compendio di metallurgia

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Universit di Cassino Facolt di Ingegneria Compendio di Metallurgia Francesco Iacoviello Indice Capitolo 1: Metallurgia di elaborazione1 1.Siderurgia1 Capitolo 2: Struttura cristallina dei metalli e delle leghe13 1.Legami interatomici14 2.Cristallografia geometrica 15 3.Strutture cristalline principali dei metalli puri e delle leghe17 4.Difetti cristallini20 Capitolo 3: Deformazione plastica22 1.Resistenza teorica dei metalli22 2.Movimento delle dislocazioni23 3.Cambiamento del piano di scorrimento24 4.Sistemi di scorrimento25 5.Relazione fra movimento delle dislocazioni e deformazione plastica26 6.Altra modalit di deformazione: geminazione27 7.Meccanismi di indurimento28 Capitolo 4: Diffusione30 1.Aspetto macroscopico della diffusione30 2.Aspetto microscopico della diffusione32 Capitolo 5: Metodi di prove meccaniche34 1.Prova di trazione34 2.Prova di durezza40 3.Principi di meccanica della frattura45 4.Determinazione sperimentale di KIC47 5.Prove di fatica48 6.Prova di resilienza 51 7.Prove di scorrimento viscoso (creep)54 Capitolo 6: Diagrammi di equilibrio 57 1.Diagramma schematico57 2.Regole di interpretazione e di lettura dei diagrammi di fase58 3.Diagramma di fase di leghe reali65 4.Determinazione sperimentale di un diagramma di fase mediante lanalisi termica semplice 66 5.Fenomeni di segregazione68 6.Solidificazione alla scala del lingotto71 Capitolo 7: Acciai e ghise72 1.Le propriet del ferro72 2.Il sistema binario Fe-C74 3.Acciai e ghise non legati: classificazione rispetto ai diagrammidi equilibrio75 4.Acciai non legati76 5.Ghise non legate82 6.Acciai legati: definizione e designazione convenzionale93 7.Ghise legate96 8.Acciai per getti97 Capitolo 8: Trattamenti termici98 1.Ricottura degli acciai98 2.Laustenitizzazione 102 3.Trattamenti isotermici103 4.Trattamenti termici isotermici industriali degli acciai108 5.Trasformazioni anisotermiche109 6.Dilatometria assoluta111 7.Temprabilit111 8.Rinvenimento degli acciai 114 9.Saldatura degli acciai118 10. Trattamenti termici delle ghise120 11. Trattamenti superficiali123 Capitolo 9: Corrosione dei materiali metallici129 1.Termodinamica elettrochimica129 2.Cinetica elettrochimica. Velocit di corrosione135 3.Protezione contro la corrosione141 4.Prove di corrosione145 5.Corrosione localizzata146 Capitolo 10: Categorie e classi degli acciai151 1.Acciai da costruzione di uso generale151 2.Acciai speciali da costruzione151 3.Acciai per utensili154 4.Acciai per usi particolari 157 Capitolo 11: Acciai inossidabili159 1.Acciai inossidabili martensitici161 2.Acciai inossidabili ferritici161 3.Acciai inossidabili austenitici162 4.Acciai inossidabili indurenti per precipitazione162 5.La saldatura degli acciai inossidabili163 6.Corrosione degli acciai inossidabili165 Capitolo 12: Leghe non ferrose167 1. Lalluminio e le sue leghe. 167 Capitolo 1 Metallurgia di elaborazione Compendio di Metallurgia 1 Capitolo 1 Metallurgia di elaborazione 1. Siderurgia La siderurgia il settore industriale che si occupa della metallurgia di elaborazione dellelegheferroseedellaloromessainforma.Essahalobiettivodiforniredei semilavoratiaidiversisettori industriali di utilizzazione. La tecnologia siderurgica inperpetuaevoluzioneedintegracostantementelepossibiliteleesigenze congiunturali.Lesuepreoccupazioniprincipalisonoleeconomiedienergia, lincrementodiproduttivit,lautomatizzazioneedlinformatizzazionedeiprocessi produttivi. 1.1. Le Materie prime Le materie prime che vengono utilizzate nella produzione delle leghe ferrose sono le seguenti: Minerali di ferro: Il ferro si trova essenzialmente combinato sotto forma di ossidi:ossido ferrico Fe2O3 oppure ossido magnetico Fe3O4 (magnetite). Il ferro sar dunque ottenuto mediante riduzione.L'abbondanzadellagangadeterminalaricchezzadelminerale,conuntenoredi ferro che pu variare dal 30% al 60%. Essa formata da silico-alluminati di calcio e magnesioedifosfatodicalcio.Lacomposizionedellagangavariainfunzionedella provenienza del materiale. Le risorse in minerale di ferro sono praticamente illimitate (5% di Fe sulla crosta terrestre). Rottamidiferro:Provengonodagliscartidelleindustrieditrasformazione, dall'industriasiderurgicaedallaraccoltadibenidiequipaggiamentoedalconsumo fuoridiutilizzazione.Contrariamentealminerale,lalorodisponibilitlegata direttamente alla attivit industriale. Cokemetallurgico:Alletemperatureattenuteinunaltoforno,ilcarboniopu ridurre gli ossidi di ferro, di manganese, di silicio e di fosforo, mentre Al2O3, MgO e CaOnonsonoridotti.Ilcarboniointrodottonellacaricasottoformadicoke metallurgicochedeveavereunaporositedunaresistenzaalloschiacciamento sufficiente. E' parzialmente rimpiazzato da iniezioni di nafta o di gas naturale ed anche da iniezioni di carbone polverulento. Fondenti:Permettonodieliminarelagangasottoformadiloppafusibile.Sono calcareiselagangasiliciosa(oppurealluminosa)eviceversa.Certemescoledi minerale sono autofondenti e non necessitano di alcuna addizione. Ossigeno: Lo sviluppo attuale delle procedure di elaborazione dell'acciaio mediante ossigeno necessitano di una produzione massiva di questo gas in centrali ad ossigeno medianterettificazionediarialiquida.L'ossigenoprodottoadunapressionedi40 bar ed alimenta l'acciaieria a 15 bar. 1.2. Preparazione delle cariche. Iprincipaliprogressirealizzatineglialtifornimodernihannoriguardatoil miglioramentodellaloroproduttivit,lariproducibilitdellacomposizionechimica del metallo prodotto, la riduzione della quantit di coke. Questi miglioramenti spesso considerevoli sono stati ottenuti grazie ad una preparazione accurata delle cariche. Le materie prime della carica devono : Metallurgia di elaborazione Capitolo 1 Compendio di Metallurgia 2rispondere ad una precisa analisi chimica del letto di fusione ; presentareunagranulometriacompatibileconunbuonscorrimentoneltino dell'altoforno ; presentaredellecaratteristichefisico-chimichebendeterminate:riducibilit, resistenza agli shock termici, resistenza allo schiacciamento. Si arriva a questo risultato mediante: a) una preparazione meccanica deiminerali:aseguitodi frantumazioneedisetacciatura siottienedalmaterialediprima estrazione(0-200mm)il materialecalibrato(8-25mm) alimentantedirettamente l'altofornoedelmaterialefine utilizzato per l'agglomerazione. b)unaomogenizzazione:per fornire una miscela costante a partire da minerali di differente origini ;c)una agglomerazione dei materiali fini omogeneizzati e mescolati con polvere di cokeedicastina.Questaoperazionesifasuunacatenadiagglomerazione:la mescolaportataa1200Cinsuperficie,quindisinterizzataperaspirazioned'aria dopo accensione (figura 1).Vengono cos ottenuti dei pezzi di 250 mm che vengono frantumati e vagliati fino a 20, 12 e 5 mm. L'agglomerato costituisce spesso il 75% e pi dei prodotti ferrosi della carica.Siarrivaaddiritturaasostituireilmineralecrudoconunmineraleartificiale rispondente alle specificazioni desiderate. 1.3. Le operazioni siderurgiche Laproduzionedell'acciaio mette in opera diverse filiere secondo le materie prime utilizzateedilprocessoimpiegato(figura2).Inognicasosipossonometterein evidenza tre operazioni fondamentali : Elaborazione: serie di processi metallurgici in cui l'ultimo almeno ha luogo in fase liquida ed destinato ad ottenere la composizione chimica desiderata. Colata: passaggio dallo stato liquido a quello solido. Messa in forma: considerato a parte il caso della produzione di getti , ottenuta per laminazione che una deformazione plastica a caldo o a freddo che conduce a dei prodotti piatti (lamiere) o lunghi (profilati, barre, etc.) Lo schema seguente riassume la sequenza delle operazioni per le filiere classiche di elaborazioneapartiredalmineraleodairottami.Nonstatainclusalafilierache metteingiocolariduzionedirettadelmineralechenonarrivataallostadio industrialeneipaesioccidentali,doveilpassaggioperl'altofornosicuramentela filierapiimportante.Tuttavia,lariduzioneindirettapotrnelfuturointeressare alcuni paesi in via di sviluppo, nel caso in cui siano ricchi del gas naturale necessario a fornire il mezzo riduttore delle sferette di minerale nel forno a tino. 1.4. Elaborazione della ghisa. 1.4.1. Generalit sull'altoforno. La generica reazione di dissociazione dellossido la seguente: Perognitemperaturaesistesolounapressioneincorrispondenzadellaquale lossido ed il metallo possono coesistere. Tale pressione definibile come tensione di Figura 1: Impianto di agglomerazione pQ O Me MeO + + 2 2Capitolo 1 Metallurgia di elaborazione Compendio di Metallurgia 3dissociazionedellossido. Al crescere della temperatura, la tensione di dissociazione crescefinoaraggiungerelapressioneatmosferica.Ataletemperaturasihala decomposizionedellossido.Solopochissimiossidipossonoesseredecompostisolo medianteriscaldamento(temperaturadiinversionetroppoelevata).Unadiminuzione della temperatura di inversione pu essere ottenuta praticando il vuoto oppure, opzione pi frequente, utilizzando agenti riduttori. Entrambi i metodi spostano verso destra la reazione di dissociazione grazie al principio di Le Chatelier.L'altoforno un reattore a letto consumabile controcorrente. Le reazioni principali che si svolgono sono (figure 3-5): Le reazioni di riduzione degli ossidi. Le reazioni di scambio fra il metallo e la loppa 1.4.2Gli scambi chimici nell'altoforno. Laltoforno un forno soffiato a tino, nel quale la carica (minerale, coke, fondenti edaggiunte),effettuatadallalto,incontraincontrocorrentedellariacalda(vento), necessariaperlacombustionedelcoke.Sidistinguonodiverseparti(figura5).La ghisa e la loppa si raccolgono nel crogiolo, posto alla base dellaltoforno. La riduzione dei minerali di ferro avviene nellaltoforno ad opera del C e del CO. SI considerino i seguenti equilibri di riduzione: 22 4 32 4 3 3 232 3CO Fe CO FeOCO FeO CO O FeCO O Fe CO O Fe+ ++ ++ + Metallurgia di elaborazione Capitolo 1 Compendio di Metallurgia 4 Figura 2: Processi di elaborazione e di messa in forma dellacciaio. Capitolo 1 Metallurgia di elaborazione Com

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