiunta dell'argento e viceversa. Queste due curve di liquidus (AE e FE) si incontrano nel punto E attraverso cui passa la retta isoterma BEG, il punto E viene detto punto invariante e viene individuato dalla composizione CE e dalla temperatura TE. Per una lega di composizione CE si verifica nel corso del raffreddamento una reazione quando si raggiunge la TE:

L C E⇔CEC E ,quindi per raffreddamento alla temperatura TE una fase liquida viene trasformata in due fasi solide α e β, questa è definita reazione eutettica (cioè di facile fusione) e CαE e CβE rappresentano le composizioni delle fasi alla TE .

● Il segmento orizzontale BEG viene chiamato isoterma eutettica.● La reazione eutettica, al raffreddamento, è simile a quella della solidificazione per i componenti puri in cui la

reazione procede fino alla solidificazione completa ma il solido prodotto dalla solidificazione eutettica è sempre costituito da due fasi diversamente dal caso di componente puro.

● Nella costruzione di diagrammi di fase binari è importante sapere che entro un campo di fase possono essere in equilibrio massimo due fasi, invece nel caso di diagramma di fase eutettico si possono avere anche 3 fasi in equilibrio ma solo nei punti lungo l'isoterma eutettica. È comunque vero che le regioni monofasiche sono divise da una regione bifasica comprendente le due fasi che separa.

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5. Evoluzione della microstruttura nelle leghe eutettiche

Le leghe appartenenti ai sistemi eutettici binari possono assumere con un lento raffreddamento tipi di microstruttura diversi e si hanno, come per i sistemi binari, vari casi da considerare:

● Composizioni che vanno dal componente puro alla massima solubilità del solido per il componente alla temperatura ambiente (20 °C), nel sistema piombo stagno che consideriamo corrisponde a leghe ricche in piombo con peso in SN tra 0% e 2% oppure leghe con 99%-100% di Sn.Raffreddata lentamente si ha che la lega rimane liquida fino a 330 °C dove incontra la linea di liquidus, nel breve tratto percorso nella regione α + L la solidificazione assomiglia al caso di lega binaria in condizioni di equilibrio e si conclude con l'incontro della linea di solidus al di sotto della quale non vi sono più variazioni di microstruttura.

● Il secondo caso è quello che si verifica per composizioni che vanno dalla solubilità limite del solido alla temperatura ambiente a quella massima alla temperatura eutettica, le modificazioni sono del tutto simili a quelle del caso precedente.Vediamo che al superare la curva di solvus si va oltre il limite di solubilità del solido α per cui si ha formazione di piccole particelle di fase β, proseguendo col raffreddamento queste particelle aumentano di dimensione visto che al diminuire della temperatura aumenta la frazione di massa della fase β.

● Il terzo caso è quello relativo alla solidificazione alla composizione eutettica, si ha che al diminuire della temperatura non si verificano cambiamenti fino a che non si raggiunge la temperatura eutettica, dopodiché appena si interseca l'isoterma eutettica il liquido si trasforma nelle due fasi α e β , nel corso di questa trasformazione ci deve essere necessariamente una ridistribuzione dei componenti di piombo e di stagno visto che α e β hanno diversa composizione e nessuna ha la composizione del liquido.

Questa ridistribuzione viene realizzata mediante la diffusione degli atomi e la microstruttura risultante è formata da lamine alternate (chiamate lamelle) che si formano simultaneamente durante la trasformazione, la struttura cosi risultante viene chiamata struttura eutettica. Il successivo raffreddamento da una temperatura appena inferiore a quella eutettica non porta praticamente nessuna variazione rilevante. Schematizzando questa variazione microstrutturale si ha l'immagine a fianco, vediamo che:○ il processo di ridistribuzione del piombo e

dello stagno avviene per diffusione nel liquido.

○ le frecce indicano le direzioni della diffusione degli atomi di piombo e di stagno

la struttura eutettica si forma con questa forma lamellare perché la diffusione degli atomi di stagno e piombi si può cosi realizzare su distanze relativamente brevi.

● I l quarto e ultimo caso riguarda le composizioni diverse da quelle eutettiche ma che incontrano l'isoterma eutettica. Vediamo che all'inizio il raffreddamento ha lo stesso effetto sulla struttura di quello visto nel secondo caso, ma non appena la temperatura si abbassa sotto l'eutettica la fase liquida ancora presente si trasforma nella struttura eutettica e la fase α formata in precedenza non subisce praticamente nessun cambiamento, quindi la fase α è presente sia nella struttura eutettica che come fase a se' stante , per distinguerle si definisce α eutettica la prima e α primaria la seconda. Per le composizioni e le quantità delle fasi si usa la regola della leva.

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6. Reazioni eutettoidi e peritettiche

In alcuni sistemi di leghe si trovano altri punti invarianti oltre all'eutettico, punti che implicano la presenza di 3 fasi diverse, questo avviene nel caso del sistema rame-zinco. Vediamo che per raffreddamento nel punto E si ha che la soluzione solida δ si trasforma in altre due soluzioni solide (γ e ε) secondo la reazione:

⇔ ,per riscaldamento avviene la reazione opposta.Questa reazione appena descritta viene detta reazione eutettoide e il punto invariante e la linea isoterma che la caratterizza rispettivamente eutettoide e isoterma eutettoide.

La caratteristica che distingue l'eutettoide dall'eutettica è il fatto che nella prima si ha una fase solida anziché un liquido che si trasforma in altre due soluzioni solide ad una stessa temperatura.Altra reazione invariante che coinvolge tre fasi in equilibrio è la reazione peritettica, in cui, per riscaldamento una fase solida si trasforma in una fase liquida e in un altra fase solida, la si trova ad esempio nel sistema rame-zinco al punto P.

Trasformazione di fase congruenti.Le trasformazioni di fase possono essere classificate in base al fatto che vi sia o no variazione di composizione delle fasi coinvolte, nel caso in cui non ci siano alterazioni della composizione vengono dette trasformazioni congruenti. Le reazioni eutettiche ed eutettoidi sono quindi trasformazioni incongruenti.

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CAP. III : IL SISTEMA FERRO-CARBONIO

1. Il diagramma di fase Ferro-Carburo di Ferro (Fe - Fe3C)

In figura abbiamo una parte del diagramma di fase ferro-carbonio, il ferro puro per riscaldamento presenta prima di fondere due modificazione della struttura cristallina. Vediamone le variazioni lungo la verticale a sinistra:

● a temperatura ambiente la forma stabile detta ferrite (o ferro α) ha una struttura cristallina CFC;● a 912 °C la ferrite subisce una trasformazione polimorfa in austenite (o ferro γ) con struttura CFC;● a 1394 °C il reticolo CFC torna ad essere CCC diventando ferrite δ che fonde a 1538 °C.

Vediamo che il diagramma riguarda solo concentrazioni inferiore allo 6,70% in peso, questo perché a tale concentrazione si forma il composto intermedio carburo di ferro o cementite, che viene rappresentato da una linea verticale nel diaframma di fase. Quindi il diagramma ferro-carbonio può essere diviso in due parti, una porzione ricca in ferro ed un altra con composizione tra 6,70% e 100%.

Il carbonio è un impurezza interstiziale del ferro e forma una soluzione solida con le ferriti α e δ e con l'austenite, vediamo alcune caratteristiche di questo diagramma:

● Nella ferrite CCC α il carbonio è molto poco solubile (lds è 0,022%) per via della configurazione ed alla dimensione delle posizioni interstiziali del reticolo ccc che rende difficile l'accomodamento degli atomi di carbonio. Anche quando presente in bassa concentrazione, la presenza degli atomi del carbonio cambiano in modo notevole l'influenza sulle proprietà meccaniche della ferrite.

● L'austenite quando è legata con poco carbonio non è stabile al di sotto di 727 °C, il suo lds è del 2,14 % a 1147 °C che è circa 100 volte più grande del lds della ferrite. Come prima, questo è dovuto alla configurazione del reticolo CFC dell'austenite che concede più spazio e quindi le tensioni indotte sugli atomi di ferro circostanti sono molto più basse. Le trasformazioni di fase che coinvolgo l'austenite sono molto importanti per i trattamenti termici degli acciai.

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● La cementite si forma quando si supera il lds del carbonio nella ferrite α al di sotto di 727 °C per composizione comprese nella regione di fase (α + Fe3C) e coesiste con la fase γ tra 727 °C e 1147 °C. Meccanicamente la cementite è molto dura e fragile e la resistenza di diversi acciai può essere aumentata dalla sua presenza.La cementite in realtà è metastabile in quanto a temperatura ambiente si mantiene come composto a tempo indefinito, ma se è scaldata fra 650 e 700 °C per diversi anni si modifica cambiando in ferro α e carbonio sotto forma di graffite rimanendo tale fino a raffreddamento a temperatura ambiente. Quindi il diagramma mostrato non è in realtà di equilibrio, ma costituisce un approssimazione valida a tutti gli effetti perché pur essendo la velocità di decomposizione molto lenta, virtualmente tutto il carbonio si presenta nell'acciaio come Fe3C e non come graffite.

● Vediamo che nel diagramma sono state designate le regioni bifasiche, notiamo che esiste un eutettico a(4,30% ; 1147 °C) la cui reazione è : L⇔Fe3 C , quindi il liquido che solidifica forma le fasi austenite e cementite e per successivo raffreddamento fino a temperatura ambiente ci potranno essere altre variazioni di fase.

● Notiamo un eutettoide a (0,76% ; 727 °C) per cui si ha 0,76 ⇔0,022Fe 3C 6,7 cioè per raffreddamento la fase solida γ si trasforma in ferro α e cementite.

2. Evoluzione microstrutturale

Limitiamo la discussione a condizioni di raffreddamento delle leghe di acciaio molto lente per cui si ha equilibrio, le variazioni di fase che si verificano quando si passa dalla regione γ a quella α + Fe3C sono relativamente complesse e simili a quelle che si hanno er i sistemi eutettici. Consideriamo una lega di composizione eutettica (0,76%) ce viene raffreddata da una temperatura all'interno della regione della fase γ (ad'esempio 800 °C).All'inizio la lega è formata interamente dalla fase austenite di composizione 0,76%, nel corso del raffreddamento si hanno variazione al raggiungere la temperatura eutettoide, l'austenite si trasforma seguendo:

0,76 ⇔0,022Fe 3C 6,7 e si forma una struttura microstrutturale lamellare delle due fasi (α e Fe3C) con un rapporto di spessore di 8 a 1, questa struttura è definita perlite. Vediamo che la diffusione in strati lamellare avviene perché la composizione della fase di origine, qui austenite, è diversa da quella delle fasi prodotte, ferrite α e cementite, e quindi la trasformazione richiede che vi sia una ridistribuzione del carbonio per diffusione.

3. Leghe ipoeutettoidi

Consideriamo adesso leghe ferro0-carbonio diverse da quella eutettoide, si hanno quattro casi come per l'eutettico, consideriamo una composizione ipoeutettoide , vediamo che:

● a 875 °C la microstruttura è interamente austenitica;● a 775 °C ovvero all'interno della fase (α + γ) coesistono queste

due fasi, la maggior parte delle particelle di ferrite α si formano lungo i bordi dei grani originari dell'austenite e possiamo determinare le composizione con la regola della leva confermando che le composizione corrispondono a circa 0,020% e 0,40% di peso in carbonio;

● al proseguire il raffreddamento si ha che la fase ferrite cambia con la temperatura diventando leggermente più ricca in carbonio (curva MN) mentre la variazione dell'austenite è più importante (curva MO);

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● vediamo che arrivati appena sopra l'eutettoide si ha un incremento della frazione della fase α con particelle di questa fase di dimensioni maggiori, a questo punto si ha che la fase α contiene 0,022% in peso di C e la fase γ ha la composizione eutettoide di 0,76%;

● all'abbassarsi della temperatura appena sotto l'eutettoide tutta la fase austenitica presente si trasforma in perlite secondo il processo visto prima mentre per la ferrite non ci sono virtualmente alcun tipo di variazioni al passare sotto la temperatura eutettoide, essa forma una matrice all'interno della quale si trovano colonie isolate di perlite.

Vediamo quindi che la ferrite è presente sia come matrice che all'interno della perlite, allo scopo di identificarle si denomina la prima ferrite proeutettoide e la seconda ferrite eutettoide. Le quantità di ferrite proeutettoide e di perlite possono essere determinare usando le regola della leva applicata per l'eutettico.

4. Leghe ipereutettoidi

Il caso di leghe ipereutettoidi è pressapoco identico al precedente con la differenza che si hanno concentrazioni di carbonio da 0,76% a 2,14%.

Considerata una lega di composizione ipereutettoide si ha che partendo da una temperatura di circa 980 °C ci si trova in una regione con la sola fase austenitica, e si ha che:

● per raffreddamento all'interno del campo (γ + Fe3C) inizia a formarsi della cementite lungo i bordi dei grani di austenite, queste viene chiamata cementite proeutettoide;

● la composizione di cementite rimane costante mentre la concentrazione dell'austenite varia lungo la PO;

● all'oltrepassare la temperatura dell'eutettoide tutta l'austenite rimasta si trasforma in perlite e la struttura rimanente è formata da due microcostituenti: perlite e cementite proeutettoide.

Anche qui per il calcolo della composizione della lega si fa riferimento alla regola della leva.

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CAP. IV : TRASFORMAZIONI DI FASE NEI METALLI

Lo sviluppo della microstruttura delle leghe comporta in generale determinati tipi di trasformazioni di fase, studieremo in questo capitolo le trasformazioni di fase solide, la dipendenza dal tempo del progredire delle reazioni e lo sviluppo delle microstrutture bifasiche nelle leghe ferro-carbonio.

1. Trasformazioni di base

Si possono generalmente suddividere le trasformazioni di fase in tre classi:● dipendenti solo dalla diffusione senza modificazioni del numero o della composizione delle fasi;● dipendenti dalla diffusione e che prevedono variazione di composizione e di numero delle fasi presenti;● senza diffusione e da cui si ottengono fasi metastabili.

La velocità di trasformazioneLe trasformazioni non avvengono in modo istantaneo, si hanno dei fattori che implicano una certa durata di tempo, ad esempio la formazione delle nuove fasi o il fenomeno della diffusione. Da un punto di vista microstrutturale possiamo dare due fenomeni temporali importanti:

● nucleazione: è il processo iniziale ed è in pratica la formazione di particelle molto piccole della nuova fase che poi andranno ad accrescere, solitamente le posizioni favorevoli per la formazione dei nuclei sono le imperfezioni presenti soprattuto al bordo dei grani della fase già presente;

● accrescimento: i nuclei aumentano di dimensione e normalmente durante questo processo si assottiglia il volume della fase originaria, la trasformazione si completa solo se l'accrescimento delle particelle delle nuove fasi è in grado di procedere fino a raggiungere la frazione di equilibrio.

La cinetica della trasformazione è quindi molto importante per capire il trattamento termico dei materiali, possiamo pensare di misurare ad ogni temperatura il decorso della reazione, pensiamo di tracciare un diagramma con la frazione trasformata della nuova fase y in funzione del logaritmo del tempo.La curva a S cosi ottenuta rappresenta il comportamento cinetico tipico per la maggior parte delle reazioni in fase solida, si può scrivere l'equazione di Avrami:

y=1−e−k⋅t n

dove k e n sono costanti indipendenti dal tempo.

Per convenzione la velocità r di una trasformazione è data da: r=1

t0,5.

La temperatura è una variabile importante nel processo di trattamento termico e ha una forte influenza sulla cinetica della trasformazione, difatti prese diverse temperature si possono tracciare diversi grafici come quello precedente.Per la maggior parte delle temperature è possibile scrivere che la velocità di trasformazione cresce con la temperatura:

r=A⋅e−QRT

dove:● R è una costante dei gas;● T è la temperatura assoluta;● A è la costante indipendente dalla temperatura;● Q è l'energia di attivazione per la particolare

reazione.

Si richiama l'attenzione sul fatto che il coefficiente di diffusione ha la stessa dipendenza dalla temperatura, i processi che hanno questo tipo di interrelazioni sono detti attivati termicamente.

Trasformazioni multifasicheNei sistemi metallici si possono produrre trasformazioni di fase agendo sulla temperatura, composizione e sulla pressione, il modo più conveniente però è quello di variare la temperatura con trattamenti termici, questo corrisponde ad attraversare le curve che delimitano le fasi mediante riscaldamento e raffreddamento.

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La maggior parte delle trasformazioni di fase richiedono tempi finiti per arrivare al completamento e quindi la rapidità e la velocità di trasformazione diventano parametri importanti per definire la relazione fra trattamento termico e l'evoluzione della microstruttura. Questa è una delle limitazioni maggiori dei diagrammi di fase in quanto non indicano nulla sul periodo di tempo richiesto per il raggiungimento dell'equilibrio.La velocità di avvicinamento all'equilibrio per i sistemi solidi è cosi lenta che vere strutture di equilibrio si incontrano raramente e le condizioni di equilibrio sono mantenute solo se il riscaldamento ed il raffreddamento sono condotti a velocità talmente basse da essere impraticabili. Per poter agire fuori dall'equilibrio si rendono necessari un sottoraffreddamento e un sovrariscaldamento e questi saranno tanto maggiori quanto sarà più veloce la trasformazione.Per diverse leghe si preferisce la microstruttura metastabile che è intermedia tra lo stato iniziale e quello di equilibrio, diventa quindi molto importante studiare l'influenza del tempo sulle trasformazioni di fase e l'informazione cinetica è più importante che non la conoscenza dello stato finale di equilibrio.

2. Variazioni microstrutturali e delle proprietà

Diagrammi di trasformazione isotermica● Perlite: ricordiamo la reazione eutettoide ferro-carburo di ferro: 0,76⇔0,022Fe3 C 6,7 . Per

raffreddamento l'austenite (con una concentrazione di carbonio media) si trasforma in ferrite α (con bassa % di carbonio) e cementite (con %C alta) producendo la microstruttura perlitica.La temperatura ha un ruolo importante sulla velocità di trasformazione e ne vediamo la dipendenza nella figura a fianco. Un modo più conveniente per rappresentare la trasformazione è di tracciare un diagramma della temperatura in funzione del logaritmo del tempo, tracciamo quindi due curve: una del tempo necessario all'inizio della trasformazione e l'altro il tempo di fine della trasformazione.Osserviamo che:○ la temperatura dell'eutettoide 727 °C è indicata da una linea orizzontale;○ alle temperature superiori all'eutettoide per tutti i tempi esiste solo l'austenite;○ la trasformazione austenite-perlite si verifica solo se una lega viene

sottoraffreddata al di sotto dell'eutettoide;○ il tempo necessario per iniziare e terminare la trasformazione varia con la

temperatura;○ le curve di inizio e fine trasformazione sono più o meno parallele e tendono

asintoticamente all'isoterma eutettoide;○ a sinistra della curva di inizio trasformazione è presente solo l'austenite

mentre a destra c'è solo la perlite;○ lo spazio tra le due curve rappresenta lo stadio in cui l'austenite si sta

trasformando in perlite e quindi in cui sono presenti entrambi i microcostituenti.

Ricordiamo che r=1 / t 0,5 quindi più breve è il tempo maggiore sarà la velocità di trasformazione, vediamo dal grafico che la velocità cresce al diminuire della temperatura e questo è un apparente contraddizione con l'equazione: r=A⋅e−QRT .Questo è dovuto al fatto che tra 540 e 727 °C la velocità di deformazione è controllata dalla velocità di nucleazione della perlite che diminuisce all'aumentare della temperatura, nell'equazione di prima questo vuol dire che l'energia di attivazione Q per la nucleazione cresce con la temperatura. Troviamo inoltre che alle temperature più basse la trasformazione di decomposizione dell'austenite è controllata dalla diffusione e quindi rispetta l'equazione.Si devono comunque tenere presente le limitazioni di questo diagramma: esso è valido solo per leghe ferro-carbonio di composizione eutettoide e solo per trasformazione in cui la temperatura delle lega è costante per tutta la durata della reazione, ecco perché sono detti diagrammi di trasformazioni isotermiche.Vediamo sul diagramma di trasformazione isotermica un trattamento isotermico ABCD: la trasformazione da austenite a perlite inizia al punto C e si completa in 15s al punto D.

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Si ha che lo spessore delle lamine di ferrite e di cementite ha un rapporto di 8 a 1 ma lo spessore della lamina dipende dalla temperatura alla quale avviene la trasformazione isotermica:○ a temperature appena inferiori all'eutettoide si producono lamine spesse, viene detta perlite grossolana, a queste

temperature le velocità di diffusione sono relativamente elevate e quindi durante la trasformazione gli atomi di carbonio possono diffondere a distanze relativamente lunghe ;

○ col diminuire della temperatura le velocità di diffusione del carbonio diminuisce e le lamine diventano più sottili, la struttura a lamelle sottili prodotta a temperature vicine a 540 °C è detta perlite fine.

Per leghe di composizione diversa coesiste una fase proeutettoide e in tal caso nel diagramma di trasformazione isoterma si devono inserire le curve corrispondenti alla trasformazione proeutettoide.

● Bainite : dalle considerazioni appena fatte ci si potrebbe aspettare che l'alternanza di lamelle di cementite e ferrite diminuisca col diminuire della temperatura della trasformazione, ma si ha invece che dall'austenite si producono altri costituenti che possono esistere a temperature più basse tra cui è la bainite che è formata come la perlite di ferrite e cementite. Ce ne sono di due tipi:

●●

○ bainite superiore: per temperature tra 300 e 540 °C, è formata da una serie di listelli paralleli di ferrite che sono separati da particelle allungate di cementite;

○ bainite inferiore : tra circa 200 e 300 °C in cui la ferrite si presenta come placche sottili al cui interno si formano particelle di cementite simili a lamine.

La dipendenza del tempo dalla temperatura della trasformazione bainitica può essere rappresentato sul diagramma di trasformazione isotermica, si verifica a temperature inferiore rispetto a quella in cui si forma la perlite e ne costituisce l'estensione verso il basso.È importante notare come dopo la trasformazione in perlite o bainite non ci sia modo di ritrasformare il sistema con altri costituenti a meno di non scaldare nuovamente per formare l'austenite.

● Sferoidite : Se un acciaio di struttura perlitica o bainitica viene riscaldato e mantenuto ad una temperatura inferiore all'eutettoide per un periodo sufficiente di tempo si forma un altra microstruttura che viene chiamata sferoidite.Si ha in tal caso la presenza di una fase Fe3C sotto forma di particelle sferiche disperse in una matrice continua di ferrite. Questa struttura si forma dopo un ulteriore diffusione del carbonio senza produrre variazioni della composizione ne delle quantità relative delle fasi di ferrite e cementite. Non è prevista la presenza nel diagramma isotermico di trasformazione.

● Martensite : Quando la lega ferro-carbonio viene raffreddata rapidamente dalla fase austenitica fino ad una temperatura relativamente bassa si forma una struttura monofasica di non equilibrio che risulta dalla trasformazione senza diffusione dell'austenite, la trasformazione martensitica si verifica quando la velocità di tempra è sufficientemente rapida in modo da prevenire la diffusione del carbonio.Si ha che un gran numero di atomi si muovono in tutto l'insieme, in modo tale che si verifichino solo lievi spostamenti di ogni atomo rispetto a quello adiacente, questo fa si che l'austenite con configurazione cfc subisca una trasformazione in una martensite tetragonale a corpo centrato (tcc). Tutti gli atomi di carbonio rimangono nella martensite come impurezze interstiziali e costituiscono una soluzione solida in grado di trasformarsi rapidamente in altre strutture se riscaldate a temperature che permettano la diffusione.

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La velocità di trasformazione martensitica è infinita perché avviene quasi istantaneamente quindi possiamo considerarla indipendente dal tempo (l'accrescimento all'interno della matrice avviene alla velocità del suono), ci sono due diverse microstrutture martensitiche:

○ a listelli : per leghe con meno dello 0,6% di C i grani di martensite si formano a listelli che si formano lato per lato e si allineano in modo parallelo le une alle altre, questi listelli raggruppati formano dei blocchi;

○ lenticolare : è contenuta nelle leghe ferro-carbonio con più di 0,6% di C e in questo caso i grani di martensite prendono un aspetto aghiforme.

Non essendo una struttura di equilibrio la martensite non compare nel diagramma di fase ferro-carburo di ferro ma è rappresentata nel diagramma di trasformazione isoterma, essendo istantanea e senza diffusione è rappresentato il suo inizio da un segmento orizzontale designato M(start) e la sua progressione dalle rette M(%).

Inoltre essendo la diffusione praticamente inesistente le temperature a cui sono poste queste rette sono molto basse, trasformazioni di questo tipo, indipendenti dal tempo sono dette trasformazioni atermiche.

Diagrammi di trasformazione in raffreddamento continuoI trattamenti isotermici non sono sempre quelli più facili da condurre perché si deve prevedere che una lega sua raffreddata rapidamente da una temperatura superiore a quella dell'eutettoide e mantenuta a temperatura elevata, La maggioranza dei trattamenti prevede invece che la lega sia raffreddata in modo continuo fino a temperatura ambiente.In tal caso però il diagramma di trasformazione isotermica non vale più e deve essere modificato, nel caso di raffreddamento continuo il tempo richiesto per far iniziare e terminare una reazione è ritardati e quindi le curve isotermiche vengono traslate a tempi più lunghi e a temperature più basse, si definisce il grafico cosi ottenuto diagramma di trasformazione in raffreddamento continuo.

Sovrapponendo due diagrammi di trasformazione a raffreddamento continuo di cui uno lento e l'altro veloce vediamo che i prodotti microstrutturali sono rispettivamente la perlite fine e quella grossolana, notiamo inoltre che non è presente l'estensione del diagramma che riguarda la bainite, questo perché essendo il raffreddamento continuo l'austenite ha il tempo di trasformarsi tutta in perlite, e quella parte che non ha ancora reagito all'incrociare la curva M(start) diventa martensite.

Per il raffreddamento continuo di un acciaio si definisce una velocità di tempra critica che rappresenta la velocità di raffreddamento continuo minima per ottenere una struttura completamente martensitica. Questa velocità di raffreddamento sfiorerà appena le curve di inizio trasformazione perlitica. Per velocità maggiori si forma solo martensite ed esiste una gamma di velocità entro cui si producono entrambe le strutture, ovviamente per basse velocità si forma una struttura interamente perlitica.Il carbonio e altri elementi di lega spostano a tempi più lunghi le curve della perlite e della bainite, quindi fanno diminuire la velocità critica di raffreddamento ed è infatti uno dei motivi principali per cui si legano gli acciai, in questo modo si facilita la formazione di martensite per produrre strutture interamente martensitiche.

Si ha comunque che la posizione e la forma delle curve TTT sono influenzate dagli elementi di lega, questi producono uno spostamento delle curve di inizio e fine trasformazione verso tempi più lunghi, quindi verso destra, rispetto agli acciai al solo carbonio (l'unica eccezione è il Co). Ovviamente la forma varia di caso in caso ed è sempre più complessa all'aumentare del numero e della concentrazione di leganti.

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Anche le temperature M(start) e M(100%) subiscono delle variazioni più o meno evidenti, oltre al carbonio tutti gli elementi di lega (tranne il Co) spostano verso il basso la M(start). Allo stesso modo se M(100%) scende al di sotto della temperatura ambiente si può avere austenite residua.Altro fattore di deformazione per le curve TTT sono la temperatura ed il tempo di austenitizzazione (quindi dalla dimensione del grano austenitico), un ingrossamento del grano ritarda la formazione della perlite. Risentono infine anche della presenza di carburi o inclusioni non metalliche in generale, queste infatti aumento la velocità delle trasformazioni.

3. Comportamento meccanico delle leghe ferro-carbonio

PerliteLa cementite è più dura ma più fragile della ferrite, e al crescere della frazione di cementite in un acciaio, aumenterà la durezza e la resistenza come possiamo vedere nelle figura sotto nel caso della perlite fine.

Tutti i parametri aumentano con il carbonio e dal momento che la cementite è più fragile, al crescere del suo contenuto diminuisce sia la duttilità che la tenacità.Il comportamento meccanico del materiale dipende anche dallo spessore delle lamine di ciascuna delle fasi di ferrite e di cementite della microstruttura, la perlite fine è più dura e più resistente della perlite grossolana.Questo è dovuto ai fenomeni che si hanno all'interfaccia tra le fasi α e Fe3C, vediamo infatti che c'è grande aderenza trale due fasi, per cui nelle zone adiacenti l'interfaccia la fase cementite, più rigida e resistente, è in grado di contenere fortemente la deformazione della fase ferrite più tenera.

In questo modo si può dire che la cementite va a rinforzare la ferrite e il grado di rinforzo è più alto nella perlite fine perché è maggiore l'area sviluppata dall'interfaccia tra le fasi per unita di volume. Inoltre i bordi delle fasi fanno da barriera alle dislocazioni molto più dei bordi dei grani e per la perlite fine ci sono più bordi attraverso cui deve passare la dislocazione durante la deformazione plastica.

SferoiditeIn questo caso la fase cementite ha forma e disposizione notevolmente diverse rispetto alla struttura perlitica, come si vede nel grafico sopra queste hanno una resistenza e durezza maggiore rispetto alle leghe a struttura sferoidica.Anche questo si spiega considerando l'effetto di rinforzo e di impedimento al movimento delle dislocazioni attraverso le superfici di separazione tra ferrite e cementite, nella sferoidite c'è meno interfaccia e quindi la deformazione plastica è meno ostacolata e il materiale diventa meno duro e resistente. Si ha infatti che tra tutti gli acciai, quelli sferoidici sono quelli meno duri e meno resistenti.Sono inoltre notevolmente tenaci perché ogni cricca propagandosi nella matrice duttile di ferrite, può incontrare solo frazioni molto piccole di particelle di cementite fragile.

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BainiteGli acciai bainitici avendo una struttura più fine sono generalmente più duri e resistenti degli acciai perlitici, mostrano inoltre una buona combinazione tra resistenza e duttilità. Si noti l'influenza della temperatura sulla durezza e sulla resistenza a trazione di una lega ferro-carbonio di composizione eutettoide.

MartensiteFra tutte le microstrutture, quella martensitica è la più dura e la più resistente e la più fragile, ha una duttilità trascurabile, e la sua durezza dipende dal contenuto di carbonio. A differenza degli acciai perlitici, le caratteristiche della martensite non sono collegate con la sua microstruttura ma sono da attribuire all'efficacia che hanno gli atomi di carbonio in posizione interstiziale nell'ostacolare il movimento delle dislocazioni ed agli scarsi sitemi di scorrimento per le strutture tcc.L'austenite è leggermente più densa della martensite quindi durante la trasformazione di fase si verifica un deciso aumento di volume che può portare, nei pezzi relativamente grandi, alla creazione di fessure dovute a tensioni interne, questo è un problema quando il contenuto di carbonio è maggiore dello 0,5% in peso.

Martensite rinvenutaÈ possibile trattare termicamente la martensite per aumentare la duttilità e la tenacità del materiale e rimuovere le tensioni interne. Il rinvenimento si realizza riscaldando l'acciaio (tra 250 e 650 °C) martensitico ad una temperatura inferiore all'eutettoide per un certo tempo e dalla normale martensite si ottiene la martensite rinvenuta costituita da ferrite e cementite.Quest'ultima è presente sotto forma di particelle estremamente piccole ed uniformemente disperse in una matrice continua di ferrite (simile alla struttura sferoidica ma con particelle cementitiche molto più piccole).Questo materiale può essere duro e resistente come la martensite ma con duttilità e tenacità aumentate, questo si spiega grazie alla grande superficie per unita di volume dell'interfaccia ferrite-cementite che si forma e al fatto che la fase dura di cementite va a rinforzare la matrice di ferrite facendo anche da barriera alle dislocazioni. Infine la fase di ferrite è anche molto duttile il che spiega il miglioramento della martensite rinvenuta rispetto a quella normale.La dimensione delle particelle di cementite dipende da come si conduce il trattamento termico di rinvenimento, le variabili del trattamento termico sono la temperatura e il tempo e la maggior parte dei trattamenti vengono condotti a temperatura costante.All'aumentare della temperatura si aumenta la velocità di diffusione del carbonio e quindi la velocità di crescita delle particelle e quindi anche la velocità di addolcimento.

Vediamo nei due grafici a seguire l'influenza della temperatura e del tempo sulle caratteristiche meccaniche del materiale. Si aggiunge che a temperature prossime all'eutettoide (700 °C) e dopo diverse ore la struttura diventa sferoidica.

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CAP. V : TRATTAMENTI TERMICI DELLE LEGHE METALLICHE

1.Introduzione

Per rafforzare il materiale è possibile collocare opportuni ostacoli sul cammino delle dislocazioni: altre dislocazioni; giunti intergranulari; atomi in soluzione solida; particelle deformabili di una seconda fase; particelle indeformabili di una seconda fase. Questo può essere fatto solo modificando la microstruttura del materiale e si fa erogando energia al sistema, l'energia può essere:

● termica, sotto forma di calore (tempra);● meccanica, come deformazione (incrudimento e affinamento);● chimica, tramite il processo di alligazione (precipitazione e alligazione)

2. Trattamenti termici o ricotture delle leghe ferrose

I meccanismi più usati nella metallurgia sono quelli termici, si tratta di operazioni termiche effettuate sui metalli e leghe allo stato solido con lo scopo di ottenere una determinata struttura e determinate proprietà. Gli effetti di queste operazioni sono vari, possono esserci distorsioni di volume e di superficiedel pezzo oppure la formazione di stati di tensione interni. Generalmente vengono eseguiti in 3 fasi:

● riscaldamento,● mantenimento a temperatura per un determinato periodo,● raffreddamento con una determinata velocità.

Il tempo è un parametro importante per queste procedure, se la velocità di variazione della temperatura è troppo grande, si possono indurre gradienti di temperatura e tensioni interne che possono portare a deformazioni o anche a rottura.Inoltre il tempo di ricottura deve essere abbastanza lungo per consentire le reazioni di trasformazione necessarie.

Nel caso del ferro consideriamo anzitutto i punti critici, le cui temperature non sono solo funzione della composizione chimica dell'acciaio, ma possono variare anche con la medesima concentrazione in base alla velocità con la quale il pezzo viene scaldato o raffreddato.Si possono quindi definire per ogni temperatura o punto critico sopracitati delle variazioni:

● A1 è la temperatura di equilibrio austenite ~ perlite, l'austenite si forma al riscaldare il materiale o si scompone al raffreddamento formando l'eutettoide ferrite+cementite :○ Ae1 è la temperatura di equilibrio della trasformazione;○ Ac1 è la temperatura alla quale l'austenite eutettoide comincia a formarsi nelle condizioni di riscaldamento;○ Ar1 è la temperatura alla quale la trasformazione dell'austenite eutettoide in ferrite+cementite avviene nel

corso del raffreddamento.

● A3 è la temperatura di equilibrio austenite ~ ferrite nel caso degli acciai ipoeutettoidi, al di sopra della quale solo l'austenite è stabile e al di sotto della quale appare la ferrite :○ Ae3 è la temperatura di equilibrio della trasformazione;○ Ac3 è la temperatura alla quale la trasformazione ferrite→ austenite è completa nella fase di riscaldamento;○ Ar3 è la temperatura alla quale l'austenite comincia a trasformarsi in ferrite al raffreddarsi.

● Acm è la temperatura di equilibrio austenite ~ cementite nel caso degli acciai ipereutettoidi, al di sopra della quale solo l'austenite è stabile e al di sotto della quale appare progressivamente la cementite :○ Aecm è la temperatura di equilibrio della trasformazione;○ Accm è la temperatura alla quale la dissoluzione della cementite nell'austenite è completa nelle condizioni

di riscaldamento;○ Arcm è la temperatura alla quale inizia lo smiscelamento della cementite dall'austenite satura nelle

condizioni di raffreddamento.

Per migliorare le proprietà degli acciai si possono effettuare diversi trattamenti termici:

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● Normalizzazione: è usata per ottenere una migliore e più uniforme distribuzione dimensionale (simile ad un acciaio ricotto).Si procede a scaldare il pezzi a circa 70°C al di sopra di A3, dopo un tempo sufficiente che consenta alla lega di trasformarsi tutta in austenite, il trattamento si conclude con un raffreddamento in aria. Questo distrugge ogni effetto dei trattamenti precedenti, viene usato ad esempio per acciai di carpenteria e profilati per costruzioni metalliche.

● Ricottura completa : spesso usato per gli acciai a medio e basso carbonio destinati alle lavorazioni alle macchine utensili o ad estesa deformazione plastica, lo scopo è quello di addolcire l'acciaio con eliminazione di tensioni interne e di effetti di incrudimento per poterne aumentare la lavorabilità a freddo e omogeneizzarne la composizione chimica.La lega è austenitizzata scaldandola a 50 °C al di sopra delle curve A3 fino al raggiungimento dell'equilibrio, quindi è raffreddata in forno fino a temperatura ambiente.Questo processo distrugge gli effetti di qualsiasi altro trattamento termico o meccanico precedente, fornisce una struttura finale corrispondente alle condizione di equilibrio del diagramma Fe-C (il prodotto microstrutturale è perlite grossolana che è relativamente tenera e duttile).I problemi di questo trattamento sono che per tempi di mantenimento lunghi si ha un ingrossamento del grano austenitico quindi strutture finali a grano grosso (a bassa tenacità e elevata fragilità); e ha un alto costo per via dell'alta temperatura e dei tempi lunghi che immobilizzano i forni per il raffreddamento.

● Ricottura intermedia: è un trattamento termico che viene usato per annullare gli effetti di una lavorazione a freddo, ovvero per attenuare la durezza ed aumentare la duttilità di un metallo precedentemente incrudito.Con il trattamento si verificano processi di recovery e di ricristallizzazione e siccome di norma si preferisce avere una struttura a frana fine, si fa terminare il trattamento termico prima che il grano cresca in modo apprezzabile. Si minimizza la scaglia superficiale di ossidazione conducendo la ricottura a temperature relativamente basse ma sempre al di sopra della temperatura di ricristallizzazione o in ambiente non ossidante.

● Sferoidizzazione : gli acciai a medio ed alto contenuto di carbonio, con microstruttura formata da perlite possono essere ancora troppo duri per le lavorazioni alle macchine utensili o per la deformazione plastica. La sferoidizzazione consiste nel riscaldamento della lega ad una temperatura appena al di sotto l'eutettoide, se la microstruttura di origine contiene perlite il tempo di sferoidizzazione è di 15-25 ore, durante questa ricottura la Fe3C si concentra in particelle sferoidali.

● Distensione: nei manufatti metallici si possono sviluppare tensioni interne residue a seguito di lavorazioni termiche o meccaniche, se non vengono rimosse si possono verificare distorsioni e deformazioni. La distensione serve proprio a questo, i pezzi vengono scaldati a bassa temperatura (150°C ~ 180°C) finché il pezzi abbia una temperatura uniforme, quindi raffreddati in aria fino a temperatura ambiente. In questo modo non si diminuisce molto la durezza e la resistenza a trazione.

● Rinvenimento: lo scopo è di ottenere da una struttura martensitica una struttura con migliore combinazione tra durezza e tenacità e di ridurre le tensioni interne del pezzo. Si procede in 3 stadi:○ (80~160°C) : si ha precipitazione del carburo ε e quindi la martensite ha più bassa percentuale di carbonio

(~0,25%) quindi si ha un aumento di durezza nonostante la perdita di rafforzamento per soluzione solida;○ (230~280°C) : se è presente l'austenite residua (per acciai con M(100%) < Tamb) si trasforma in

ferrite+cementite e quindi si ha un aumento di durezza;○ (260~360°C) : il carburo ε si ridiscioglie nella matrice e precipita in cementite Fe3C quindi la martensite

espelle il carbonio e diventa cubica. Si ha una diminuzione di durezza ma un miglior compromesso fra durezza e tenacità.

Se consideriamo acciai legati si aggiunge un quarto stadio con (T > 400°C) per cui se sono presenti elementi carburigeni si ha la sostituzione della cementite con questi secondo due modalità:○ il carburo dell'elemento di lega (Mo, W, V, Nb, Ti) si nuclea direttamente dalla matrice mentre la

cementite si scioglie in essa con un aumento della durezza (temperature tra 450~550°C);○ l'elemento di lega (Cr) si scioglie nella cementite e si trasforma localmente nel carburo dell'elemento

carburigeno.

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● Tempra: La tempra serve per ottenere acciai martensitici, cioè una struttura con elevata durezza (fino a 700HB) e resistenza a trazione (fino a 2000MPa). Prevede un riscaldamento a 50°C sopra A3, questo per:○ contenere i costi;○ limitare i rischi di ingrossamento del grano;○ evitare surriscaldamenti e bruciature negli acciai ipereutettoidi.

Quindi si procede con un raffreddamento rapido e continuo di un pezzo austenitizzato in vari tipi di mezzi tempranti come acqua, olio o aria:○ acqua per acciai con C < 0,4% e senza elementi di lega;○ olio per acciai con C > 0,4% con elementi di lega;○ aria per acciai legati con C + Cr + Ni > 5% (sono detti autotempranti).Un acciaio temprato e rinvenuto può conseguire proprietà ottimali solo se ha acquisito un alto contenuto di martensite, ma questo non è assicurato con il trattamento di tempra perché risulta impossibile raffreddare il pezzo a velocità uniforme, le zone superficiali si raffreddano sempre prima di quelle interne portando a microstrutture e proprietà che variano con la distanza dalla superficie. La riuscita della tempra dipende da tre fattori:○ composizione della lega (all'aumentare della percentuale di carbonio si abbassano M(start) e M(100%);○ tipo e caratteristiche del mezzo di tempra;○ dimensione e forma del pezzo.Alcune volte si esegue la sola tempra superficiale che serve a rendere dura la superficie del materiale senza modificarne le proprietà di volume.

TemprabilitàL'influenza della composizione della lega sulla capacita di un acciaio a trasformarsi in martensite con un determinato trattamento di tempra viene espressa da un parametro chiamato temprabilità.

Una procedura standard per determinare la temprabilità e la prova di profondità di tempra Jominy, tutti i fattori che possono influenzare la profondità a cui un pezzi indurisce vengono mantenuti costanti, eccetto la composizione della lega. Si scalda una provetta cilindrica di 25 mm di diametro e 100 mm di lunghezza che viene austenitizzata, quindi si appende a un attrezzatura di fissaggio e se ne scalda l'estremità inferiore con un getto continuo di acqua. Raggiunta la temperatura ambiente si ricavano delle strisce piane superficiali sulle quali si misura la durezza Rockwell ad intervalli regolari.

Si possono cosi tracciare delle curve di temprabilità, dove vediamo che:

● l'estremità temprata è stata raffreddata molto rapidamente e presenta la massima durezza, nella maggioranza dei casi in questa zona si ha 100% martensite;

● la velocità di raffreddamento diminuisce con la distanza dall'estremità temprata e diminuisce anche la durezza;

● al diminuire della velocità di raffreddamento il carbonio ha più tempo a disposizione per diffondere e formare maggiori quantità della più tenera perlite che può essere miscelata con bainite e martensite.

In conclusione possiamo dire che un acciaio molto temprabile ha grandi valori di durezza a distanze relativamente lunghe, uno poco temprabile no.

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Correlando questo grafico con quello del diagramma di trasformazione in raffreddamento continuo possiamo vedere le curve di temprabilità di vari acciai di cui uno al carbonio (1040) e gli altri legati e notare che:

● tutte e cinque le leghe hanno, in corrispondenza dell'estremità temprata, durezza identica che è funzione solo del contenuto di carbonio che è uguale per tutte le leghe;

● la forma che è funzione della temprabilità cambia, e si ha che la temprabilità dell'acciaio al carbonio è bassa perché cade precipitosamente, al contrario la diminuzione di durezza degli altri quattro acciai è notevolmente più graduale.

I profili di durezza sono indicativi dell'influenza della velocità di raffreddamento sulla microstruttura:

● all'estremità dove la velocità è di circa 600 °C/s è presente il 100% di martensite per tutte e 5 le leghe;

● per 70 °C/s la microstruttura dell'acciaio al carbonio è essenzialmente perlitica con della ferrite proeutettoide, invece quella dei quattro acciai legati è costituita da una miscela di martensite e bainite.

Questa disparità si spiega con la natura degli elementi leganti usati che ritardano le reazioni da austenite a perlite e/o a bainite, questo permette di formare più martensite.L'acciaio prodotto presenta sempre una leggera, inevitabile variazione della composizione e della dimensione del frano medio da una partita all'altra. Questo porta ad una dispersione dei dati di temprabilità che frequentemente sono tracciati come una banda che rappresenta i valori massimi e minimi che ci si potrebbe aspettare per una lega.

Influenza del mezzo temprante, della dimensione della provetta e della geometriaPer dare una valutazione della velocità con cui si raffredda viene spesso usato il termine di severità di tempra, più rapida è più severa è.Ci sono 3 mezzi comuni in ordine di efficacia: acqua, olio e aria; non sempre si sceglie quello più efficace in quanto un raffreddamento eccessivamente veloce può produrre deformazioni e fessure.Anche il grado di agitazione del mezzo influenza la velocità di rimozione del calore.Si ha che, per raffreddare interamente il pezzo, è necessario esportare il calore dal centro del pezzo alle zone superficiali, questo ovviamente dipenderà dalle dimensioni e dalla geometria del pezzi.Vediamo dal grafico che anche le dimensioni del provino influiscono.Vi sono una moltitudine di acciai che sono suscettibili ad un trattamento martensitico e uno dei criteri più importanti di scelta è la temprabilità. Per parti destinate all'impiego dove si prevedano sollecitazione relativamente elevate si deve avere almeno l'80% di martensite ottenuta con un procedimento di tempra. Per parti moderatamente sollecitate è invece sufficiente un minimo del 50%.

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3. Indurimento per precipitazione

La resistenza e la durezza di alcune leghe metalliche possono essere aumentate mediante formazione di particelle estremamente piccole uniformemente disperse di una seconda fase all'interno della fase matrice originaria, questo può essere ottenuto con un adeguato trattamento termico. Questo processo è radicalmente diverso da quello che conduce alla formazione di martensite anche se il procedimento è simile.Perché si possa usare questo tipo di trattamento termico i diagrammi di fase delle leghe devono presentare caratteristiche indispensabili che sono necessarie ma non sufficienti:

● apprezzabile solubilità massima di un componente nell'altro;● limite di solubilità che diminuisce rapidamente con la temperatura;● infine la composizione di una lega indurente per precipitazione

deve essere minore della solubilità massima.

Trattamento termico di soluzioneIn questo caso tutti gli atomi di soluto vengono disciolti per formare una soluzione solida monofasica:

● si riscalda la lega ad una temperatura che la porti nella regione monofasica α;

● si aspetta che tutta la fase β sia disciolta (e quindi tutta la lega ha fase α);

● rapido raffreddamento per prevenire qualsiasi diffusione e la conseguente formazione della fase β.

Si ottiene cosi la soluzione solida α con atomi di B e la lega è relativamente tenera e di bassa resistenza.

Trattamento termico di precipitazioneLa soluzione solida α sovrasatura viene di norma riscaldata ad una temperatura intermedia entro la regione bifasica α + β per cui è apprezzabile la velocità di diffusione, si inizia a formare cosi la fase β come particelle finemente disperse con un processo detto di “invecchiamento”, dopo un adeguato periodo di tempo la lega è raffreddata a temperatura ambiente.Le caratteristiche di queste particelle β, e di conseguenza la resistenza e la durezza della lega, dipendono sia dalla temperatura di precipitazione T2 che dal tempo di soggiorno a questa temperatura, per diverse leghe l'invecchiamento si verifica spontaneamente a temperatura ambiente con periodi di tempo abbastanza lunghi.Vediamo in figura un tipico andamento per una comune lega indurente per precipitazione.

Meccanismo dell'invecchiamento.Vediamo in figura il lato del diagramma di fase alluminio-rame ricco in alluminio, durante il trattamento termico di precipitazione la formazione della fase θ di equilibrio è preceduta da diverse fasi di transizione formate in precisa sequenza.

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Durante lo stadio di indurimento iniziale gli atomi di rame si raccolgono insieme in dischi molto piccoli e sottili, spessi uno o due atomi e larghi circa 25 atomi, questi dischi sono molto numerosi e ben distribuiti, i grappoli talvolta chiamati zone sono cosi piccoli che praticamente non possono essere considerati come particelle precipitate distinguibili ma col tempo e con la diffusione degli atomi di rame, le zone crescono di dimensione.Passano quindi attraverso due fasi di transizione θ' e θ'' prima della formazione della fase di equilibrio θ. Gli effetti di indurimento e di aumenta della resistenza rappresentati nel grafico di resistenza in funzione del tempo visto poco sopra sono dovuti alla presenza di queste fasi di transizione metastabili. La massima resistenza coincide con la formazione della fase θ'' che può essere conservata raffreddando la lega a temperatura ambiente.Un sovrainvecchiamento porta invece alla progressiva crescita delle particelle ed alla formazione delle fasi θ' e θ. Il processo di incremento viene accelerato se si aumenta la temperatura.

La temperatura ed il tempo del trattamento termico di precipitazione ideali sono quelli che producono la durezza e la resistenza vicine al massimo valore, con l'aumento della resistenza si ha una riduzione di duttilità. Non tutte le leghe che soddisfano le condizioni elencate prima sono suscettibili di indurimento per precipitazione, infatti è necessario che si formi una deformazione del reticolo all'interfaccia matrice-precipitato che sono poi quelle che vanno a impedire il movimento delle dislocazioni.Le leghe devono essere temprate e poi mantenute in condizioni refrigerate per evitare la progressiva trasformazione in fase θ ed il conseguente sovrainvecchiamento, diverse leghe di alluminio usate per rivetti mostrano questo comportamento e ad esempio sono messe in opera mentre sono ancora tenere e quindi vengono lasciate indurire a temperatura ambiente, questo è detto invecchiamento naturale.

N.B. : Il Prof. ha trattato nel 4° fascicolo di dispense (n° 85 a 165) i trattamenti chimici e termo-chimici, non mi ricordo di aver visto domande sull'argomento negli esami che ho fatto o che ho visto quindi non li tratterò, preferisco riportare i trattamenti chimici di alligazione (prima parte

del fascicolo 5 delle dispense) che invece ha chiesto parecchie volte. Vi consiglio comunque di dargli uno sguardo per l'esame.

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CAP. V : SALDATURA E DIVISIONE DELLE LEGHE FERROSE

In questo capitolo studieremo la saldatura ed i suoi effetti sulla struttura del materiale e la classificazione che si usa per suddividere i materiali metallici ferrosi.

1. Saldatura

Nella saldatura due o più parti metalliche si uniscono a formare un singolo pezzo quando la fabbricazione in un solo pezzi è costosa o non fattibile per motivi tecnici. Possono essere saldati sia metalli simili e non, e il legame di unione è di tipo metallurgico invece che meccanico come nel caso della rivettatura e della bullonatura. Esiste una varietà di metodi di saldatura: ad arco, a gas, per brasatura e saldobrasatura.Durante la saldatura ad arco e a fas i pezzi da unire ed il materiale di apporto vengono scaldati ad una temperatura sufficientemente alta da causare la fusione locale di entrambi, durante la solidificazione il materiale di apporto forma un giunto di fusione tra i due pezzi, e quindi c'è una regione adiacente la saldatura che può aver subito alterazioni microstrutturali e meccaniche, questa regione è chiamata Zona Termicamente Alterata (o ZTA).

Le possibili alterazioni sono:

● se il materiale del pezzo è stato preventivamente lavorati a freddo, questa ZTA può aver subito ricristallizzazione e crescita del grano e quindi una diminuzione di resistenza, durezza e tenacità;

● durante il raffreddamento si possono formare delle tensioni residue che indeboliscono il giunto;

● per gli acciai, il materiale in questa zona può essere stato scaldato a temperature sufficiente altre da formare austenite, durante il raffreddamento a temperatura ambiente, la microstruttura finale dipenderà dalla velocità di raffreddamento e dalla composizione della lega. Per acciai a basso tasso di carbonio che presentano bassi livelli di temprabilità saranno presenti perlite e una fase proeutettoide, tuttavia per gli acciai si potrebbe ottenere della martensite che è fragile;

● alcuni acciai inossidabili possono essere sensibilizzati durante la saldatura il che li rende suscettibili a corrosione intergranulare.

Una tecnica relativamente moderna è quella della saldatura a laser nella quale un fascio laser altamente focalizzato ed intenso viene usato come sorgente di calore, i metalli da unire vengono liquefatti e si produce un giunto di fusione durante la solidificazione. Alcuni vantaggi di questa tecnica sono:

● processo non a contatti, il che elimina le distorsioni meccaniche dei pezzi;● rapido ed altamente automatizzato;● l'energia trasmessa al pezzo è bassa e quindi la ZTA è minima;● le saldature possono essere piccole e molto precise;● possono essere saldate una gran varietà di metalli e leghe;● saldatura esenti da porosità e con resistenza uguale o superiore al metallo base.

La saldatura a laser è molto usata nell'industria automobilistica e quella elettronica dove sono necessarie un elevata qualità e velocità di saldatura. Si possono anche usare fasci elettronici come sorgente di calore per la saldatura di metalli.

N.B. : Nelle dispense il Prof. ha riportato lo studio di indici che esprimono la saldabilità degli acciai, altri ragazzi di facoltà mi hanno detto che non ha mai chiesto questa trattazione ma piuttosto i grafici della ZTA e dell'alterazione di proprietà dovute alla saldatura. Se volete potete

vedere per conto vostro le dispense: 5° fascicolo diapositive 45 a 49.

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2. Leghe ferrose

Le leghe ferrose sono quelle in cui il ferro è il costituente primario e sono sicuramente quelle prodotte in quantità maggiori rispetto ad ogni altro tipo di metalli. Il loro uso è dovuto a tre fattori:

● i composti contenenti ferro esistono in quantità abbondanti sulla crosta terrestre;

● il ferro e gli acciai possono essere prodotti attraverso tecniche di estrazione, raffinazione, alligazione e fabbricazione relativamente economiche;

● le leghe ferrose sono estremamente versatili in quanto possono essere configurate in modo da avere un ampio spettro di proprietà meccaniche e fisiche.

Il principale svantaggio delle leghe ferrose è la loro sensibilità alla corrosione.

2.1 – Tipi e influenza degli alliganti in una lega ferrosa

● Cromo: si scioglie in parte nella ferrite e in parte nella cementite formando il carburo doppio (Cr, Fe)4C oppure altri carburi come Cr7C3 o Cr4C , comporta:○ aumento del carico di rottura senza riduzione della resilienza;○ aumento della durezza;○ maggiore resistenza alla corrosione;○ aumento della stabilità al rinvenimento.

● Nichel: si scioglie nella ferrite e nell'austenite con effetti simili al manganese:○ aumento della temprabilità;○ diminuzione della sensibilità al surriscaldamento;○ aumento del carico di rottura;○ aumento della durezza;○ maggiore resistenza alla corrosione.

● Silicio: si scioglie nel ferro e forma dei composti intermetallici: FeSi, Fe2Si, Fe3Si, Fe3Si2 e comporta:○ aumento della temprabilità;○ diminuzione della deformabilità a caldo e soprattutto a freddo;○ aumento del carico a rottura;○ aumento del carico al limite elastico;○ aumento della durezza;○ maggiore resistenza alla corrosione.

2.2 – Acciai

Sono leghe ferro-carbonio con concentrazioni apprezzabili di altri elementi di lega, esistono migliaia di leghe aventi diverse composizione e trattamenti termici e le proprietà meccaniche risultano sensibili al contenuto di carbonio, che è normalmente inferiore al 2,0% in peso. Gli acciai più comuni sono classificati secondo la concentrazione di carbonio:

● a basso, medio o alto tasso di carbonio: esistono anche delle sottoclassi entro ogni gruppo corrispondenti alla concentrazione di altri elementi di leghe;

● acciai comuni al carbonio: contengono soltanto concentrazioni residue di impurezze oltre al carbonio ed un po' di manganese;

● acciai legati: più elementi di lega vengono intenzionalmente aggiunti in concentrazioni specifiche.● acciai non legati: con percentuali bassissime di leganti.● acciai inossidabili.

Acciai non legati:● Acciai non legati di base : acciai per i quali non è richiesta nessuna prescrizione di qualità.● Acciai non legati di qualità: acciai per i quali si hanno prescrizioni che riguardano la tenacità, la grossezza del

grano e la formabilità. In particolare sono lamiere e nastri magnetici con valori di perdite specifiche totali o valori mini di induzione magnetica, di polarizzazione o di permeabilità.

● Acciai non legati speciali: hanno une purezza superiore dei precedenti (minori impurezze), sono destinati a trattamenti di bonifica o di tempra superficiale a cui rispondono in modo regolare. La regolazione della composizione chimica e le condizioni di produzione e lavorazione permettono a questi acciai di rispondere ad esigenze elevate.

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● Fanno parte di questa classe acciai:○ con valori minimi di resilienza allo stato bonificato;○ con un valore stabilito di profondità di tempra e di durezza superficiale;○ con tenore massimo di fosforo e zolfo;○ per reattori nucleari con limiti sulla presenza di certi elementi;○ con una prescritta conduttività elettrica;○ indurenti per precipitazione;○ per cemento armato precompresso.

Acciai legati:● Acciai legati di qualità: sono acciai il cui uso è simile a quello degli acciai non legati di qualità ma con

percentuali di alliganti maggiori. Sono di questo tipo gli acciai usati per la costruzione metallica a grano fine:○ acciai con carico unitario di snervamento minimo di 380 N/mm2 ;○ acciai con tenori di alliganti superiori agli acciai non legati ma comunque inferiori a determinate percentuali;○ acciai con valori minimi di resilienza;○ acciai per rotaie;○ acciai per laminati a caldo o a freddo;○ acciai legati col solo alligante del rame.

● Acciai legati speciali: acciai legati con regolazione precisa della composizione chimica e un controllo del processo produttivo, sono:○ acciai legati per costruzioni meccaniche ed apparecchi a pressione;○ acciai per cuscinetti;○ acciai per per utensili;○ acciai con particolari requisiti di resistenza elettrica;○ acciai al nichel avente coefficiente di dilatazione controllato.

Acciai a basso tenore di carbonio:● quelli prodotti in più grandi quantità;● contengono <0,25% in peso di C e sono insensibili a trattamenti termici intesi a formare martensite;● l'aumento di resistenza è ottenuto attraverso lavorazione a freddi;● le microstrutture consistono di ferrite e perlite, quindi quesite leghe sono abbastanza tenere e poco resistenti,

ma hanno una buona duttilità e tenacità, in più sono lavorabili, saldabili e sono i meno costosi da produrre;● applicazioni tipiche possono essere carrozzerie di automobili, forme strutturali, lamiere usate nelle tubazioni,

edilizia, ponti e lattine per bevande.

Acciai ad alta resistenza basso-legati (HSLA):● sono acciai a basso tenore di carbonio ma contengono altri elementi di lega come rame, vanadio, nichel e

molibdeno con concentrazione < 10% in peso;● possiedono resistenza più alta rispetto agli acciai a basso tenore di carbonio e possono essere rafforzati

mediante trattamento termici arrivando a resistenze a trazione superiori ai 480 MPa;● sono duttili, formabili e lavorabili all'utensile;● sono più resistenti alla corrosione degli acciai al carbonio che rimpiazzano in molte applicazione, soprattuto

laddove la resistenza strutturale è critica (ponti, torri, colonne portanti nei palazzi e nei recipienti a pressione).

Acciai a medio tenore di carbonio:● concentrazione di carbonio compresa tra 0,25 e 0,60%;● possono essere trattate termicamente per austenitizzazione, raffreddamento e tempra;● hanno bassa temprabilità e si possono trattare termicamente per sezioni sottili con velocità di raffreddamento

molto rapide, vengono spesso usati nello stato temprato avente la microstruttura della martensite;● addizioni di cromo, nichel e molibdeno migliorano la capacità di queste leghe ad essere trattate termicamente

dando origine ad una verità di combinazioni resistenza-duttilità, queste leghe trattate sono più forti degli acciai a basso tenore di carbonio, ma a discapito della duttilità e tenacità;

● le applicazioni possono essere le ruote ferroviarie ed i binari, gli ingranaggi, albero a gomito ed altre parti di macchine e componenti strutturali ad alta resistenza che richiedono una combinazione di alta resistenza. resistenza all'usura e tenacità.

Acciai ad alto tenore di carbonio:● hanno concentrazione di carbonio tra 0,6 e 1,4% in peso;● sono i più duri, forti ed i meno duttili di tutti gli acciai al carbonio;● sono usati negli stati indurito e temprato e quindi in stati particolarmente resistenti all'usura e capaci di

mantenere un profilo tagliente;● gli acciai per utensili e per stampo sono leghe ad alto carbonio che contengono solitamente cromo, vanadio,

tungsteno e molibdeno, elementi che, combinati col carbonio, formano carburi molto duri e resistenti all'usura;● sono, come abbiamo già spiegato, usati per utensili da taglio e stampi per la formatura e la messa in forma di

materiali, per coltelli, rasoi, lame per seghetti e fili ad alta resistenza.

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Acciai inossidabili:● sono acciai con almeno il 10,5% di Cromo e massimo il 1,2% di Carbonio;● la resistenza alla corrosione può essere aumentata anche attraverso aggiunte di nichel e molibdeno;● altamente resistenti alla corrosione in molti ambienti ed in special modo quello atmosferico;● questi acciai si possono dividere in tre classi sulla base della fase predominante nella microstruttura:

○ martensitici: ■ possono essere trattati a caldo in modo che la martensite risulti il microcostituente primario;■ aggiunte di lega in concentrazione significative producono alterazioni notevoli nel diagramma di fase ferro-carburo di ferro;■ sono magnetici.

○ austenitici: ■ il campo di esistenza dell'austenite si estende fino a temperatura ambiente;■ induriti e rafforzati tramite lavorazione a freddo dato che non possono essere trattati termicamente;■ sono i più resistenti alla corrosione a causa dell'elevato contenuto di cromo e delle aggiunte di nichel;■ sono quelli prodotti in maggior quantità;■ non sono magnetici.

○ ferritici: ■ composti da ferrite α;■ induriti e rafforzati tramite lavorazione a freddo dato che non possono essere trattati termicamente;■ sono magnetici.

● Si possono anche dividere secondo:○ acciai con tenori di nichel maggiore o minore del 2,5% ;○ resistenza alla corrosione;○ resistenza all'ossidazione a caldo;○ resistenza allo scorrimento.

● Sono frequentemente impiegati a temperature elevate ed in ambienti aggressivi vista la loro resistenza all'ossidazione e la loro capacita di mantenere l'integrità meccanica in tali condizioni, il limite di temperatura superiore in atmosfera ossidante è di circa 1000 °C. Le apparecchiature che usano questi acciai includono turbine a gas, generatori di vapore ad alta temperatura, forni per trattamenti termici, aerei, missili e generatori di potenza nucleari.

2.3 – Ghise

Le ghise sono leghe ferro-carbonio con tenore di carbonio superiore al 2,06% ma contengono di solito anche altri elementi di lega che giocano un ruolo importante sulla microstruttura e sulle caratteristiche meccaniche.In particolare, vediamo l'effetto di alcuni elementi aggiunti:

● Si : elemento principale, restringe la fase γ favorendo quella α → ha un forte potere grafitizzante.● Ni (anche Al, Ti, Zr) : grafitizzante ma con effetti più deboli rispetto al Silicio;● Cu : promuove la formazione di perlite;● Cr (anche Mo, V, Mn, W) : riduce la capacità di grafitizzazione;● Mg, Ce : promuove la globulizzazione.

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Le ghise sono utilizzate essenzialmente come leghe da fonderia in quanto possiedono una temperatura di fusione più bassa e una fluidità più alta, durante la solidificazione e il successivo raffreddamento il carbonio si separa in graffite pura e/o combinati nella cementite. Vengono classificate in base all'aspetto cromatico:

● GHISE BIANCHE: ○ è quasi completamente assente la graffite, si ottiene per rapidi raffreddamenti o per alligazione con elementi che

inibiscono la grafitizzazione;○ ha un eccezionale resistenza all'usura e all'abrasione, ma sono fragili;○ spesso hanno bisogno di trattamenti di distensione;○ viene usata per attrezzi agricoli, ruote per carri merce e sfere di macinazione.

● GHISE GRIGIE: ○ costituita da lamelle di graffite immerse in una struttura ferritica o perlitica in funzione della velocità di raffreddamento;○ nelle ghise grigie il tenore di carbonio è solitamente compreso tra il 2 e il 4,5% mentre il silicio tra 1 e 3%;○ sono facilmente lavorabili;○ buona resistenza all'usura;○ stabilità dimensionale fino a 300°C;○ l'aggiunta di Cr e Mo aumentano la resistenza a fatica influenzando le dimensioni delle lamine di graffite;○ viene usata per basamenti di macchine, utensili, compressori, valvole, radiatori, blocchi motore, collettori di scarico e

cilindri per laminatoi, si evita di usarle negli impieghi con sollecitazioni ad impulsi (urti).

● GHISE SFEROIDALI: ○ gli sferoidi crescono rapidamente nel liquido sottoraffreddato e poi pù lentamente continuano a crescere a scapito del

guscio di austenite che li racchiude, si hanno percentuali di Carbonio (3,3 – 3,8 %) , di Silicio (1,8 – 2,8%), e tracce di Mn, P, (S + Mg) e Ce che sono sferoidizzanti;

○ hanno elevate caratteristiche meccaniche;○ hanno un basso punto di fusione e quindi un elevata colabilità;○ sono usate in applicazioni simili alla ghisa grigia eutettica, per la loro resistenza all'usura si usano per alberi di

manovellismi e ingranaggi; un ulteriore trattamento di tempra alla fiamma, porta la ghisa sferoidale a prestazioni di usura pari a quelle dell'acciaio cementato.

● GHISE MALLEABILI: ○ si ottengono sottoponendo la ghisa bianca a uno o più cicli di ricottura (sono processi termici molto lunghi) in modo da

ricomporre la cementite ottenuta durante la solidificazione in graffite, il trattamento di malleabilizzazione consta di due stadi:■ ricottura a 900-950 °C per 10-30 ore per decomporre la cementite secondaria in graffite;■ lento raffreddamento fino a 700-720 °C per 10-30 ore in modo da trasformare l'austenite in ferrite.

○ se la malleabilizzazione viene effettuata in un atmosfera decarburante si ottiene ghisa malleabile a cuore bianco, con una matrice ferritica e noduli di grafite di ricottura;

○ se avviene in atmosfera neutrale si ottiene ghisa malleabile a cuore nero ovvero con matrice perlitica e noduli di grafite di ricottura.

○ sono ghise dalle buone proprietà di fluidità, colabilità, lavorabilità, hanno elevate caratteristiche meccaniche e viene impiegata principalmente per getti.

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