Energy Engineering - Metallurgia

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Domande Esame Metallurgia 1. Descrivere brevemente la prova di trazione e indicare quali parametri si possono ricavare da essa. La prova di trazione è il test più utilizzato per determinare il legame sforzo -deformazione di un materiale e fornisce le principali grandezze che vengono utilizzate nella fase di progettazione di un componente. I principali vantaggi sono la semplicità di svolgimento, l’economicità e la facile standardizzazione. La prova è quasi -statica e distru ttiva : il provino viene sottopost o fino a rottura ad un carico assiale con velocità di deformazione costante. La relativa normativa è la ISO 6892. La macchina è composta da: telaio chiuso , afferraggi , trasduttori di segnale (cella di carico per la forza , estensometro per l’allungamento ) e sistema di acquisizione. L’allungamento del provino non è pari allo spostamento della traversa: la struttura è a sua volta deformabile e quindi occorre misurare direttamente l’allungamento del provino , solitamente tramite estensometro. Lo spostamento della traversa può essere anche due -tre volte superiore all’allungamento effettivo del provino. Il carico applicato sul campione viene misurato tramite una cella di carico composta da un trasduttore elettr ico che deforma ndosi che restituisce il valore del carico . I provini di trazione hanno geometria e dimensioni normate e sono caratterizzati da uno sviluppo assiale. Le sezioni possono essere circolari o rettangolari. Si possono distinguere differenti sezioni: a) Testa , ovvero la parte che viene “afferrata ” dalla macchina di prova ; b) Tratto utile (L 0), tratto nel quale si effettua la misura delle deformazioni ( ������0= �√�0,��� �= 5,65 ); c) Tratto calibrato (L c), tratto raccordato con la testa che presenta una sezione ridotta consentendo di localizzare il cedimento in questa zona (������0+ ������� 2< ������� (�������������������� )< ������0+ 2�������,��� �������= ��������� .�������� .��������� ). Prima di effettuare il test vengono segnat i due punti (sul tratto calibrato) che identificano il tratto utile, opportunamente misurato tramite un calibro. Nello stesso modo viene misurata la sezione. Successivamente viene serrato il provino nella macchina per l’esecuzione della prova. Al termine d i quest’ultima viene misurata la nuova dimensione del tratto precedentemente segnato per determinare allungamento e sezione finale. Ciò che si ottiene è un grafico che mette in relazione la forza applicata con la variazione di lunghezza del provino . Scopo della prova è ottenere una descrizione del materiale, il più possibile svincolata dalle caratteristiche del provino. La curva F -ΔL dipende invece dalla forma del provino (un provino più lungo si allungherà di più, un provino co n sezione resistente maggiore richiederà un carico maggiore), quindi occorre normalizzare queste quantità. È indispensabile definire una grandezza indipendente dalla geometria se si vuole determinare la resistenza effettiva del materiale, ed è quindi neces sario normalizzare la forza applicata per l’area della sezione resistente: ����������� ������� (������)= ������ �. Lo stesso discorso vale per l’allungamento del materiale: ����������������� ������������� (������)= ∆� �0. In generale, durante la prova di trazione si possono distinguere tre periodi: elastico, plastico e della strizione. a) Nel periodo elastico la deformazione è di tipo reversibile, ovvero lo sf orzo non supera il valore limite detto sforzo di snervamento e rimuovendo il carico la deformazione viene recuperata. Nei materiali metallici la relazione sforzo -deformazione è lineare: ��������������� (��������������� ): ������= �× ������; b) Nel periodo plastico , oltre il limite elastico, le deformazioni crescono più rapidamente ed il materiale resta deformato. In questo frangente non spariscono gli effetti del periodo elastico, infatti si ha che: ������= �������� + �������� = ������ �+ ��������. A livello atomic o avviene la rottura dei legami atomici, lo scorrimento dei piani cristallini e la successiva ricostruzione dei legami. La relazione sforzo -deformazione è esponenziale: ��������������� (�������������������� ): ������= �× �������. In questo periodo si a ssiste al fenomeno dell’ incrudimento : grazie al movimento delle dislocazioni si ha un aumento dello sforzo di snervamento. Giunti in prossimità dello sforzo massimo si ha il massimo della curva σ - ε e si determina il massimo della deformazione uniforme . In alcuni materiali (tipicamente negli acciai), può succedere che il passaggio dal tratto elastico a quello plastico sia più discontinuo. In questo caso si considera come snervamento il primo minimo dopo il tratto elastico ; c) Nel periodo della stri zione , a partire dal punto σ max , il provino comincia a presentare una riduzione di sezione localizzata in un punto del tratto utile fino a completa rottura del provino. Nella zona di strizione il carico non sarà puramente assiale ma risulterà essere triass iale e porterà al cedimento . Dalla curva σ -ε si possono definire alcune caratteristiche che permettono di comprendere le proprietà meccaniche del materiale: modulo elastico, sforzo di snervamento, sforzo massimo, Rp 02, allungamento percentuale e strizione percentuale. a) Il modulo elastico (E), detto anche modulo di Young , è la pendenza del tratto lineare elastico del diagramma σ-ε e viene calcolato come : ������= �× ������→ � = ������ ������= ������������������ ������. Tale grandezza fisica dipende solo dal legame atomic o e dalla natura del materiale e si misura in GPa ; b) Lo sforzo di snervamento (σSN) rappresenta il limite elastico, ovvero il confine tra il comportamento elastico e quello plastico . Nel caso di acciai a basso tenore di carbonio lo snervamento è discontinuo, ovvero è possibile individuare un valore massimo ed un valore minimo; c) Lo sforzo massimo (σMAX ), o carico di rottura (Rm), rappresenta lo sforzo ma ssimo dopo cui inizia la strizione . Essendo uno sforzo si misura in MPa ; d) Spesso non è possibile determinare con esattezza il valore di snervamento (���� ), quindi si utilizza un valore convenzionale che indica il valore di sforzo che comporta una deformazione permanente pari allo 0,2% . Esso si ottiene tracciando la parallela al tratto elastico della curva in corrispondenza del valore ������= 0,002 e determinando a quale valore di sforzo corrisponde l’intersezione di tale retta con la curva σ -ε. Si sceglie il valore ������= �,��� perché si è certi di essere in campo plastico . Essendo uno sforzo si misura in MPa ; e) ������ ���������������������� (�%)= �−�0 �0 × 100 ; f) ������������������������������ (�%)= �0−� �0 × 100 . I risultati di una prova di trazione dipendono fortemente dalla temperatura di prova e dalla velocità di deformazione imposta. Solitamente, un aumento di temperatura causa un aumento della duttilità del materiale ( A%, Z% ↑) e una riduzione della resistenza meccanica ( E, Rp02 , Rm ↓). Lo stesso effetto è causato da una riduzione della velocità di deformazione. Queste osservazioni non hanno carattere generale. I material i metallici si deformano grazie al moto di difetti detti dislocazioni. Tale moto non avviene nella fase elastica perché lo sforzo non è sufficiente. Oltre lo snervamento, le dislocazioni riescono a muoversi e si osserva deformazione plastica. L’aumento di sforzo che si osserva (incrudimento) è dovuto all’interazione tra dislocazioni, che ostacolano l’un l’altra il movimento. L’apparente diminuzione di sforzo che si osserva dopo il raggiungimento del carico massimo è un effetto dovuto alla riduzione localizz ata di sezione resistente. Il materiale, in realtà, non smette mai di incrudirsi (almeno a temperature non troppo elevate). Alla fine della prova di trazione è consuetudine analizzare la morfologia della frattura, la qual e è indice della tenacità del materiale. Esistono due tipologie di frattura dal punto di vista macroscopico: a) Frattura duttile : il campione presenta elevata strizione in prossimità della strizione; b) Frattura fragile : il campione non presenta strizione, la frattura è netta. Nel primo caso si creano dei microvuoti a causa della concentrazione degli sforzi in prossimità di difetti, essi si accrescono fino alla riduzione della sezione resistente, la quale non è più in grado di sopportare il carico . Nel secondo caso vi è una separazione dei legami atomici con propagazione transgranulare. L’area sottesa dalla curva sforzo -deformazione indica l’energia assorbita dal materiale durante la prova di trazione . L’energia assorbita è di due tipi: energia plastica (E Pl), che rappresenta il lavoro necessario per una deformazione permanente, ed energia elastica (E El). ���� = ��� + �������� = ∫ �������� ������� �������� � + ∫ ������������� ������� ������� �������� Maggiore sarà la deformabilità, maggiore sarà l’energia che il corpo potrà assorbire. I parametri che influenzano la prova di trazione : a) La temperatura incide notevolmente sul comportamento meccanico e facilita il movimento delle dislocazioni. All’aumentare della temperatura aumentano le proprietà tensili (allungamento, strizione ed energia assorbita) e diminuiscono quelle resistenziali (sforzi) ; b) Il contenuto di carbonio è molto importante. All’aumentare del carbonio in lega si ha un aumento delle proprietà resistenziali (sforzi) mentre diminuiscono le proprietà tensili (allungamento, strizione ed energia assorbita). Aumentando il carbonio il passaggio da comportamento el astico a plastico risulta meno marcato. Questo è dovuto alla maggiore quantità di ostacoli che le dislocazioni incontrano durante il movimento. 2. Indicare i meccanismi di rafforzamento dei materiali metallici . I metalli sono spesso impiegati con funzioni strutturali, quindi occorre che il moto delle dislocazioni sia ostacolato. Innanzitutto bisogna collegare il movimento delle dislocazioni all e pro prietà meccaniche dei materiali. La non - direzionalità propria del legame metallico permette la deformazione a taglio del materiale . Lo sforzo di taglio iniziale, prima dell’applicazione del carico, è zero e cresce al procedere della deformazione fino a rag giungere un massimo e poi tornare a zero. Nel punto massimo i centri degli atomi sono posizionati esattamente sopra (sotto) a quelli della fila inferiore (superiore) e sia ha dunque un’elevata distanza atomica (massimo dell’energia). Gli sforzi di taglio possono generare deformazione plastica secondo due meccanismi che sono lo scorrimento o la geminazione . Introdurre ostacoli all’interno della matrice metallica significa aumentarne la resistenza . Vi sono vari metodi di rafforzamento: a) Formazione soluzione solida (interstiziale o sostituzionale); b) Precipitazione ; c) Incrudimento; d) Riduzione della dimensione del grano; e) Formazione costituenti strutturali di non -equilibrio. • Rafforzamento per formazione di una soluzione solida Esso rappresenta il metodo principale per rafforzare una matrice metallica. Possono essere di due tipi: sostituzionali o interstiziali . La soluzione solida sostituzionale si ha quando gli atomi del soluto occupano le posizioni reticolari del solvente e rispettano le condizioni di Hume -Rothery . Le soluzioni solide interstiziali possono essere formate tra metalli ed elementi con raggi atomici molto piccoli come: idrogeno, boro, carbonio ed azoto. Il rafforzamento tramite atomi interstiziali è maggiore del contributo dei sostituzionali , in quanto l’effetto sulla distorsione del reticolo è maggiore. La presenza di atomi estranei ostacola le dislocazioni in due modi: ancoraggio per completa solubilità del soluto e formazione di una seconda fase. Questo meccanismo incrementa le proprietà meccaniche a discapito di quelle tensili. Alcuni elementi (indicati per comodità con S.P.O.H.N) sono nocivi per i metalli, in particolare l’azoto ed il fosforo, ed anche per questo non sempre gli atomi più piccoli o gli atomi interstiziali sono vantaggiosi . Bisogna ricordare che gli atomi interstiziali e sostituzionali di grosse dimensioni vanno sotto il piano di scorrimento , viceversa gli atomi sostituzionali più piccoli finiscono sopra il pia no di scorrimento . • Ancoraggio per completa solubilità Le leghe sono più resistenti dei metalli puri grazie agli atomi di soluto . S e questi sono più piccoli di quelli del solvente allora si avrà uno sforzo di trazione , invece se gli atomi di soluto sono più grandi di quelli del solvente allora si avrà uno sforzo di compressione : per questo motivo g li atomi di lega più piccoli si dispo ngono al disopra del piano di scorrimento, viceversa gli atomi più grandi si dispongono al disotto. Gli atomi di soluto vengono attratti dai campi tensionali delle dislocazioni e generano le atmosfere di Cottrell : la dislocazione risult a ancorata all’atmos fera , serv e uno sforzo maggiore per liberarsi e quindi il limite di snervamento aumenta. • Formazione di una seconda fase Il soluto si può separare dal solvente formando una fase a sé stante detta “ precipitato ” e ne esistono di due tipi: coerenti , caratterizzati dalla continuità di piani reticolari con la matrice, ed incoerenti , in cui non esiste la continuità con i piani reticolari della matrice. I precipitati ostacolano il movimento delle dislocazioni aumenta ndo di conseguenza la resistenza del materiale. Quando una dislocazione incontra una particella la può tagliare, se è coerente e deformabile, oppure se non lo è può avvolgerla formando una dislocazione anulare secondo il meccanismo di Orowan . Il rafforzame nto è funzione sia della dimensione delle particelle sia della loro quantità: è meglio avere numerose particelle fini rispetto a poche particelle grosse. • Incrudimento Se un metallo viene deformato plasticamente a freddo esso subisce il fenomeno del l’incrudimento ed il materiale deformato presenta una resistenza meccanica maggiore rispetto al materiale di partenza ed una conseguente perdita di deformabilità . Questo effetto si può vedere macroscopicamente considerando la prova di trazione: dopo aver raggiunto il primo carico di snervamento si rilascia il carico e successivamente il metallo viene sottoposto nuovamente al carico, ma sarà necessario uno sforzo maggiore per raggiungere lo snervamento. Tuttavia, all’aumentare delle deformazioni, il ma teriale avrà una deformabilità a rottura sempre minore . Questo trattamento è utilizzato principalmente su metalli puri o su quei metalli che non possono subire trattamenti termici . Tra gli effetti collaterali di questo trattamento vi sono: anisotropia (com portamento differente nelle varie direzioni del metallo) o diminuzione delle proprietà fisiche e chimiche (conducibilità elettrica e resistenza a corrosione). In generale le dislocazioni si formano grazie a difetti o impurità presenti nel reticolo e questa tipologia di nucleazione viene detta eterogenea ( meccanismo di Orwan ). La densità di dislocazioni cresce con il meccanismo di Frank -Reed (dislocazioni ad anello ). Per ripristinare la deformabilità del materiale bisognerebbe ridurre al densità dislocativa per via termica, permettendo alle dislocazioni di muoversi ed annichilirsi. L’incrudimento comporta un aumento del carico di rottura ma sarà sicuramente minore rispetto all’aumento de l carico di snervamento. • Riduzione della dimensione del grano I bordi grano sono zone di forte disordine nei metalli: i grani adiacenti hanno orientazioni cristallografiche differenti ed il bordo grano in comune. Durante la deformazione plastica le dis locazioni devono oltrepassare questo confine, e non è facile. I bordi grano , quindi, rappresentano un ostacolo per il moto delle dislocazioni , favorendo così la resistenza meccanica del metallo. L’affinamento del grano comporta, in questo caso, ad un aume nto delle proprietà tens ili. Infatti se il grano cristallino è piccolo la dislocazione lo incontrerà prima, rispetto ad un grano più grosso, durante il suo moto e quindi la resistenza meccanica sarà maggiore. �������������� �� ��������� − ���������� : ������������� = �������+ �× �−��,���� �������= ����������� ����� .��������� ���� ,� = ���� .�������� ��������� ,� = ��� .����� ����� • Formazione di costituenti strutturali di non -equilibrio negli acciai Un metodo semplice per ottenere un incremento delle proprietà meccaniche è quello di agire sui costituenti strutturali che caratterizzano il materiale metallico e determinano le proprietà dei materiali. Un acciaio, infatti, presenta un’ampia forcella di ca rico di snervamento passando da costituenti di equilibrio (perlite -ferrite) a costituenti estremamente instabili (martensite). • Ricristallizzazione Se un metallo viene deformato a temperatura stabile la microstruttura subisce una notevole deformazione ( variazione morfologia dei grani, incrudimento del materiale, aumento della densità di dislocazioni e trasformazioni di fase). La maggior parte dell’energia viene dissipata in calore e solo il 10% viene immagazzinata sottoforma di difetti. Il materiale aume nta la propria resistenza meccanica a discapito delle proprietà tensili rendendo le successive lavorazioni più onerose o comportando la frattura del metallo. Per poter eseguire ulteriori lavorazioni sarà necessario addolcire il materiale tramite un opportu no trattamento termico che sia capace di promuovere la formazione di un nuovo grano cristallino diminuendo l’energia immagazzinata . Si nota dunque il fenomeno della ricristallizzazione, ovvero la creazione di una nuova microstruttura , e si divide in tre s tadi: a) Il recupero è lo stadio iniziale della ricristallizzazione e si verifica un riarrangiamento dei difetti senza il movimento o la modifica dei bordi grano . Ess enzialmente vi è l’eliminazione dei difetti puntuali (vacanze), il riarrangiamento delle dislocazioni e la formazione di sub -grani . La dimensione dei sub -grani aumenta all’aumentare del tempo. I processi fondati sul recupero permettono di diminuire le tens ioni residue e minimizzare la distorsione reticolare . Alla fine del recupero i grani hanno ancora una quantità di energia elevata che consente l’attivazione della ricristallizzazione. Questa fase, detta anche “recovery” avviene senza una modifica dei bordi di grano. b) La ricristallizzazione non è un meccanismo di rafforzamento, bensì un metodo per ridurre l’incrudimento del materiale metallico ed anche un metodo per “controllare” la dimensione del grano. Questo meccanismo, quindi, non è altro che un mezzo per ottenere la riorganizzazione del grano. La ricristallizzazione è la nucleazione e la crescita di grani indeformati e a bassa densità di dislocazioni a partire da una matrice deformata plasticamente . La nu cleazione avviene in corrispondenza di zone caratterizzate da un’elevata densità di dislocazioni. Se un embrione non raggiunge le dimensioni minime per diventare un nucleo rimane in attesa che ci sia abbastanza energia per poter attirare atomi ed accrescer si. La ricristallizzazione prevede un decremento delle proprietà meccaniche ed un incremento di quelle tensili . Il tempo di cristallizzazione è il tempo necessario per ottenere il 50% di materiale base ricristallizzato. Questo processo ed il conseguente ad dolcimento cancellano gli effetti dell’incrudimento. I fattori principali sono: la temperatura, il tempo ed il grado di incrudimento. c) Un’ulteriore permanenza in temperatura comporta l’ accrescimento del grano e siccome i grani grossi “consumeranno” quelli più piccoli si avrà una struttura con pochi grani grossi. Un accrescimento troppo spinto ha come risultato una superficie rugosa e può essere “trattata” tramite una deformazione plastica ad hoc. Un vantaggio di questa struttura è una maggiore resistenza allo scorrimento e alla rotazione. 3. Descrivere il comportamento meccanico dei polimeri semicristallini al variare della temperatura con l ’ausilio dei graf ici. La temperatura T m detta temperatura di fusione è caratteristica della fase cristallina di un polimero e quindi caratteristica solo dei polimeri che possono cristallizzare . In questo caso si notano due discontinuità: prima è sempre la T g mentre la seconda è la T m. Questa, infatti, è una transizione di tipo termodinamico in cui è richiesto del calore latente per passare da una condizione di ordine (cristallo) a una di disordine (liquido). Esistono della condizioni di cristallizzazione del polimero, due di queste sono necessarie. • Regolarità costituzionale : essa è data dal susseguirsi in modo regolare dei monomeri lungo la catena; • Regolarità co nfigurazionale : essa è già stata descritta in precedenza. In sintesi, solo gli isotattici ed i sindiotattici possono cristallizzare. L’ultima condizione è legata alla velocità di raffreddamento . Se la velocità è troppo alta i segmenti non riescono a muover si per organizzare le lamelle cristalline ed il polimero risulterà amorfo anche se le condizioni sono verificate . %��������������������������� à=��(��−�������) ��(��−�������)×100 ,��� ��=����������� à ����� ��������������������� ,��� ��=����������� à ����������� ,�������=����������� à ����� ������ • Le proprietà meccaniche L’influenza della temperatura è molto importante . La mobilità delle catene varia notevolmente con la temperatura, in particolare in corrispondenza della T g. In molte applicazioni è necessario tenere la deformazione al disotto di un certo limite critico. I materiali metallici e ceramici hanno una variazione di modulo elastico molto limitata a temperatura ambiente, e all’aumentare della temperatura questa vari azione avviene in maniera graduale, senza salti. Ciò non accade per i polimeri, il cui modulo elastico può variare anche di tre ordini di grandezza in un intervallo di temperature molto limitato, spesso in prossimità della stessa T amb . Si possono notare va ri regimi di deformazione in funzione della temperatura: • La zona a comportamento vetroso , al di sotto della temperatura di transizione vetrosa; • La zona di transizione vetrosa , in corrispondenza della T g; • La zona a comportamento gommoso , al di sopra della t emperatura di transizione vetrosa; • La zona a comportamento viscoso , in cui il modulo elastico del materiale crolla fin quasi a zero. Al di sotto della T g le molecole sono ben impaccate ed il risultato è un materiale rigido che se sottoposto ad un carico e successivamente scaricato torna alla sua forma originale . Nel campo gommoso le molecole non sono libere ma formano dei “nodi” . Una volta applicato il carico al polimero in questa condizione le catene scorrono tranne nei punti di entanglement ed i segmenti di catena tra i nodi si allineano. Se si rimuove il carico l’aggrovigliamento delle molecole fa sì che tornino nella configurazione originale: a livello macroscopico si ha il comportamento di una gomma. Il plateau gommoso (lunghezza) è influenzato dal peso molecolare : se cresce questo ultimo , cresce l’intervallo di temperatura in cui è gommoso . La temperatura alla quale il materiale fluidifica aumenta all’aumentare della lunghezza delle catene. Il peso molecolare, infatti, influisce sulla possibilità di formazione e stabilità termica dei punti di reticolazione fisica. A temperature ancora superiori tutti i legami, anche fisici, si rompono, il polimero diventa viscoso ed il suo aspetto macroscopico è liquido. Nel caso dei polimeri reticolati al variare del numero di legami covalenti tra le catene si osserva che il comportamento al di sotto della T g non cambia, il plateau gommoso si allunga, il modulo elastico in questo campo si alza e la zona viscosa sparisce. I legami covalenti tra le catene rendono il materiale più rigido. Inoltre per rompere tali legami è necessaria un’energia dello stesso ordine di grandezza dell’energia di legame che si ha lungo la catena . Ciò implica che al crescere della temperatura non si avrà una fluidificazione del p olimero ma la degradazione. Per i polimeri semicristallini , dato che la parte cristallina è stabile al di sopra di T g, si avrà un aumento della rigidezza . Al crescere della temperatura si avrà ancora lo stato viscoso del polimero, dopo la fusione ella fase cristallina a T m. • I meccanismi di snervamento I polimeri hanno due diversi meccanismi di snervamento : crazing e scorrimento . Il primo è tipico dei materiali fragili e quindi per i polimeri al di sotto di T g. In questo caso si ha la formazione di piccole fessure all’interno della matrice polimerica in cui le superfici delle “cricche” non sono completamente separate ma unite da segmenti di catena polimerica. Il meccanismo per scorrimento avviene a temperature di poco inferiori a T g, in questo caso le catene polimeriche si allineano lungo la direzione di carico e si stirano. In tal caso non si ha la strizione concentrata in una sezione ma la riduzione si distribuisce sull’intero provino. Se si rappresenta la cur va sforzo -deformazione è possibile individuare tre comportamenti diversi che sono fortemente influenzati dalla temperatura. • Comportamento fragile : presenta alte resistenze meccaniche ma bassi allungamenti a rottura e lo snervamento avviene per crazing; • Com portamento tenace : resistenza meccanica più bassa ma l’allungamento a rottura è molto più alto. Questo comportamento è tipico dei polimeri amorfi in prossimità della T g. • Comportamento “gommoso” : esso si presenta tra T g e T m e si hanno bassi carichi di snervamento ed elevato allungamento. Importante è anche capire il comportamento meccanico allo scarico . Nel caso dei polimeri fragili e tenaci si recuperano solo le deformazioni elastiche se si supera lo snervamento. Nel caso dei polimeri allo stato gommoso, invece, si possono avere due comportamenti diversi a seconda del fatto che il polimero amorfo sia reticolato oppure no. Se il polimero si trova allo stato gommoso non reticolato si avrà solo il recuper o delle deformazioni elastiche, se invece la gomma è reticolata allo si avrà un recupero totale della deformazione una volta rimosso il carico. • Le temperature di utilizzo dei polimeri Tutti i polimeri hanno un limite sulla temperatura inferiore di u tilizzo . I polimeri termoplastici amorfi possono essere utilizzati solo in applicazioni non strutturali per T > T g in quanto non mantengono la propria forma sotto l’applicazione di un carico. I termoplastici semicristallini possono essere usati fino a circ a 20°C sotto la temperatura di fusione, mentre il limite di utilizzo nei polimeri termoindurenti è dato dall’instaurarsi di fenomeni di degrado. 4. Descrivere il trattamento di rinvenimento indicandone le peculiarità. Esso viene sempre abbinato alla tempra, in quanto le strutture martensitiche sono poco tenaci. Vengono riscaldati i componenti a circa 600°C e poi si raffreddano in modo arbitrario fino a temperatura ambiente. Questo trattamento riduce la durezza e la frag ilità della martensite dopo la tempra, annulla lo stato di tensione del materiale dato dal brusco raffreddamento e permette la trasformazione dell’eventuale austenite residua. All’aumentare della temperatura di rinvenimento diminuisce la durezza della mart ensite ma aumenta la resilienza: la temperatura migliore è 600°C. Il fenomeno alla base di tutto ciò è la diffusione del carbonio: esso esce dalla cella tetragonale, si riduce la distorsione della cella e con essa anche la durezza della martensite. Si for ma una struttura chiamata sorbite caratterizzata da cementite tondeggiante finemente dispersa nella matrice ferritica. Il fenomeno appena descritto, che prevede il raggiungimento si alte temperature, ha anche una conseguenza vantaggiosa per l’acciaio, ovve ro la riduzione delle tensioni residue, nota (anche in questo caso) come “distensione”. 5. Descrivere brevemente la prova di resilienza e indicare quali informazion i si possono ricavare da essa. Le prove statiche non sono sufficienti a definire completamente le proprietà dei materiali. D’altra parte i materiali sono spesso soggetti ad urti ed è necessario caratterizzare i materiali anche per questo tipo di evenienza. La prova di resilienza (ISO 14 8) consiste nel rompere con un solo colpo una provetta intagliata . La resilienza è data dal valore dell’energia assorbita dalla provetta espressa in Joule . Esistono due provette di Charpy, definite come KU e KV . L’intaglio determina la direzione di propagazione della cricca , per cui le proprietà ricavate a seguito dell’impatto dipenderanno dall’orientamento dell’intaglio. La prova, effettuata tramite macchina a pendolo (o pendolo di Charpy) è molto severa a caus a dell’intaglio. La provetta si colloca nella macchina in modo che il piano di oscillazione della mazza battente coincida con il piano di simmetria della provetta stessa e la provetta, poi, riceve il colpo sulla faccia opposta a quella dell’intaglio. La ma zza battente verrà lasciata libera di cadere da un’altezza (h) ed in corrispondenza del provino vi sarà il massimo dell’energia cinetica . La differenza tra altezza finale e altezza iniziale della prova indica l’energia assorbita durante l’urto. Questa prova ha poco significato come grandezza quantitativa dato che i risultati variano in base alla forma dell’intaglio e/o alle dimensioni della provetta, tuttavia sono utili per dividere (in particolare metalli e acciai) in base al loro diverso comportamento all’urto. Inoltre si può notare che sono possibili due tipi di fratture: a) Frattura tenace : si ha la deformazione del provino ed un continuo aumento delle tensioni nella porzione non ancora rotta, necessario aff inchè la rottura propaghi. Questa frattura corrisponde ad elevati valori di resilienza ; b) Frattura fragile : durante la frattura non si hanno deformazioni apprezzabil i, bensì la separazione dei piani cristallini. Questa frattura corrisponde a bassi valori di resilienza . La frattura fragile può essere transgranulare quando attraversa i grani oppure intergranulare quando li aggira. La temperatura è un parametro che influenza enormemente la resilienza e quindi il comportamento a frattura dei materiali. Al diminuire della temperatura i materiali metallici cubici a corpo centrato passano da una frattura tenace ad una fragile. Il cambiamento è graduale ed è possibile individuare la temperatura minima alla quale un materiale può essere utilizzato restando tenace ( temperatura di transizione ). Al crescere del rapporto larghezza(b)/altezza(a), ovvero al crescere della rigidezza della provetta, la resilienza dappr ima subisce una diminuzione regolare, ma per un certo valore critico alcune provette inizieranno a rompersi in modo fragile . Questa prova ha un elevato tasso di dispersione in quanto possono esserci: a) Variazioni locali nella composizione chimica o microstru tturale del materiale; b) Impossibilità di ottenere intagli perfettamente uguali; c) Errato posizionamento del provino nella macchina. Tuttavia questa prova è semplice, fattibile a varie temperature e permette il confronto tra materiali soggetti a diversi tratta menti e tra materiali diversi. 6. Descrivere brevemente la prova di durezz a e indicare quali informazion i si possono ricavare da essa. In metallurgia la durezza è la resistenza che il materiale oppone alla penetrazione e si misura tramite una macchina che forza un penetratore in un materiale tramite l’applicazione di una forza. Le prove di durezza più diffuse sono le prove statiche in quanto sono semplici, rapide, economiche e ripetibili (non distruttive). Tutte le prove di durezza sono caratterizzate dall’uso di un penetratore: una volta rimosso si otterrà un’impronta che opport unamente misurata fornirà la durezza del materiale . A parità di carico, maggiore sarà l’impronta , minore sarà la durezza . Le prove statiche di uso comune sono la prova Brinell (HB), la prova Vickers (HV), la prova Rockwell (HR) e la prova Knoop (HK). È imp ortante sapere che le impurezze aumentano la durezza, ma diminuisc ono la purezza del materiale . • Prova Brinell (HB) La prova Brinell (ISO 6506) è una delle prove più comunemente impiegate sia a livello industriale che scientifico. Una sfera di alluminio di diametro (D) viene caricata perpendicolarmente mediante un carico (P) e lascia un’impronta con un diametroImpronta (d). La durezza Brinell dipende sia dalle caratteristiche del materiale, sia dalle condizioni sperimentali. ����������������� (������� )= 2× 0,102 × ������ �� (� − √�2− �2)→ ������� ���������������������������� (�� )/������������������������������������ (�)/��������������������� (�) Il risultato può essere messo in relazione con lo sforzo massimo ottenuto tramite la prova di trazione : ������� = �× ������� ,�= �,�� (��� �������� ���������������� ). La prova Brinell è valida se e solo se: �,��� < � < �,�� e ������� ��= �������� . • Prova Vickers (HV) Nella prova Vickers (ISO 6507) il penetratore è di diamante a forma di piramide retta a base quadrata con angolo al vertice pari a 136° . La prova di durezza Vickers è indicata per materiali molto duri ed i valori di durezza sono indipendenti dal carico . Le dimensioni dell’impronta sono micrometriche. ���������������������� (������������ )= ������ �= 0,102 × ������ �2/2 ��� (136 2 ) = 0,1891 × ������ �2 → �������������������������������� :������������ ������������������������������������������������� /��������������������������������� . Essa ha notevoli vantaggi, tra cui: • Esattezza della misura (meglio misurare la diagonale di un’impronta piuttosto che un diametro); • Dimensione ridotta dell’impronta; • Effettuare la misura d ella durezza dei metalli più duri; • Possibilità di sperimentare lamierini e pezzi di piccolo spessore. Tuttavia sono necessarie macchine costose e delicate, oltre alla necessità di preparare con cura le superfici. Fino a 550 unità le scale Brinell e Vickers coincidono. Vi sono delle condizioni da rispettare affinchè la prova sia valida: l o spessore del campione di prova deve essere sufficientemente elevato (almeno 1,5 volte la diagonale media dell’impronta) , in caso di misure ripetute la distanza tra le impr onte deve essere tale che la presenza della prima impronta non influenzi le caratteristiche della seconda (a causa dell’incrudimento ) e per quanto possibile, la misura va effettuata lontano dai bordi del pezzo . • Prova Knoop (HK) La prova Knoop deriva direttamente dalla prova Vickers. Il penetratore Knoop è stato costruito modificando la piramide quadrata in rombica con le tre dimensioni (profondità, larghezza e lunghezza) nel rapporto 1:4:30. Rispetto alla Vickers si misura la sola diagonale maggiore (d). È ideale per rivestimenti e materiali sottili . ��������������� (������� )= 14 ,2× ������ �2,��������� ������ è ������� ����������� �������������� • Prova Rockwell (HR) La prova Rockwell (ISO 6508) prevede l’utilizzo di un cono di diamante avente apertura di 120° per i materiali duri (scale C ed N) ed una sfera levigata in acciaio temprato per materiali dolci (scale B e T). Rispetto ai casi precedenti la durezza viene val utata in relazione alla profondità dell’impronta che il penetratore produce applicando un carico. Sul penetratore è applicato un carico preliminare P 0 (tale carico è pari a 98N per le scale B e C, mentre è 29,4N per le scale N e T) che comporta una penetra zione, la quale, però, non viene misurata. Dopo aver portato a zero l’indicatore di profondità si applica un secondo carico P 1 (da 117,6N per le scale N e T ad un massimo di 1372N per la scala C) che si somma al carico iniziale. Infine si ritorna a P 0 lasc iando il carico P 1. ������������������ (������� )= ������ − ℎ � (������ = 100 ����������� ,130 ������������ ,ℎ= ��� .���� .,�= ��� .���� ������0) Le varie prove Rockwell differiscono per il carico applicato e per la dimensione del penetratore. 7. Descr ivere brevemente gli acciai da bonifica , riportare un esempio e possibili impieghi. Gli acciai da bonifica sono gli acciai speciali da costruzione più utilizzati e si chiamano così perché subiscono il trattamento di bonifica , indispensabile perché essi assumono la massima resistenza meccanica. Tale trattamento li rende adatti a sopportare sforzi, urti e vi brazioni . Tuttavia l’elevato contenuto degli elementi di lega comporta una limitata saldabilità . La normativa di riferimento è la UNI EN 10083 e divide questi acciai in due sottofamiglie: al solo carbonio e debolmente legati. Per aumentare le caratteristiche meccaniche e la temprabilità si può aumentare il quantitativo di carbonio ma , di contro, questo porta ad una diminuzione della resilienza . Perciò per incrementare i due parametri si preferisce aggiungere tenori limitati di elementi come Cr e Ni . E siccome il cromo potrebbe provocare fragilità da rinvenimento (malattia di Krupp , dovuta all’esposizione del Cr a 550 -600°C durante la bonifica ), allora si aggiunge anche Mo . Per componenti di piccole dimensioni è possibile utilizzare acciai al sol o carbonio raffreddati in acqua, mentre per componenti di medio -grandi dimensioni si utilizzano i debolmente legati raffreddati ad olio. Per gli acciai da bonifica il ciclo è il seguente: rigenerazione , lavorazione alle macchine utensili di sgrossatura , bonifica (T r = 600°C) e lavorazione alle macchine utensili di finitura . Alcuni esempi sono: C22, C35, C40 C45 (al solo carbonio), 25CrMo4, 42CrMo4, 39NiCrMo3 e 34CrMo4 (debolmente legati). Questi acciai vengono impiegati per componenti che nec essitano una resistenza meccanica medio -alta : aste, pistoni, bulloneria e viteria. Ciclo tecnologico (Acciai da bonifica) Per realizzare un componente viene scelto innanzitutto un acciaio che abbia tutte le caratteristiche meccaniche e fisiche adeguate. Solitamente si parte da un semilavorato, ovvero un pezzo di acciaio con una forma definita: la tipologia più nota è chiamata “ barra ”. Il prodotto venduto dall’acciaieria è un pezzo grezzo di laminazione (Ferrite + Perlite) e quindi non tr attato. Per gli acciai da bonifica il ciclo è il seguente . Rigenerazione (Normalizzazione + Ricottura di lavorabilità) Alla fine di questo trattamento si ha una struttura più omogenea e lavorabile . Lavorazione alle macchine utensili di sgrossatura Tramite questa operazione viene data una forma approssimativa al pezzo. Bonifica (Tempra + Rinvenimento, con T R=600°C) Il risultato di questo trattamento è un pezzo leggermente deformato ed anche ossidato , per via delle alte temperature, super ficialmente . Lavorazione alle macchine utensili di finitura Questa operazione permette di definire dimensioni e superficie del pezzo. 8. Descr ivere brevemente gli acciai da molle , riportare un esempio e possibili impieghi. Questi acciai vengono prodotti solo per essere utilizzati in un solo componente : le molle . Per tali acciai esistono due normative: EN10132 e la EN10089. Questi acciai hanno un elevato carico di snervamento ed un rapporto σ SN / σ MAX compreso tra 0,85 e 0,90 . Naturalmente, la regola utilizzata solitamente ( �������� = 0,7∙������������������� ) non è valida per q uesti acciai. Per ottenere questi risultati si utilizzano leghe con carbonio tra lo 0,5 e l’1% e /o acciai debolmente legati con un tenore di silicio intorno all’1,5 -2,0 % . Anche in questo caso esistono due sottofamiglie: gli acciai al solo carbonio , detti armonici, e quelli debolmente legati . Gli acciai al solo carbonio hanno un fattore negativo, ovvero una bassa resilienza (vista la percentuale di carbonio presente). Il cic lo degli acciai per molle è: rigenerazione (spesso non viene effettuata visto che le operazioni meccaniche sono limitate ), lavorazione alle macchine utensili di sgrossatura (non sempre) , bonifica (ovvero tempra + rinvenimento a Tr = 450°C per avere il massimo rapporto σ SN / σ MAX ), lavorazione alle macchine utensili di finitura (non sempre) e pallinatura . La pallinatura consiste nell’incrudire la superficie attraverso deformazioni plastiche dovute d al “bombardamento” con palline di metallo. Questo trattamento diminuisce la rugosità, aumenta no la vita a fatica e d anche le tensioni residue di compressione : quest’ultima caratteristica è positiva ed aumenta il campo di lavoro della molla. In questi acciai non è necessario riportare la presenza di Molibdeno in quanto la temperatura di rinvenimento è troppo bassa perché vi sia fragilità di rinvenimento (malattia di Krupp) . Seguono alcuni esempi di acciai per molle normati . Al solo carbonio C60, C65, …, C100 Debolmente legati 49Si7, 56Si7, 61Si7, 60SiCrV7, 50CrV4 (senza Silicio, acciai per molle moderni) 9. Descr ivere brevemente gli acciai da autotemprante , riportare un esempio e possibili impieghi. Gli acciai au totempranti hanno la caratteristica di avere in lega C, Cr, Ni in un tenore compreso tra 5 e 7% e l’unico acciaio normato è il 36NiCrMo16 . La sua caratteristica è quella di formare una struttura martensitica con semplice raffreddamento in aria . Inoltre questo raffreddamento genera bassissime tensioni residue . Quindi l’elevata temp rabilità e le basse tensioni residue evitano fratture da trattamento termico. La temperatura di rinvenimento , rispetto agli acciai da bonifica, è molto minore . In questo gruppo di acciai si vogli ono limitare le tensioni residue del trattamento termico ma allo stesso tempo mantenere alta la resistenza meccanica e la tenacità . Una caratteristica degli autotempranti è che , a differenza di un comune acciaio da bonifica, mantengono le caratteristiche mecc aniche in tutta la sezione . Questi acciai non vengono utilizzati per tutti i componenti in quanto si ha un alto contenuto di Nichel , ovvero un costo molto elevato . Ciclo tecnologico (Acciai autotempranti) Ri cottura completa Il trattamento iniziale viene fatto per conferire al materiale la necessaria lavorabilità alle macchine utensili, generando una struttura perlitico -ferritica lavorabile . Solitamente il trattamento iniziale è una rigenerazione ma in questo caso si avrebbe la formazione di una struttura martensitica , in quanto le curve CCT sono spostate così a destra da rendere temprabili questi acciai al solo raffreddamento in aria. Per maggiore lavorabilità serve un raffreddamento più lento. Tuttavia è necessario inserire un limite massimo, pari al 7%, per gli elementi presenti in lega : questo accorgimento serve per evitare di avere una struttura martensitica anche tramite una ricottura completa. Lavorazione alle macchine utensili di sgrossatura Tramite questa operazione viene data una forma approssimativa al pezzo. Bonifica (Tempra in aria + Rinvenimento, con T R=200°C) A differenza del ciclo tecnologico degli acciai da bonifica è possibile effettuare il rinvenimento anche a 200°C perché, avendo temprato in ari a, ci sono basse tensioni residue ed è sufficiente una distensione . Inoltre grazie alla presenza di Nichel , che ha un effetto “tenacizzante” , si ha anche un ’alta resilienza . Lavorazione alle macchine utensili di finitura Questa operazione permette di definire dimensioni e superficie del pezzo. 10. Descr ivere brevemente gli acciai da cementazione , riportare un esempio e possibili impieghi. Gli acciai da cementazione vengono utilizzati per componenti soggetti ad usura (sfregamento), come ingranaggi e ruote dent ate, ed anche in questo caso possono essere suddivisi in due sottofamiglie : al solo carbonio (C10, C15, C15 per piccoli pezzi temprati in acqua) o debolmente legati (18CrMo4, 18NiCr5 -4, 17NiCrMo6 -4 per pezzi più grandi e temprati ad olio). Il tenore di carbonio è inferiore allo 0,2% , questo perché la lega “subisce” la cementazione , ovvero un indurimento della superficie effettuato tramite immersione in ambiente ricco di carbonio (tramite combustione di metano o similare) . La cementazione viene fatt a al di sopra dei punti critici e mantenendo la temperatura per 2 - 5 ore . Successivamente viene effettuato un trattamento di bonifica con T r = 150°C . Il raffreddamento rapido, o tempra, permette di intrappolare il carbonio all’interno del reticolo CFC . Il risultato finale sarà un pezzo con differente composizione chimica tra cuore e superficie . Lo spessore esterno può variare tra 1 e 2mm , il tenore di carbonio in superficie è pari a llo 0,8% e la durezza superficiale può raggiungere i 900 HV . Il meccanismo di indurimento è basato sulla formazione di Martensite dopo la tempra. Il ciclo de gli acciai da cementazione è: rigenerazione , lavorazione alle macchine utensili di sgrossatura , cementazione (per 2 -5 ore) + bonifica (T r = 150°C) e lavorazione alle macchine utensili di finitura . La temperatura di rinvenimento è molto bassa ma questa scelta dipende dal fatto che a 600°C si avrebbe diffusione di carbonio ed una eccessiva durezza superficiale : anche in questo caso non occorre riportare la presenza di Molibdeno. Lo scopo del rinvenimento è quello di ridurre le tensioni interne prodotte dalla tempra. 11. Descr ivere brevemente gli acciai da nitrurazione , riportare un esempio e possibili impieghi. Essi vengono utilizzati per realizzare componenti soggetti ad usura . In questo caso sono tutti debolmente legati ed il principale acciaio da nitrurazione è il 41CrAlMo7 -10 . Questa tipologia di acciai subisc e un trattamento termo - chimico di indurimento superficiale : esso consiste nell’ indurire la superficie tramite l’arricchimento di azoto che si diffonde nel reticolo e che , se sono presenti elementi come (Cr, Al e V) , possono formare dei precipitati che induriscono la zona di diffusione . La nitrurazione viene svolta alla fine del ciclo tecnologico e avviene al disotto dei punti critici (520 -540°C) in un’atmosfera ricca di azoto , ma essendo gli spazi interstiziali stretti, il tempo di nitrurazione varia da 12 a 96 ore . Lo spessore indurito può variare da 0,1 a 0,2 mm e ha una durezza superficiale di 1200 HV . Il trattamento è eseguito a basse temperature per evitare tensioni termiche, non si ha ossidazione (ambiente privo di ossigeno) e la zona indurita è limitata. Infine il materiale apparirà di colore bianco e quindi anche di bell’aspett o. Il ciclo degli acciai da nitrurazione è: rigenerazione, lavorazi one alle macchine utensili di sgrossatura, bonifica (con Tr = 600°C), lavorazione alle macchine utensili di finitura e nitrurazione . A livello pratico, gli acciai con l’ alluminio sono quasi sempre acciai da nitrurazione in quanto è un elemento con una elev ata tendenza a formare nitruri . L’acciaio più utilizzato per la nitrurazione è un acciaio da bonifica, ovvero il 42CrMo4 . Questo è possibile in quanto gli acciai da bonifica e quelli da nitrurazione hanno lo stesso ciclo tecnologico . È molto importante che la nitrurazione avvenga al di sotto delle temperature critiche, altrimenti si ha la formazione di una fase Fe -N troppo fragile chiamata Braunite . Nitrurazione vs. Cementazione Cementazione vs. Nitrurazione • Durezza superficiale più elevata (1200 HV invece di 700 HV) e resistenza termica più elevata (700°C contro 200°C); • La nitrurazione viene svolta alla fine e non genera deformazioni da lavorare mentre la cementazione sì; • Sono evitati pericoli di surriscaldam ento. • Strato indurito molto più spesso; • Ciclo di lavorazione meno lungo e meno costoso; • Non bisogna usare per forza acciai legati (più costosi); • Non vi è un peggioramento notevole della tenacità lungo il mantenimento a 500°C come nel caso della nitrurazion e.