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 Compendio di Metallurgia 5 Figura3:Schemadifunzionamento dellaltoforno. Figura4:Schemadellereazioni chimiche nellaltoforno. Figura 5: Schema di impianto dellaltoforno Laprimareazionecompletamentespostataversodestraanchepertenorimolto bassidiCO.DifferenteildiscorsoperquellocheriguardaglialtriossididelFe. Considerando il diagramma di figura 6, si devono considerare due zone:Metallurgia di elaborazione Capitolo 1 Compendio di Metallurgia 6Pertemperaturepibasse (figura6,zonaa),in corrispondenzadellaparte pialtadellaltoforno,siha lariduzionedegliossidiad operadelCO(riduzione indiretta),conunleggero sviluppodicalore,secondo le reazioni: C CO COCO Fe CO FeOCO FeO CO O Fe+ + ++ +222 4 323Talireazionicomportanola deposizionedicarbonio (carboniopiroforico),che favoriscelasuccessiva riduzione del minerale. Pertemperaturepielevate (figura6,zonab),in corrispondenzadellaparte pibassadellaltoforno,si halariduzionediretta dellossidodiferroFeOda parte del C, con assorbimento di calore: CO Fe C FeO + + 1.5.3. Ruolo della loppa. Composizione della ghisa. Formato a partire dei costituenti della ganga, del fondente e della cenere di coke, la loppa unsilicato complesso di alluminio, di calcio e di magnesio, e contiene inoltre degli ossidi di manganese e di ferro in piccola quantit ed anche del solfuro di calcio. La loppa frequentemente caratterizzata dal suo indice di basicit, pari al rapporto fra la quantit di CaO e la quantit di SiO2. La loppa ha un duplice ruolo:- permettere l'eliminazione della ganga grazie alle sue convenienti caratteristiche di fusibilit e di fluidit; -permetteredellereazionidiscambioconilmetalloliquidoagendosullasua composizione chimica. Esempio: Desolforazione della ghisa nell'altoforno Lozolfointrodottoessenzialmentedalcoke,edarrivatotalmenteallasaccaove forma FeS, molto solubile nel metallo. Si deve eliminare il pi possibile lo zolfo della ghisa facendolo passare nella loppa.Un equilibrio di scambio si stabilisce fra la ghisa e la loppa: FeS [ ] FeS ( ) Taleequilibriodeveesserespostatoilpipossibileversodestra,peresempio mediante della calce nella loppa1 : 1 Con la notazione [...] si intende lelemento sciolto nella ghisa, mentre con la notazione (...) si intende lelemento sciolto nella loppa. Figura 6: Curva di Boudouard e curve di equilibrio degli ossidi di ferro Capitolo 1 Metallurgia di elaborazione Compendio di Metallurgia 7FeS ( ) + CaO ( ) CaS ( ) + FeO ( ) Il solfuro di calcio insolubile nel metallo el'ossido di ferro ridotto dal carbonio. Si pu quindi scrivere la reazione di desolforazione nell'altofornoFeS [ ] + CaO ( ) + C Fe + CaS ( ) + CO La composizione della ghisa dipende dalla composizione del letto di fusione e dalla temperatura della sacca.Lo zolfo eliminato al 95%. Per quanto riguarda gli altri elementi, si hanno diversi comportamenti. Il fosforo passa interamente nella ghisa.Il manganese si suddivide in modo praticamente identico fra la loppa e la ghisa. IlsilicioprovienedallariduzionedellaSiO2, ed difficilmente riducibile (circa il 5%). Il MgO, CaO, Al2O3 non sono riducibili. Ilcarbonio(sottoformadiFe3C)introdottodallacombinazionedirettaodalla riduzione indiretta degli ossidi. La tabella seguente mostra la marcia di un altoforno della SOLMER alimentato con minerale ricco (V = 2175 m3,h = 30 m , D crogiolo = 10 m). Letto di fusione: Agglomerato:1260 kg/t di ghisa Minerale calibrato:400 kg/t di ghisa Additivi (fondente):40 kg/t di ghisa Loppa :300 kg/t di ghisa Combustibile : Coke :405 kg/t di ghisa Nafta : 80 kg/t di ghisa Vento :1250C a 0.4 MPa (4 bar) Compressioneallaboccasuperiore dell'altoforno : 0.15 MPa(1.5 bar) Produzione :4300 t/giorno 1.6 Elaborazione dellacciaio L'elaborazione dellacciaio si effettua: - a partire della ghisa liquida (ghisa di affinazione): convertitore ad ossigeno - a partire da rottami mediante rifusione al forno elettrico. Alfine di costituire un deposito tampone fra gli altoforni e l'acciaieria, dato che i ritmi di colata sono molto diversi, si pu utilizzare sia un mescolatore, sia un numero sufficientedicarri-siluro.Ilmescolatoreomogenizzalacomposizionedellaghisa provenientedadifferenticolateeconduceadunacertadesolforazionedellaghisa. Questa desolforazione si ottiene dallo spostamento dell'equilibrio: FeS [ ] + Mn [ ] Fe [ ] + MnS ( ) Ilsolfurodimanganesesieliminasiapercombustionecheperlamessain soluzione nella soluzione. Ladesolforazionepuesseremiglioratamediantelatecnicadellametallurgia in siviera: introduzione del carbonato di sodio, di calce viva (CaO) con mescolamento, o pi recentemente di magnesio. Latrasformazione della ghisa liquida in acciaio comporta la diminuzione di quasi tutti gli elementi, come si pu vedere nella tabella seguente: Metallurgia di elaborazione Capitolo 1 Compendio di Metallurgia 8%C%Si%Mn%P%S Ghise3-40.5-2.51-20.1-20.05 Acciai0.05-1.50-0.50.3 - 1.5< 0.05< 0.05 Modi di eliminazioni dei diversi elementi: Carbonio:sieliminaallostatodiCO2 e, soprattutto di CO; l'eliminazione di questo gas semplice. Silicio: la sua ossidazione comporta la formazione di biossido di silicio SiO2: questoossidoacidosicombinacongliossidibasicipresentiMnO,FeOed, eventualmente, CaO e forma una scoria liquida che si porta sulla superficie del bagno. Manganese:lasuaossidazioneportaallaformazionedell'ossidobasicoMnO che si combina con SiO2. Fosforo:ilsuoossidoP2O5 riducibile dal carbonio alle temperature elevate. Tuttaviailfosfatodicalciomenoriducibiledalcarbonio.InpresenzadiCaO, ammettendo che FeO sia il vettore dell'ossigeno, la reazione si scriver: 2 P + 5FeO + 3 CaO PO4( )2Ca3+ 5 Fe Ilfosfatodicalciosieliminanellascoria.Quindiunadefosforazionespintaesige un mezzo fortemente ossidante e decisamente basico. Zolfo:datochel'ossidazionedeisolfuriMnoFeSfortementeendotermica, essapocoprobabilealleelevatetemperaturediconversione.L'eliminazionedello zolfo avr luogo secondo: FeS [ ] + CaO ( ) FeO [ ] + CaS ( ) H > 0Questa reazione sar favorita da un mezzo fortemente riduttore (eliminazione di FeO) efortementebasico.Unaelevazionedella temperaturalaagevolerugualmentee fluidificherlascoria.Inqueste condizionisihal'interesseadintrodurre unaghisaconuntenoreinzolfoilpi basso possibile. L'elaborazionecomprendeingenerale due fasi distinte: fasediossidazione:eliminazione delC,Si,MnedelP,conl'azione simultanea del CaO per quest'ultimo; fasediriduzione:lafase precedenteconduceadunmetallomolto ossidato (ricco in FeO) che si deve ridurre. InpresenzadiCaOsiavr contemporaneamente la desolforazione. 1.6.1. Lacciaieria ad ossigeno. Questoprocedimento,attualmenteil pidiffuso,basatosullainsufflazionedell'ossigenopuroinunbagnodighisa liquida. Si pu quindi trasformare questa in acciaio liquido, assicurando l'eliminazione contemporanea di C, Si, Mn, P e S, e l'aumento di temperatura necessario per passare daghisaliquida(inmedia1250C)adacciaioliquido(1600Cinmedia).La regolazionedellatemperaturafinalesieffettuamedianteintroduzionedirottamida rifondere. Figura 7: Convertitore ad ossigeno Capitolo 1 Metallurgia di elaborazione Compendio di Metallurgia 9Gliapparecchi(convertitori) arrivano a 8 m di diametro e 10 m di altezza (figura 7). Essi sono in generale immobili durante l'insufflazione ed i diversi procedimenti si distinguono in base al modo di insufflare l'ossigeno: Insufflazionemediantedegliugellirefrattariposizionatisulfondodel convertitore: procedure OBM e LWS. Insufflazione attraverso il becco del convertitore mediante una lancia metallica raffreddataadacqua:processoLD(Linz-Donawitz)edOLP(Ossigeno-Lancia-Polvere), nel quale la polvere di calce introdotta simultaneamente per trattare delle ghise molto fosforose. Nota:unmiglioramentodeiprocessiconsistenelrimescolareilbagnomediante insufflazione di gas (CO2, O2, Ar, N2) dal fondo. Il processo LD adatto al trattamento di ghise poco fosforose o ematiti, il processo OLP adatto al trattamento di ghise fosforose. Processo LD. La carica costituita da ghisa liquida, da rottami e della CaO necessaria. L'insufflazionediossigeno,durantelaqualeilsiliciosieliminaperprimo,dura circa 15 minuti. La decarburazione, la defosforazione ed una parte della desolforazione avvengonoinseguito,conilrestodellacalcechevieneaggiuntaprogressivamente durante l'insufflazione. Il fabbisogno di ossigeno compreso fra 500 e 1000 m3 min-1. Dopo l'arresto dell'insufflazione, l'analisi di un campione permette di scegliere gli additividaaggiungereinmododaottenereunacomposizionechimicadeterminata. Questeaggiuntehannoluogonelconvertitoreoppurenellasivieradurantelacolata. Oltreall'aggiustamentodellacomposizionequesteaggiuntehannocomeobiettivo quello di disossidare il bagno, ricco in FeO. Ineffetti,lapresenzadiFeOcomportalaproduzionediunprodottochenon possibile forgiare e la liberazione di un quantit notevole di CO (riduzione di FeO da parte di C): acciai effervescenti. Il disossidamento del bagno effettuato essenzialmente dal manganese, introdotto soprattutto sotto forma di ferro-manganese, secondo la: FeO + Mn Fe + MnO L'ossidodimanganeseinsolubilenell'acciaio,l'ossigenononeliminatodal bagno, ma sotto forma di inclusioni di MnO, molto meno nocive del FeO. L'utilizzazione del ferro-silicio o l'aggiunta di alluminio durante la colata permette di ottenere gli acciai calmati. In particolare, l'aggiunta di Al rimpiazza MnO mediante l'Al2O3 perfettamente non riducibile dal carbonio: non si ha quindi alcuna liberazione di CO durante il raffreddamento. Processo OLP. Permettediaffinaredelleghisecontenentifinoal2%difosforo,mediante insufflazionedicalcemescolatoadossigeno.L'operazioneconsisteinunaprima insufflazione,seguitodaunascorificazione(eliminazionedellascoria),quindiuna secondainsufflazionepercompletareladefosforazioneeladesolforazione.L'analisi del bagno seguita dalla aggiunta finale e dalla colata. La durata della colata varia da 40 a 60 minuti. Processo OBM e LWS. Utilizzalastessatecnicadell'anticoprocessoThomas.Siinsuffladell'ossigeno puroattraversodegliugellipostisulfondodelconvertitore.Alfinedievitareil deterioramentodelfondo,siiniettaallostessotempounidrocarburolacui piroscissioneendotermicaprovocaunraffreddamentosufficiente (fluido moderatore) allauscitadegliugelli,cheproteggeilfondodaunaforteelevazionedella temperatura. Metallurgia di elaborazione Capitolo 1 Compendio di Metallurgia 10I processi ad ossigeno permettono di elaborare le pi varie composizioni non legate opocolegate.HannoundeboletenoreinPeSe,soprattutto,inazoto(migliore duttilit e resistenza all'invecchiamento). 1.6.2. Lacciaieria elettrica. La filiera della rifusione dei rottami utilizza un forno a suola refrattaria, sulla quale sonopostiimaterialidarifondere.L'energiatermicafornitadallaproduzionedi archi elettrici fra tre elettrodi e la carica. Riservato alla elaborazione di acciai speciali, ilprocessoelettricoassicuraattualmenteunaparteimportantedeltonnellaggiodegli acciaicorrenti.InquestocampohacompletamenterimpiazzatoilfornoMartin.Il processo elettrico il pi utilizzato, ed caratterizzato da: una elevata temperatura del bagno (1800C), facilmente regolabile, che facilita la fusione delle loppe fortemente refrattarie e la riduzione degli ossidi; ilnoninterventodell'atmosferadelfornocheneutra.Lereazionihanno unicamenteluogofrailbagnoeleaggiunte,grazieallequalisipurealizzareun mezzoossidanteoriduttore.Sipuinoltrerealizzarelafusionedeglielementi ossidabili, come il Cr, senza perdite per formazione di ossidi. Lafigura8mostral'installazioneutilizzata.Iforni,caratterizzatidaunacapacit variabile fra 5 e 250 tonnellate, sono alimentati con delle tensioni comprese fra 100 e 200V, con una intensit di corrente che pu arrivare a 50000 A per elettrodo. La suola e le pareti sono ricoperti di dolomite (basica), e vengono periodicamente riparate.L'utilizzazione delle pareti raffreddate ad acqua permette, fra l'altro, di aumentare la durata dei rivestimenti e di ridurre il consumo degli elettrodi. La marcia comprende tre stadi: a)Fusione : dopo il caricamento, la fusione ha inizio e dura qualche ora. Durante questostadio,siaggiungelacalcechesarnecessariaallaformazionedellaloppadi defosforazione. Alla fine della fusione si introduce del minerale di ferro. b)Ossidazione e scorificazione:l'ossido di ferro serve da vettore di ossigeno per eliminare il Si, il Mn, il C. La defosforazione pu essere fortemente spinta. Alla fine dell'operazioneilferroiniziaadossidarsi.L'alimentazionedelfornosiarrestaesi procede alla scorificazione. c)Riduzioniedaggiunte:ricominciatal'alimentazione,siformaunaloppa disossidanteedesolforantemedianteaggiuntadiferro-silicio,dicalceedispato fluoro.Sipossonootteneredelleloppecarburate(carburodicalcio)fortemente riducenti.Alfornoelettricosonofortementespintesialadesolforazionechela disossidazione(lozolfopuarrivareallo0.008%el'ossigenoallo0.003%).Le aggiunte finali sono effettuate prima della colata2. 2Ilfornoelettricopermettel'elaborazionesottovuoto(fornoadinduzionesottovuoto,fornoad elettrodi consumabili in acciaio). Si ottengono degli acciai con tenori minimi di N2, O2, H2 e delle propriet fortemente spinte (bassa densit di inclusioni). Questi acciai di qualit molto elevata sono caratterizzatidaunmigliorelimitediresistenza,unvaloreelevatodellaresilienzaedunatenuta allo scorrimento viscoso migliorata. Il loro costo evidentemente pi elevato rispetto a quello degli acciai elaborati in modo classico. Capitolo 1 Metallurgia di elaborazione Compendio di Metallurgia 11

Figura 8: Forno elettrico ad arco 1.7. Colata dellacciaio. Conl'eccezionedegliacciaipergetti,lacolatadell'acciaioliquidosieffettua secondo due tecniche differenti. Colata in lingottiera, che resta la tecnica preponderante nei paesi a tecnologia siderurgica poco sviluppata ( U.S.A., paesi ex-U.R.S.S.). Colatacontinua,chedivenutapreponderanteneipaesiatecnologia siderurgica sviluppata ( Giappone, Germania, Italia ). 1.7.1 Lacolata in lingottiera. L'acciaioelaboratosecondoleprocedureprecedentiraccoltoallostatoliquido nelle siviere. E' quindi colato e solidificato dopo una permanenza nella siviera da 5 a 10 minuti (decantazione). Le lingottiere sono in generale in ghisa. La loro forma prefigura quella dei prodotti laminatichesidevonoprodurre:lingottiasezionequadrataperiprodottilunghi,a sezione schiacciata per i prodotti piatti. La colata si effettua secondo due procedure3: Colata a caduta : il metallo si versa direttamente nella lingottiera. 3 La colata sotto vuoto si adatta perfettamente alla colata in lingottiera e permette di diminuire il tenore di H2, N2, una forte disossidazione degli acciai effervescenti mediante l'eliminazione di CO (Fe + C CO + Fe) ed inoltre una diminuzione della densit delle inclusioni. Metallurgia di elaborazione Capitolo 1 Compendio di Metallurgia 12Colatainsorgente:ilmetalloarrivamedianteuncanaleinrefrattario attraverso la base della lingottiera. Questa tecnica permette di ottenere degli acciai di migliore qualit, ma pi costosa. Quando la solidificazione sufficientemente avanzata, ha luogo lo strippaggio ed i lingottisonoinviatiinforniafossa,dovelasolidificazionesicompleta;la temperatura viene mantenuta a 1250C. I difetti principali dei lingotti sono: L'eterogeneitchimica inerente al processo disolidificazioneriguardailfenomenodella macrosegregazione(allascaladellingotto),che riguarda il C, S, P, O. La forgiatura seguita talvolta daunaricotturadiomogenizzazionerimedia parzialmente a questo difetto. Lapresenzadelconodiritiro,dovutoal ritiro dell'acciaio durante il raffreddamento. Questo fenomenoriguardaessenzialmentegliacciai calmati,mentregliacciaieffervescentinesono esenti.Sipurimediareeliminandolaparte superioreovelocalizzatoilconodiritiro,oppure mediantematerozzatura,oppureancoramediante compressione. Lesoffiature,caratteristichedegliacciai effervescenti,sonodovuteallaformazionediCO, H2,N2.Sonoappiattitedurantelaforgiatura,ma le loro pareti possono non saldarsi. L'utilizzazionedegliacciaisemicalmati permettediapprofittaredeivantaggidelledue categorie ( da 0.05 a 0.15 % di Si) Le cricche superficiali Laformazionedipontidisolidificazione interni, dovuti a delle anisotropie di ritiro. 1.7-2 La colata continua. Lasivieraalimentadirettamenteunripartitorechealimentaasuavoltadiverse lineedicolata.Diversisistemipermettonodinoninterromperelacolataduranteil cambio della siviera: macchine verticali (figura 9); macchinecurve(figura10),concurvaturaallostatosolidooppure parzialmentesolidificato.Lemacchineverticalisonopioneroseepiingombranti. Tuttaviaperalcuniprodotti l'estrazioneacuoreliquido pu portare alla formazione di criccheedisegregazioni. Inoltre sulle macchine curve si haladecantazionedelle inclusioni nella parte superiore deiprodotti.Lemacchine verticalisonoquindipreferite nelcasodiacciaidialta qualit. Figura9:colatacontinua, macchina verticale Figura 10 : Colata continua, macchina curva. Capitolo 1 Metallurgia di elaborazione Compendio di Metallurgia 13La colata continua comporta un aumento del ritmo di colata, e la assenza del cono di ritiro. In pi essa sopprime il primo stadio della laminazione e permette di ottenere direttamente delle billette, dei blumi o delle bramme. 1.8. Formatura. A parte la produzione di getti, la formatura ottenuta per laminazione. Lalaminazioneconsisteinunaseriedioperazionichetrasformano progressivamente il lingotto in un prodotto di forma determinata. E' spesso necessario effettuare dei riscaldamenti fra le differenti fasi della lavorazione. Unlaminatoiocompostoessenzialmentedinumerosegabbiechecontengonoi cilindrifraiqualipassailmetallochesubisceunoschiacciamentoprogressivo.I cilindrigiranoinsensoinversoesonoraggruppatiacoppie.Sonoliscinelcasodi prodotti piani, oppure sono scanalati, nel caso di prodotti con altre forme. 1.8.1. Laminatoi sgrossatori. Dopo la colata in lingotto, la sbozzatura dei lingotti si effettua in un blooming per i prodottilunghiedinunoslabbing per i prodotti piatti. I primo fornisce dei blumi, il secondo delle bramme. 1.8.2. Treno di laminazione. Iblumielebrammesonotrasformateneilaminatoiapigabbie,cheformanoun trenodilaminazione.Sonospessodellegabbieaquattrocilindri.L'evoluzione tecnologica ha portato alla messa a punto del treno continuo, nel quale non c' alcuna discontinuit fra le differenti gabbie del laminatoio. La velocit di uscita pu arrivare a 60 km/h per le lamiere ed a 200 km/h per i fili. 1.8.3. I prodotti. I prodotti siderurgici in acciaio comune ed in acciaio speciale sono classificabili in due categorie: Iprodottipiatti:sonofabbricatiapartiredabrammeottenutedalloslabbingo dalla colata continua: Le piastre: - piastre di forte spessore ( s > 4.76 mm) - piastre di spessore medio ( 3 < s < 4.75 mm ) - piastre sottili ( s < 3 mm ) Ifogli:sonodeiprodottipiattidellalarghezzamassimacompresafra500e 600mm. I piatti larghi: di spessore compreso fra 6 e 60 mm e di larghezza variabile fra 150 e 1000 mm. I prodotti piatti possono essere laminati a caldo ed i prodotti sottili possono essere laminati a freddo (migliorando in particolare lo stato della superficie).I prodotti lunghi:sono fabbricati a partire da blumi ottenuti dal blooming o dalla colata continua. Sono ottenuti per laminazione a caldo. Una volta laminati, i prodotti possono subire dei trattamenti termici. 1.9. Conclusione. Lasiderurgiafornisceaidiversisettoriindustrialidegliacciaicontuttele composizionichimiche,sottoformadiprodottipiattiolunghi,adattatialleesigenze dell'utilizzatorecheglifarsubirediversetrasformazionimeccanicheedifferenti trattamenti termici. Metallurgia di elaborazione Capitolo 1 Compendio di Metallurgia 14Qualunquesianoletrasformazioni,l'acciaioconserveruna"eredit"non modificabile dalla sua elaborazione e dalla sua messa in forma: le sue caratteristiche inclusive che giocheranno un ruolo importante nelle sue propriet in servizio. Leinclusioninonmetallichepresentiinunacciaiosonocaratterizzatedallaloro natura, forma, dimensione e distribuzione. Esse sono essenzialmente: - solfuri (principalmente FeS ed MnS); - ossidi (FeO, MnO, SiO2, Al2O3); - silicati ed alluminati. Lanaturadelleinclusionideterminatadallaanalisieffettuatamediante microsonda. Laloroforma,dimensioneedistribuzionesonodefinitedallanormativa(ad esempio ASTM E 45-87). Sipudiminuireladensitinclusivamediantedeiprocessidielaborazione sottovuoto,sottoloppaspeciale,modificarelaloroformamediantedeiprocessidi metallurgiainsiviera(peresempiol'introduzionediCa,ZroCepermettedi controllare la forma dei solfuri). Capitolo 2 Struttura cristallina dei metalli e delle leghe Compendio di Metallurgia 13Capitolo 2 Struttura cristallina deimetalli e delle leghe Unmetalloformatodaunamoltitudinedipiccolivolumipoliedrici,denominati grani, la cui taglia varia fra 2 e 20 m, limitati da superfici denominate bordi grano. Questamicrostrutturagranularemessabeneinevidenzamediantelamicroscopia elettronica a scansione (figura 1) oppure mediante la microscopia ottica (figura 2). Figura 1: Superficie osservata al microscopio elettronico a scansione (SEM). Figura 2: Superficie osservata al microscopio ottico. Ognigranouninrealtunmonocristallo,ciounimpilamentoregolarediioni metallici positivi la cui coesione assicurata dal gas di elettroni (mare di Fermi); Nelcasodiunmaterialepolicristallino(figura3a),lorientazionedelreticolo differisce da grano a grano. Nel caso in cuiil materiale costituito da un solo grano, esso denominato monocristallino (figura 3b). Figura 3a Figura 3b Struttura cristallina dei metalli e delle leghe Capitolo 2 Compendio di Metallurgia 14Neicasipisemplici,(metallipuri,soluzionisolide),tuttiicristallihannouna identicastrutturaelastessacomposizione:ilmaterialedettomonofasico.In generale,comunque,imaterialisonopolifasici,incuiognunodeicristalliconla stessa struttura e composizione formano una fase distinta. Le propriet macroscopiche di un materiale metallico sono in relazione diretta con la sua struttura cristallina. 1. Legami interatomici 1.1. Struttura dell'atomo. L'atomo costituito da un nocciolo intorno al quale ruotano degli elettroni. Il nocciolo formato da : protoni: massa mp = 1.67 10-27 kg carica positiva e = 1.6 10-19 C; neutroni massa mN mp carica nulla.Gli elettroni hanno una massa me = mp/1840, ed hanno una carica negativa, pari a -e. IlnumerodielettroniugualealnumeroZdiprotoni:lacaricaelettricadiun atomo quindi complessivamente nulla. Il numero Z, detto numero atomico, permette di classificare gli elementi in ordine crescente rispetto al numero di protoni. Glielettronisonodistribuitiintornoalnocciolosudeilivellielettronicidi differentienergie,denominatiK,L,M,N....Ognilivellopucontenereunnumero massimo di elettroni: 2 per il livello K, 8 per L, 18 per M ... Glielettronihannounatraiettoriacomplessaintornoalnocciolo,chepuessere rappresentatainmodocomodo,mafisicamentenoncorretto,comeunatraiettoria circolare. Questo permette di utilizzareunmodello dell'atomo"asfera"centrata su nocciolo, ed il cui raggio pariaquellodiingombro elettronico (figura 4). In questa sfera la massa praticamenteconcentratanel nocciolo,edilrapporto diametro sfera / diametro nocciolo dellordine delle decine di migliaia. Lo strato elettronico pi esterno il pi importante: nel caso in cui lo strato esterno saturo, l'elemento molto stabile (gas rari: elio, neon ...). Gli altri elementi possono acquistare la struttura stabile: perdendo elettroni: metalli (Mg, Al, Fe); acquistando elettroni : non metalli (Cl, O ...) Ilegamiinteratomicisonodirettamentelegatia questostratoesterno.Essisonoprincipalmenteditipo ionico, covalente o metallico. 1.2. Legame ionico. E' il legame che si pu avere fra elementi fortemente elettropositivi(metalli)efortementeelettronegativi (nonmetalli).L'atomoelettropositivodonaunoopi Figura 4 Figura 5 Capitolo 2 Struttura cristallina dei metalli e delle leghe Compendio di Metallurgia 15elettroniall'atomoelettronegativo.Questoprocessogeneradegliionidicariche opposte.Leforzedellegamesonogeneratedall'attrazioneelettrostaticafragliioni (figura 5). 1.3. Legame covalente. Questolegame,contrariamenteallegameionico,ha luogofraelementivicininellaclassificazione periodica. Gli atomi mettono in comune degli atomi per completare gli strati pi esterni (figura 6). 1.4. Legame metallico. E'caratterizzatodalfattochegli elettronidilegamesonoliberi.Sipu considerareilmetallocomeun impilamentodiionipositivi,immersiin una nuvola di elettroni.Questoimpilamentodiioniconducea dellestrutturecompattechepossono essere rappresentate come un impilamento regolare di sfere indeformabili (figura 7).Lacompattezzasipuesprimereattraversoilnumerodicoordinazione, definito comeilnumerodiionitangentiallostessoione.Consideratocheilnumerodi coordinazione 4 per il reticolo del diamante (legame covalente), 6 per il cloruro di sodio (legame ionico), nel caso dei principali metalli tale numero 8 o 12. LegameMaterialeCaratteristiche IonicoNaCl; Al2O3Cattiva conducibilit elettrica, fragile, trasparente , elevato punto di fusione CovalenteSi;C (diam.)Cattivaconducibilitelettrica,notevoledurezza, punto di fusione molto elevato MetallicoNa, Al, Cu, FeBuonaconducibilitelettricaetermica,facile deformabilit , opacit

2. Cristallografia geometrica 2.1 Reticoli cristallini. Unmonocristallogeometricamente perfettouninsiemediioni regolarmenteripartitinellospazio.Per descriverecomodamentequesta sistemazione,sidefinisceunreticolo cristallino attraverso un insieme di nodi ottenutidaunamagliaelementareche fissalaperiodicittridimensionaledi ripetizionediunmotivoelementare (figura 8). La maglia elementare definita attraverso tre vettori a, b, c. Dopo aver scelto una originedegliassi,questivettorisonoivettoridibasesuOx,Oy,Oz.Questisonoi Figura 6 Figura 7 Figura 8 Struttura cristallina dei metalli e delle leghe Capitolo 2 Compendio di Metallurgia 16parametridelreticoli.Laposizionediunoqualsiasideinodidelreticolo dato dal vettore: r = u a + v b + w c ove u, v, w sono degli interi (figura 9). Figura 9 Tuttiireticolicristallinipossonoesseredescrittiapartireda7sistemicristallini descritti nella tabella seguente. Sistemaa, b, cEsempi Triclinoa b c; /2 Monoclinoa b c; = = /2 Ortorombicoa b c; = = = /2U, Fe3C Quadraticoa = b c; = = = /2Martensitico (acciaio) Esagonalea = b c; = = /2 ; = 2 / 3Zn, Mg, Be Romboedricoa = b = c; = = /2As, Sb, Bi Cubicoa = b = c; = = = /2Fe, Cu, Al, Ni Definitolospaziocomeun reticolodipunti,lasuddivisione dellamateriafissatadall'esistenza diunmotivoelementare,definibile comeilpipiccoloinsiemediioni Ndicoordinatexi,yi,zi,che, mediantetraslazioneapartiredal nodo origine, permette di ricostituire tuttoilcristallo(figura10).Ogni nodoequivalente,ovvero circondatodallostessoinsiemedi ionichecostituisceilmotivo elementare.Unastrutturaquindi perfettamentedefinitadalla conoscenza del reticolo cristallini (a, b,c)edelmotivoelementare(xi, yi, zi), con i che varia da 1 ad N. Si definisce piano cristallografico, unpianochepassapertrenodi non Figura 10 Figura 11 Capitolo 2 Struttura cristallina dei metalli e delle leghe Compendio di Metallurgia 17allineati de reticolo. Considerato un tale piano che taglia gli assi Ox, Oy, Oz in M, N, P:talepianosardesignatodagliindicidiMillerh,k,l, definiti come i pi piccoli interi proporzionali a 1/m, 1/n, 1/p (figura 11). I valori h, k, l, designano non solo un piano, ma un intero fascio di piani paralleli con : (hkl).1 3. Strutture cristalline principali dei metalli puri e delle leghe. 3.1 Metalli puri. Lestrutturecristallinepifrequentiperimetallipuriappartengonoalsistema cubico ed al sistema esagonale. Nellefigure12-14sono rappresentatelestruttureprincipali: CubicaCorpoCentrale(CCC),la strutturaCubicaaFacceCentrate (CFC), la struttura Esagonale Compatta (EC).2 Per studiare le strutture cristalline, si rappresentalamagliaelementare posizionando al centro gli ioni. Si deve fareattenzione,inquantotale rappresentazione non mette in evidenza laveradimensionedegliioniper rapportoaiparametridellamaglia.Per ottenereunoschemainscala,si disegnerognivoltaipianiamassima 1 L'indice negativo rappresentato con una barra sopra l'indice. 2Unostessoelemento(peresempioilferro,iltitanioetc)pupresentarediverse strutturecristallinesecondol'intervalloditemperaturaconsiderato.Sidiceche l'elementopresentaunpolimorfismocristallino.Ilpassaggiodaunaformaadun allaltra una trasformazione allotropica: Caso del ferro: 273 CCCC912CCFC1394CCCC1538C Figura 12 Figura 13 Figura 14 Struttura cristallina dei metalli e delle leghe Capitolo 2 Compendio di Metallurgia 18compattezza, rappresentando gli ioni con delle sfere dure. La struttura CCC definita da un motivo a due ioni (uno all'origine, l'altro al centro della maglia). La maglia elementare comprende 2 ioni per maglia ( 1 al centro ed 8 ai vertici del cubo, appartenente ciascuno ad otto maglie). Il numero di coordinazione uguale a 8. La struttura CFC definita da un motivo a quattro ioni (uno all'origine, gli altri tre al centrodellefaccedelcubo).Lamagliaelementarecomprende4ionipermaglia(6 sullefacceappartenenticiascunoaduemaglie,8aiverticidelcubo,appartenente ciascunoadottomaglie).Ilnumerodicoordinazioneugualea12(compattezza massima). LastrutturaECdefinitadaunmotivoadueioni.Lamagliaesagonale rappresentativacomprende6ionipermaglia(3all'interno+2sullebasi,comuni ciascunoaduemaglie,+12suivertici,ciascunocomunea6maglie).Ilnumerodi coordinazione uguale a 12 (compattezza massima). Si nota che i piani densi delle strutture CFC e EC sono identici (figura 15). Figura 15 SipumostrarechelestruttureCFCedECcorrispondonoallacompattezza massima, cio a due modi di impilare i piani compatti di sfere nello spazio. L'impilamentoCFCcorrispondeadunimpilamentodipianidensideltipoABCABCABC. L'impilamentoECcorrispondeadunimpilamentodipianidensideltipo: ABABABABAB. 3.2. Strutture cristalline delle leghe A parte qualche caso particolare, i metalli sono raramente utilizzati allo stato puro, masottoformadileghechesonoottenuteapartiredaunmetallobaseconaggiunte metalliche e non metalliche. Capitolo 2 Struttura cristallina dei metalli e delle leghe Compendio di Metallurgia 19Leleghepossonoavere2(leghebinarie),3(legheternarie),...nelementi.In funzionedellatemperaturaedellacomposizione,leleghesonomonofasicheo polifasiche.Unafaseunapartediunmaterialefisicamentedistinto,meccanicamente separabile,aventeunastrutturaedunacomposizionepropria.Trascurandolostato liquido,chenonchetransitorio,sidistinguono allo stato solido, due tipi di fasi: le soluzionisolideedicompostidefiniti,icuidominidistabilitsonofornitinei diagrammi di equilibrio. 3.2.1 Le soluzioni solide. Gli atomi di B possono entrare in soluzione nel reticolo di A : -occupandogliinterstizidellastrutturadiA(soluzionisolideinterstiziali); riguardano gli atomi di piccole dimensioni (C, H, O, N, B) (figura 16). Figura 16 -sostituendogliatomidi A(soluzionisolide sostituzionali).Sonolepi numerose.Lasostituzione effettuataspessoacaso (soluzionedisordinata),e talvoltainmodoordinato (soluzioneordinata)(figura 17). 3.2.2. I composti definiti. Questicompostisono stabilisoloinunostretto dominiodicomposizione Figura 17 Struttura cristallina dei metalli e delle leghe Capitolo 2 Compendio di Metallurgia 20corrispondenteadunastechiometriaAmBm.Essihannoingeneraleunastruttura cristallina differente da A e da B (figura 17). Esempio: Cu3Al, CuAl2, TiC, NbC, Fe3C. 4. Difetti cristallini. Icristallinonsonomaiperfetti.Cisonosempredegli"errori"negliimpilamenti che possono essere descritti come difetti puntuali, lineari e planari. 4.1. Difetti puntuali. Questidifettiesistonoallivellodi dimensioniatomiche.Risultanodalla presenza di (figura 18):unatomodellamatricein posizioneinterstiziale(auto-interstiziale); unatomoestraneoinposizione interstiziale; unatomoestraneoinposizione sostituzionale; unsitodelreticolovacante (lacuna). Lelacune,chesonoallabasedel processodidiffusione,sonosempre presentinelreticoloelaloro concentrazione all'equilibrio varia con la temperatura. 4.2 Difetti lineari. Talidifettisichiamano dislocazioniesonoall'origineditutti iprocessilegatialladeformazione plastica.Tuttiitipididislocazione possono essere rapportati a due tipi: la dislocazione a spigolo e la dislocazione a vite. La dislocazione a spigolo (figura 19) corrisponde all'introduzione di un semi piano supplementarenelreticolocristallinocheoffrel'immaginediunospigolo.Per definireunadislocazionesiutilizzailmetodoseguente:sisceglieunversopositivo sullalineadidislocazioneesitracciauncircuitonelcristallointornoalla dislocazione.Questocircuitopresentaundifettodichiusurab denominato vettore di Burgers.Nelcasodelladislocazioneaspigolo,bperpendicolareallalineadella dislocazione. Ladislocazioneavite(figura19)deveilsuonomealfattocheilcristallo costituitodaunarampaperpendicolareintornoallalineadidislocazione.Nelcaso della dislocazione a vite, b parallelo alla linea della dislocazione. Ladensitdelledislocazioni,chepuessereespressainlunghezzadilineadi dislocazione per unit di volume, dell'ordine di 106-108 cm-2 per un metallo ricotto, 1011-1012 cm-2 per un metallo molto deformato. 4.3 Difetti piani. Figura 18 Figura 19 Capitolo 2 Struttura cristallina dei metalli e delle leghe Compendio di Metallurgia 21Superficilibere:Esseseparanoilsolidodalgas.Moltoraramentesonoliscee presentano, su scala atomica, degli scalini. Cisiassociaunaenergiadisuperficiechedipendedall'orientazione cristallografica. Bordigrano:Essiseparanoregionicaratterizzatedadifferentiorientazioni cristallografiche.Sidistinguonodeibordiadeboledisorientazione(10), pi complessi da definire. Questibordipossiedonounaenergiadiinterfacciaerappresentanounostato metastabiledelmetallo.Possonomuoversisottoeffettodellatemperatura,sonoil luogoprivilegiatodellasegregazionedegliatomiestraneiedinoltresonodegli ostacoli alla propagazione delle dislocazioni. Interfacce fra due fasi: L'interfaccia separa due fasi differenti. Si distinguono due casi limite: -linterfacciaincoerente,attraversolaqualenonvicontinuitfraireticoli cristallini delle due fasi; -l'interfacciacoerente,ovelefasiadiacentihannodeipianicristallograficie alcune delle direzioni di questi piani coincidenti. Le strutture delle due fasi non sono maistrettamenteidentiche.Ilpassaggiodaunastrutturaall'altraattraversouna interfacciacoerenteconduceingeneraleallaesistenzadiuncampodideformazione locale. Deformazione plastica Capitolo 3 Compendio di Metallurgia 22 Capitolo 3 Deformazione plastica Quandosieffettuasuunmetallounaprovaditrazione,sullacurvaregistratasi distinguono due zone principali (figura 1): Unazonadi deformazioneelastica,nella qualeladeformazione reversibile. Unazonadi deformazioneplastica,che corrispondeaduna deformazionepermanentedel metallo. Allivellodelcristallo,la deformazioneplasticasi effettuaprincipalmente medianteloscorrimentodiuna partedelcristallorispetto all'altrasecondounnumero interodidistanzeinterreticolari (figura 2) Questo scorrimento pu essere interpretatomedianteil movimentodelledislocazioni,e quindilaresistenzadiun materialemetallicoalla deformazioneplasticalegato direttamenteallospostamento facileodifficiledelle dislocazioni. 1. Resistenza teorica dei cristalli. Sesiconsiderauncristallorettangolaresottopostoadunosforzoditaglio , e si supponechelapartepostaaldisopradelpianodiscorrimentosispostainblocco (riguardandocontemporaneamentetuttiilegami)rispettoallaparteinferiore(figura 3).Sexlospostamentocorrispondentea,siputracciareschematicamentela variazione di in funzione di x e scrivere quindi: csin2xa _ , c2xa(sexa piccolo) Ammettendo che la relazione di Hooke applicabile, si pu scrivere: Gxaove G il modulo di taglio Figura 1 Figura 2 Figura 3 Capitolo 3 Deformazione plastica Compendio di Metallurgia 23Combinando le due equazioni, si ottiene: Gxa c2xa cG2 G6 Ivalorisperimentalimisuratisonodell'ordinedi10-4-10-5Gperimonocristalli usuali.Quindiloschemaadottatoperdescrivereilpassaggiodallostatoinizialea quello finale non corrisponde alla realt.Questa discordanza ha portato Taylor ad introdurre il concetto di dislocazione. 2. Movimento delle dislocazioni. Ladislocazioneun difettocristallinoilcui movimentoprogressivo (figura 4). Pifaciledeltaglio contemporaneosututtoil piano,implicalastessa deformazione macroscopica. Questospostamento faciledizonedeformate localmentehanumerosi esempi fisici pi concreti (figura 5). Figura 5 Dislocazione a spigolo (figura 6). Sesiconsideraunbloccoelastico,lositaglisecondounpianofinoadunalinea CC'. Questo taglio separa il blocco in di parti A ed A'. Se si applica su A' una forza F, perpendicolareaCC',si formaunoscalinoesihala deformazionediA'.Sesi desidera che la deformazione sipropaghi,sideve continuareadapplicarela forza F parallelamente a CC', finoaquandoessanonesce dal blocco. LoscorrimentodiA' rispettoadAeffettuato mediantelospostamentodi una linea CC' che separa la parte che ha gi subito lo scorrimento, da quello che non lo ha ancora subito. Figura 4 Figura 6 Deformazione plastica Capitolo 3 Compendio di Metallurgia 24Se si considera ora un reticolo cristallino, si vede che l'azione della forza F forma un gradino che inserisce un semi-piano che va a formare uno spigolo. CC' una linea didislocazioneaspigolorappresentantelabasediquestosemipiano.Lalarghezza dello scalino pari al vettore di BURGERS. Il vettore di Burgers definisce sia l'ampiezza e la direzione dello scorrimento. Dislocazione a vite (figura 7). Si consideri lo stesso blocco elastico tagliato come il precedente secondo un piano fino alla linea VV'. Si applichi sulla parte A' una forza F, parallela a VV'. Si forma uno scalinoesihala deformazionediA'.Quando VV'arrivaallaestremitdel blocco,A'siritrovaalsuo stato d sforzo iniziale. LoscorrimentodiA' rispettoaAsieffettua mediantelospostamentodi unalineaVV'cheseparala partechehagisubitolo scorrimentodaquellachelo deve ancora subire. Sesiconsiderailreticolo cristallino,sivedecheVV' unalineadidislocazionea vite,echeloscalinohaper larghezzalalunghezzadel vettore di BURGERS Dislocazionemista (figura 8). Nelcasogenerale,lalinea didislocazioneunacurva qualunque piana. In ogni punto sipudefiniresullatangente allalineaunvettoreunitario, scomponendoilvettoredi BURGERSinunacomponente aspigoloedinuna componente a vite. 3. Cambiamento del piano di scorrimento. Esisteunagrandedifferenzafraladislocazioneaviteequellaaspigolo, dovuta alla orientazione differente del vettore di BURGERS rispetto al movimento della linea di dislocazione. La dislocazione a vite pu cambiare facilmente di piano di scorrimento, dato che il campodisollecitazionehaunasimmetriaradiale.Questospiegaloscorrimento deviato. Ladislocazioneaspigolononpucambiaredipianodiscorrimento.Soloun processodisalitaedidiscesa,aventeperorigineilfenomenodidiffusionedelle Figura 7 Figura 8 Capitolo 3 Deformazione plastica Compendio di Metallurgia 25lacune,permetteunospostamentoperpendicolarmentealpianodiscorrimento iniziale. 4. Sistemi di scorrimento Sipumostrarechel'energialibera,perunitdilunghezzadiunalineadi dislocazione (a vite, a spigolo o mista), proporzionale al quadrato del suo vettore di BURGERS: E Gb2 Questaenergialiberapositiva.Ciimplicacheladislocazionenonundifetto termodinamicamente stabile. Ledislocazioni pi stabili sono quelle caratterizzate dai valori pi piccoli dei vettori di BURGERS. Le direzioni di scorrimento (o direzioni dei vettori di BURGERS) sono le direzioni dense del reticolo, perch esse corrispondono alle distanze interatomiche pi piccole. Ipianidiscorrimentosonoegualmenteipianidensidelreticolo,datochedauna parte questi piani contengono in generale le direzioni dense, e d'altra parte questi piani sonodaunpuntodivistageometricopi"lisci"epiallineati(scorrimentopi facile). Ognicombinazionepianoedirezionediscorrimentodefinisceunsistemadi scorrimento. Unsistemadiscorrimento particolarepartecipaalla deformazione nel caso in cui si arriviadunvalorecriticodel taglioccaratteristicodel materiale e della temperatura.Sesiconsideraun monocristallo(figura9) sottopostoadunatrazione uniassiale,iltagliosecondo unadirezionediscorrimento suunpianodiscorrimento tale che: F cos S0/ cos cos cos Il sistema di scorrimento si attiver nel caso che: cos cos c Nelcasogenerale,ilsistemadiscorrimentoattivatosarquelloperilqualeil taglioapplicatosuperioreac.Essodipendedallastrutturacristallograficaedalla temperatura, oltre che dalla purezza (figura 9). Pi un metallo puro, pi c piccolo e pi il limite elastico debole.Nelcasodiunmonocristallo,oppurediungrano,ladeformazioneplasticaper scorrimentoproducesullasuperficiedelmetallodegliscalinivisibilialmicroscopio ottico,sottoformadilineeparallele.Sediversisistemidiscorrimentosiattivano, appariranno diverse famiglie di linee parallele. Nelcasodiunpolicristallo,ognigranoaventeunaorientazionecristallina differenteavruncomportamentodifferenteperlastessasollecitazione Figura 9 Deformazione plastica Capitolo 3 Compendio di Metallurgia 26macroscopica. Per conservare la coesione fra i grani , si pu mostrare che necessario che esistano cinque sistemi di scorrimento indipendenti. La maggior parte dei metalli possiede questi cinque sistemi con l'eccezione del sistema esagonale: per tale ragione i sistemi esagonali hanno una duttilit molto bassa. 5. Relazione fra il movimento delle dislocazioni e la deformazione plastica. Se si considera un cristallo sotto forma di cubo. La deformazione di taglio associata alpassaggiodiunadislocazionePb L / .Sipumostrarechequesta deformazione associata allo spostamento medio x di N dislocazioni, pari a: p b x ove la densit di dislocazioni. 5.1. Moltiplicazione delle dislocazioni. Applichiamolaformulaprecedente Pbx adunpolicristalloaventeuna tagliadeigranidi10-2cmconunadensitdidislocazionidi108cm/cm3 (metallo ricotto). Supponendo chex pari alla taglia dei grani e che b = 2 10-8 cm, si ottiene una deformazione di taglio di: P 10 2 10 10 2 108 8 2 2 (oppure 2%) E'notochesipossonootteneredelledeformazioninettamentesuperiori,finoa 100%:necessarioquindicheledislocazionisimoltiplichinodurantela deformazione.Unodeimeccanismiprincipalidiproduzionedelledislocazioniil meccanismo di FRANK-READ. Consideriamo un segmento di dislocazione ancorato in due punti A e B, distanti "l". Sotto effetto di uno sforzo , il segmento di dislocazione si curver fino a che la forza F applicata sulla linea equilibra una tensione di linea T. Si pu mostrare che F = bl. All'equilibrio quindi: bl 2Tsin Nel caso in cui = 90, la forza dovuto alla tensione di linea T massimo, e, oltre, losforzonecessariopercontinuarelacurvaturadelsegmentodecresce.Datoche T Gb 2, questo sforzo critico : c2 Tbl2 GblGbr(perch r l2) Siformaquindiunanello didislocazioneaventecome sorgenteipuntiAe B. Se lo sforzoapplicatoresta superioreac,lasorgente continuaademetteredegli anellididislocazioni:il meccanismodiFrank-Read (figura 10). Figura 10 Capitolo 3 Deformazione plastica Compendio di Metallurgia 27Inuncristallo,ledislocazionisiarrangianoinunreticolotridimensionale,coni puntidiintersezionechiamatinodi,verificandolarelazionefraivettoridiBurgers b 0.Questipuntidi intersezione possono agire come sorgentididislocazioni(figura 11). Delle altre sorgenti possono essereegualmentegeneratedal processodelloscorrimento deviato (figura 12). 6.Altramodalitdi deformazione: Geminazione. Lageminazioneunmodo dideformazioneplasticache corrispondeallivellodel cristalloadunatraslazionedei pianiparallelamentegliuni suglialtridiunaquantit proporzionale alla distanza d dal pianodigeminazione,inmodo taleilcristallodeformato divienesimmetricodelcristallonondeformatorispettoalpianodigeminazione (figura 13). Lageminazionedefinitadaunpianodigeminazione,unadirezionedi geminazioneeduntassodigeminazione.Comenelcasodelloscorrimento,esistono dei sistemi di geminazione in funzione della struttura cristallografica. Comenelcasodelloscorrimento,sidefinisceunasollecitazionecriticacdi geminazione. Questa sollecitazione varia egualmente con la struttura cristallografica e la temperatura: Nel caso di sistema CCC, la geminazione il modo principale di deformazione a bassa temperatura (figura 14). NelcasodisistemaCFC,cdigeminazione restasempresuperiorealcdiscorrimentoela geminazioneperdeformazioneplasticanon osservata. NelcasodisistemaEC,iltassodi geminazionemoltodebole:lageminazioneil modoprincipaledideformazioneperimetalli esagonali. Dalpuntodivistadellamicroscopiaottica,la geminazionesidifferenziadalloscorrimentoperch puessereosservatodopopulituraedattacco(la partegeminatahaunaorientazionedifferentedella parte non geminata). 7. Meccanismi di indurimento. Figura 11 Figura 12 Figura 13 Figura 14 Deformazione plastica Capitolo 3 Compendio di Metallurgia 28Il limite elastico y ottenuto qualora il campo di sollecitazioni applicate provoca lo spostamento irreversibile delle dislocazioni attraverso l'insieme della struttura. Se sidesideraaumentarequestolimite(parametromacroscopico),sideveaumentarela difficoltdellospostamento delle dislocazioni (scala microscopica). A questo scopo, si debbono generare degli ostacoli al movimento di dislocazioni. Si pu schematizzare il problema ammettendo che il limite elastico di un materiale policristallino (mono o polifasico) composto di due parti: Il limite elastico intrinseco i del monocristallo. L'effettodellapolicristallinitessenzialmentecollegatoall'azionedeigiunti grano. 7.1. Limite elastico intrinseco. In un cristallo relativamente perfetto, per spostare una dislocazione isolata, si deve esercitareunaforzadettadiPEIERLS-NABARROlegataallarotturadeilegamial livellodelcuoredelladislocazioneelacuistimadifficile.Questaforzapi importantenelcasodimaterialicaratterizzatidalegamidirezionali(cristalli covalenti),mentredebolenelcasodeimetalli,conunamaggioreimportanzaperi CCC piuttosto che per i CFC ed EC. L'introduzionepersostituzioneoppureinserimentodiunatomoestraneonella struttura genera un campo di sollecitazioni in vicinanza dell'impurezza che interagisce conilcampodisollecitazionedelladislocazioneinmovimento,rendendotale movimento pi difficile. Laprecipitazionediunasecondafasecostituisceunodeimigliorimetodiper aumentare la resistenza alla deformazione plastica di un materiale. Nelcasoincuidelleparticellenondeformabili(adesempioGelevato)sono disperseinunamatrice,ilsuperamentodiuna"linea"diprecipitatidapartediuna dislocazionesipuotteneresolomedianteincurvamentodelladislocazionefrale particelle,cheesigeunasollecitazionesupplementarechepuesserevalutato mediante un calcolo analogo a quello utilizzato per il funzionamento di una sorgente di Frank-Read (figura 15). Sidevesottolinearecheun precipitatocoerente(stessastruttura dellamatrice,continuitdeipiani cristallini),potendoesseretagliatoda unadislocazione,haunainterazione conquestasuperioreaquelladiun precipitatoincoerente(struttura differente dalla matrice) (figura 16). Esisteunataglialimitealdisotto della quale l'efficacia diviene inferiore; lo stesso avviene se la particella ha una taglia importante. Figura 15 Capitolo 3 Deformazione plastica Compendio di Metallurgia 29Nelcasoincuisideformiunmaterialeoltreilsuolimiteelastico,laresistenza continuaadaumentare.E'l'effettodelconsolidamento,definibilecomeun indurimentodovutoallainterazione delle dislocazioni fra di loro. Si pu mostrare che la sollecitazione necessariaperprodurreuna deformazioneplasticainunmateriale indurito per consolidamento : 0.2 Gb Neseguecheseladensitdelle dislocazionivarialinearmenteconla deformazione, la forma della curva sforzo-deformazione parabolica, come si osserva sperimentalmente. Se si aumenta gradualmente la temperatura di un metallo deformato, le dislocazioni tendonoariarrangiarsi,adannichilirsi,conunconseguenteabbassamentodellimite elastico:questoilfenomenodellarestaurazionecheprecedelarecristallizzazione (formazione di nuovi grani ed abbassamento brusco del limite elastico del materiale). 7.2. Effetto dei bordi dei grani Sesisupponechesottol'effettodiunosforzoditaglio inungranoA,delle dislocazioniaspigolosispostanosuunostessopianodiscorrimentoorientato favorevolmente(leggediSchmid).Questogranosubisceunadeformazioneplastica che,ingenerale,nonsipropaganelgranoB,perchnonc'continuitnelpianodi scorrimento.Ladeformazioneplasticasipropagherdaungranoall'altroperun valore critico dello sforzo di taglio, che legato alla dimensione media del grano "d" (relazione di Hall-Petch): y i+ kyd12ky, icos tan ti Questalegge,benrispettatasperimentalmente,mostracheadunaffinamentodel grano corrisponde un aumento del limite elastico. Figura 16 Diffusione Capitolo 4 Compendio di Metallurgia 30 Capitolo 4 Diffusione Seduepezzidirameediorovengonopostiacontattoeportatia1000C,sipu osservare,dopouncertotempo,lasaldaturadeiduepezzi.Lamisuradella concentrazione di uno dei due elementi in funzione della distanza x mostra che degli atomidiramesisonospostativersol'oroeche,analogamente,degliatomidiorosi sono spostati verso il rame (figura 1). Questamigrazionediatomo nelreticolocristallino denominata diffusione. Questofenomenohadelle applicazioniedelle conseguenzemoltoimportanti: tuttiicambiamentidifase,con l'eccezione della trasformazione martensitica,iprocessidi omogenizzazione,itrattamenti superficiali(adesempiola cementazione),etc.Tale fenomeno pu essere considerato sia macroscopicamente che microscopicamente. 1. Aspetto macroscopico della diffusione. Nelcasoparticolareovelespeciechediffondonorestanoinsoluzionesolida, l'aspetto macroscopico del fenomeno di diffusione fondamentalmente descritto dalla prima legge di Fick: Jx Dcx LadensitdelflussodimateriaJx,definibilecomelaquantitdimateriache attraversaunpiano perpendicolare alla direzione x perunitdisuperficieeper unitditempo, proporzionalealgradiente localediconcentrazionedella speciechediffondecx.Il coefficiente di proporzionalitD,dettoanchecoefficientedi diffusione,siesprime in m2 s-1. Questarelazionerendecontodelfattochegliatomidiffondonodalleregionidi concentrazione elevata verso le regione a bassa concentrazione. Figura 1 Figura 2aFigura 2b Capitolo 4 Diffusione Compendio di Metallurgia 31La diffusione detta uniforme oppure non uniforme, nel caso in cui il gradiente di concentrazione indipendente oppure dipendente dal tempo. Casotipicodelladiffusioneuniformequellodiungas(adesempioH2)che attraversaunfogliometallico,nelcasoincuidaiduelatidelfogliosianomantenuti una pressione molto elevata e molto bassa (figura 2a).Applicandola1leggediFick,sipumostrarechelaquantitdigasche attraversa il metallo per unit di tempo : QJxS DC2C1LS ove S la superficie del foglio. Questo anche il caso di un metallo in contatto con una atmosfera ossidante (figura 2b). Si forma un film di ossido sulla superficie del metallo che pu crescere solo se gli atomidiossigenodiffondonoattraversolostratodiossidogiformato,perreagire congliionimetallici.Al crescere dello spessore dell'ossido, la distanza di diffusione aumenta, e la velocit di ossidazione diminuisce. Lavelocitdiaccrescimentodellospessoredellostratodiossidodx/dt proporzionale al flusso di atomi di ossigeno che aggrediscono il metallo: dxdt k J0 Sottolineandocheladifferenzadiconcentrazionediossigenoc resta costante, si pu applicare la 1 legge di Fick: J0 D0cxc < 0 Da questa si ottiene dxdt k D0cx x2 2 k D0c ( )t K2t L'espressionex K t mostrachelospessoredellostratoxproporzionalea t1/2 (legge parabolica) ed ha un coefficiente di proporzionalit legato al coefficiente di diffusione (che varia in modo esponenziale con la temperatura). La diffusione non uniforme il caso in cui il gradiente di concentrazione varia con il tempo t e la distanza x. Questo il caso normalmente incontrato in metallurgia. ConsiderandosempreDindipendentedallacomposizione,sipumostrareche (2legge di Fick): ctDcx22 La2leggediFickmostrachelavelocitdivariazionedellacomposizione proporzionalealtassodivariazionedelgradientedicomposizione,piuttostocheal gradientedicomposizionestesso.Ilcoefficientediproporzionalitsempreil coefficientedidiffusione.Diconseguenza,laduratadellomogeneizzazionediuna soluzione solida inizialmente eterogenea sempre molto elevata. In effetti, qualora il Diffusione Capitolo 4 Compendio di Metallurgia 32sistemasiavvicinaall'equilibrio 220cx elavelocitdivariazionedella composizione ct tende egualmente verso zero. La soluzione della 2 legge di Fick dipende dalle condizioni al limite. Nel caso di unostratosottiledelmetalloAdepostosulmetalloB(figura3),lasoluzione dell'equazione : c(x, t ) M Dtexp x24Dt _ , oveMlamassadiAper unit di superficie. Sipuegualmentemostrare chenelcasogenerale,la distanzadidiffusione proporzionale aDt. 2. Aspetto microscopico della diffusione. Ilmovimento degli atomi ha luogo grazie alla vibrazione termica la cui ampiezza aumentaconlatemperatura.Numerosimeccanismidispostamentopossonoessere ipotizzati (figura 4), ma, in effetti, solo due fra loro sono possibili: Meccanismo interstiziale, per gli atomi di piccole dimensioni (C, H, O, N, B). Meccanismo lacunare, per gli altri. Nelcasoincuiladiffusione avvienesecondoquestidue meccanismi,siparladi diffusionedivolume. Comunque,sipossonoavere dellealtremodalitdi diffusionechepermettonodi aumentarelavelocitdi diffusione.Questesonoicorto-circuiti di diffusione, come ad esempio le dislocazioni e, soprattutto, i bordi dei grani. La diffusione accelerata nei bordi grano ha delle conseguenze importanti nei fenomeni di precipitazione intergranulare, di corrosione sotto sforzo, etc.. Sipuegualmentenotarel'esistenzadelladiffusioneinsuperficieancorapi rapida, dato che gli atomi sono meno legati. In ogni caso,la diffusione di volume resta il fenomeno pi importante, in quanto il numero di atomi coinvolti negli altri meccanismi modesto. Si possono definire diversi coefficienti di diffusione in funzione dell'elemento che diffonde. Caso di un sistema omogeneo (metallo puro o lega) Si definisce un coefficiente di autodiffusione: DA*A( A*in A) oppure DA*AB( A*in AB) Caso di un sistema eterogeneo (lega) Figura 3 Figura 4 Capitolo 4 Diffusione Compendio di Metallurgia 33Si definisce un coefficiente di diffusione intrinseco DA (oppure DB) che tiene conto dellavariazionedimobilitdiAeBinungradientediconcentrazioneCA (oppure CB). Per poter far si che gli atomi interstiziali possano cambiare di sito, oppure che gli atomi del reticolo possano scambiare le loro posizioni con le lacune, si deve vincere unabarrieradienergiapotenziale.L'altezzadiquestabarrieracaratterizzata dall'entalpiadiattivazioneHD,edilnumerodisaltialsecondodescritto dall'equazione di Arrhenius: DD0expHDR T _ , D0 = costante legata alla frequenza di salto. R = 8.314 J mol-1; T = temperatura [K] HD = entalpia di attivazione molare in J mol-1. Dpuvariareconlacomposizioneedfunzionedellastrutturacristallina,ma varia leggermente con il tenore di impurezze. Letrasformazionioveladiffusioneintervienesonodetteper"nucleazionee crescita", e sono messe in evidenza nei diagrammi di equilibrio. La trasformazione si innesca in numerosi punti detti "nuclei" che risultano da una fluttuazione della composizione della fase "madre". Questi nuclei hanno inizialmente un taglia molto piccola (qualche atomo), e si formano in modo omogeneo oppure, pi spesso,inmodoeterogeneo(inprossimitdeidifetti).Essisonocoerenticonla matrice. Inucleisisviluppanosubito.Nelcasoincuilatemperaturaaumenta,ilnumero delle particelle tende a diminuire e la loro taglia tende ad aumentare. Essi divengono pi frequentemente semi-coerenti oppure incoerenti con la matrice. Metodi di prove meccanicheCapitolo 5 Compendio di Metallurgia 34Capitolo 5 Metodi di prove meccaniche 1. Provaditrazione. Questaprovaconsistenelsottoporreunprovinoadunosforzoditrazione, generalmente fino a rottura, in modo da poter determinare diverse propriet meccaniche. Solitamente si impone una deformazione crescente su un provino sul quale sono tracciati duetrattichefungonodariferimentipostiadunadistanzaL0.Durantelaprovasi misurano la forza F e lallungamento L - L0. Per quanto riguarda la prova di trazione, si fariferimentoalla terminologia adottata nella norma UNI EN 10002/1. Elementoessenzialedi qualsiasiprovameccanicalaprovetta(oprovino). Questadeveesserericavata dal pezzo inesamecon una lavorazionemeccanicatale danonalterarele caratteristichedelmateriale a seguito diuninvolontariotrattamentotermico (lavorazioneeffettuatain modotropporapido)odieccessive tensioniresidue nel pezzo (figura 1).Quellachesegueunalegendadelledenominazioniedeisimboliutilizzatiperle grandezze geometriche. Diametro della sezione calibratadel provino a sezione circolare d Spessore della provetta piattaa Larghezza della provetta piattab Lunghezza iniziale fra i riferimentiL0 Lunghezza parte calibrata Lc Lunghezza totaleLt Lunghezza ultima fra i riferimentiLu Allungamento percentuale dopo rottura 10000L LLu A Sezione iniziale parte calibrataS0 Sezione minima dopo rotturaSu

Coefficiente percentuale di strizione 10000S SSu Z La provetta di trazione pu essere distinta in alcune zone: 1)le teste di serraggio; 2) le zone di raccordo; 3) il tratto utile. Letestediserraggio,filettateomeno,permettonol'applicazionestabile senzaslittamentodelprovinoaimorsettidellamacchinadiprova.Iltrattoutile(di lunghezzaL0),lapartedellaprovettainteressanteaifinidellaaccettabilitdei Figura 1 Capitolo 5 Metodi di prove meccaniche Compendio di Metallurgia 35risultati: nel caso in cui la rotturanonavvieneall'internodiquestazonacentrale,i risultatinonsonoaccettabili.Lezonediraccordounisconoiltrattoutile(di sezioneinferiore)conletestediserraggio(disezionemaggiore)conraggidiraccordo talipercuil'effettodiintagliolimitatoalminimopossibile.Lesezionidelle provettepossonoesserecircolariorettangolari,eleproporzionidelleprovettestesse sonoprecisateall'internodellasopracitatanorma.Normalmentelarelazionefrail tratto utile L0e la sezione iniziale della parte calibrata S0 : L S0 0565 .Nel casodiprovetteasezionecircolarelaprecedente relazionecorrisponde a L0=5d(provetteproporzionali).Sipuanchederogareintaluneoccasioniatali relazioni,mavascrittoesplicitamentenelrapportofinale.Primadieffettuarelaprova, convienesuddividereiltrattoL0inunnumeroNdisuddivisioni,mediantepiccole incisionioppureinchiostroadasciugamentorapido.Nellatabellaseguentesihannoun insiemedidefinizioniedi simboli riguardanti i carichi: Carico di snervamento superioreFeH Carico di snervamento inferiore FeL

Carico di scostamento dalla proporzionalitFP Carico limite di allungamento totaleFt Carico limite di allungamento permanenteFr Carico massimoFm Carico ultimo Fu

Peravereicarichiunitari(denominatisecondolanormaUNIcondelleRcon pedicianaloghiaiprecedenti,maneivaritestipuessereusatalalettera ) basta dividereilcaricoconsiderato perla sezioneinizialeS0 .Faeccezioneincarico unitario ultimo di rottura (tensione di rottura) che siottienedividendo Fuper la sezione minima di rottura Su .La rilevazione delle deformazioni pu essere effettuata sia utilizzando un estensimetro applicatoall'esterno del provino, sia rilevando l'allungamento grazie allospostamento della testa traente.Le macchine utilizzate per questo tipo di prove possono essere sia oleodinamiche che elettromeccanicheedhannopotenzechepossonoandaredaalcunigrammi(perfibree filamenti)acentinaiaditonnellate(pergrandistrutture).Lemacchinedipiccola potenza(inferioreadunatonnellata)sonosolitamentedeltipoaleve.Perlegrandi potenze si preferiscono quelle idrauliche.Perleproveditrazioneilcampionevienefissatoairelativimorsettidella macchina o per mezzo dicuneiautoserrantio con manicottismontabili,facendobenattenzioneadesercitareesclusivamentesollecitazioniassiali,senzagenerarentorsioninflessionisupplementari.Lanormativafissadellevelocitlimitesiaperci cheriguarda lavelocitdiallungamento LL t0 (compresafra 0.0025 e 0.00025 s-1 ) cheperlavelocitdiincrementodelcarico,chedeveessereminoredi30 Nmm s2 durantelafaseelasticaperevitare,fral'altro,erroridovutiadeffettidiinerzia. Diversi sono i tipi dicurveottenibilisiaalvariaredella composizione chimica della legainesame (figura 2),siadeitrattamenti termomeccanici cui essa stata sottoposta.Metodi di prove meccanicheCapitolo 5 Compendio di Metallurgia 36Lacurvatrazionecaratteristicadiunacciaiodolcepuessereconvenzionalmente distintainquattrozone.Laprimadettazonaelastica. Inessavalidalaleggedi Hooke, e si ha quindi unaproporzionalitdirettafraed attraverso il modulodiYoungE.Se,incorrispondenzadi qualsiasi carico, si interrompe la provaesifaritornareil caricoazero,tutte le deformazioni sono completamente recuperate, in modo chesulprovinononrimanetracciadella precedente sollecitazione . Tutto ci finoacheilcaricononaggiungeilcaricounitariodisnervamentosuperiore.Da questopunto inizia la zona di snervamentoedinizianole deformazioninon reversibili, enonpirecuperabili,ancheseilcaricoesternovieneriportatoa0.Lazonadello snervamento caratterizzatada un aumento della deformazione con un carico che pu esserecostante,oppurevariareinmodopiuttostosensibilesempreperintornoadun valoremediocostante.Talecomportamentodovutoallamodalitmicroscopicadi deformazione,basatasuprocessidimovimentazione,moltiplicazioneesuccessivo arrestodelledislocazioni,cheaumentanonotevolmenteindensit(anchedueordinidi grandezza). Appena i processi che intervengono nella zona dello snervamento cessano di agire,inizia la zona detta di incrudimento. In questa fase il processo di deformazione non piaffidatoallamovimentazionedelledislocazioni,cherisultanocompletamente bloccate,maalloscorrimentodiinteripianicristallinidimassimadensit.Durante lincrudimento,ilcaricoricominciaacrescere,conladeformazionechecontinuaad aumentare inmodoirreversibile. La parte della curva corrispondenteall'incrudimentopuesseredescrittamedianteunacorrelazionedeltipo: kn,ove"n"la pendenzadellacurvanelpiano"ln()-ln()".Infattilapendenzadellacurvanel piano " - " pu essere ottenuta nel seguente modo: ( ) ( )( ) ( )nddddddn lnln Materiale Trattamentonk [MPa] Acc. 0.5% CRicotto0.26530 Acc.0.6% CBonif. 540 C0.101570 Acc.0.6% CBonif. 705 C0.19 1230 Rame Ricotto0.54320 OttoneRicotto0.49900 Figura 2 Capitolo 5 Metodi di prove meccaniche Compendio di Metallurgia 37Nellafasedell'incrudimento, sicominciaadevidenziaresul provinoilpuntodellafutura rottura: sihaunadeformazionelocalizzatainunbrevetrattodel provino,checominciaapresentareunastrizionesempre piaccentuata(figura3).Tale strizionecoincideconuna diminuzionedellasezione effettivasucuiagiscela sollecitazioneapplicata.Quando la riduzione relativa dell'areadellasezionetrasversalediventapari all'aumentorelativodella sollecitazionesihaunmassimo neldiagramma-in corrispondenza di Rm(ove persi intende il rapporto F/S0 ).Daquestopuntoinizialazonadettadellosnervamentolocale,incuiaduna diminuzionedella sollecitazione applicatacorrisponde un aumento della deformazione. Questo sembrerebbe insensato se non si ricordasse che si sta considerando un diagramma - , ove il rapporto fra carico e sezione iniziale S0 . Questa lacosiddetta curva ingegneristica.SesiconsideralasezioneveraSincorrispondenzadellastrizionesi ottienelacosiddettacurvareale.Talecurvadifferiscedallaprecedenteperquanto riguarda l'ultima parte , che segue un andamentosempre crescente. Ilpassaggiodallacurvarealeallacurvarazionalepuessereeffettuatoinparte basandosi su ragionamenti geometrici, in parte ricorrendo a misure effettuate in maniera particolare. Ricordando la definizione di deformazione LL LdLLL0 010

sipudefinireunadeformazionepercentuale"vera"incuiloscartopercentuale vienefattoriferiresempreallalunghezza effettiva del provino: *ln

_,

dLLLLLL00 Dato che( ) + +LLLL0 01 1 1*lnDato che tutte le deformazioni che si consideranosonoavolume costante, si ha che A L ALLLAA0 000 Se con * si indica la sollecitazione nel diagramma razionale,si ha che ( ) * +FAFAAALL0001 Figura 3 Metodi di prove meccanicheCapitolo 5 Compendio di Metallurgia 38Dalleespressioniprecedentisipuosservarecheperpiccolivaloridi la curva razionaleelacurvarealecoincidono, mentre, per valori di nonpitrascurabili,praticamentedallo snervamentoinpoi,lacurvarazionalespostai puntirappresentatividellaprova versol'altoeverso sinistra (figura 4).Tuttocivalidoconbuona approssimazione finoalpunto in cui,nelcorrispondentediagramma reale,sihailmassimo.Daquesto puntoinpoiladeformazione localizzatanonpupiessere descrittadalsuddettomodello,invirtpropriodellasua localizzazione:perpoteravereildiagrammarazionalefinoa rottura si deve "localizzare" la raccolta dei datiriguardantiladeformazione, utilizzandodegliestensimetri collocatiinmododadarela deformazionepercentualeriferita esclusivamenteallazonadi strizione,enonatuttalalunghezza del provino. Questoappenaespostoilcasopigeneralechesipu presentare,manoncertamente l'unico. Infatti si pu avere, nel caso dimaterialifragili,unacurva costituitasolamentedallaparte lineare.Oppuresipuavereuna zonadisnervamentosenzacadutadicaricooppuresenza "seghettatura".Sipuavereuna curva senza snervamento,incui si ha un passaggio diretto dalla zona dideformazionelineareaquelladi deformazione con incrudimento. Si pu inoltre avereuna curva senza una vera e propria parte lineare elastica . Figura 4 Capitolo 5 Metodi di prove meccaniche Compendio di Metallurgia 39Nelcasononsiabbia un carico di scostamento dalla proporzionalit ben evidente,vienedefinitouncaricounitariodiscostamentodallaproporzionalit convenzionalecorrispondenteadunadeformazionepermanentep.e.dello0.2% (figura5).Dasottolinearelaconvenzionalitdiuncaricocosdefinito:la deformazionechesiottiene infatti non completamente reversibile,ediquestosenedevetenerecontoinsede progettuale. La determinazione di tale caricoviene fatta,secondolanormaUNI556parteterza,tracciandounarettaparallelaallaparte rettilineadelprimotrattodellacurvaditrazione,adunadistanza,misuratasulleascisse e, pari alla percentuale di deformazione prescritta (p.e. lo 0.2%). Se durante la provaditrazionesiinterrompel'applicazionedelcaricoprimadellarotturadel campione, la curva - seguirunarettaconlastessa inclinazionedellapartelineare elastica.Selaprovavienequindiinterrottanellazonaelastica,nonsiavranno deformazioni permanenti.Se,dopoavereinterrottola provaditrazionein corrispondenzadiunaperil qualeilmaterialesubisce incrudimento,siriapplicailcarico,lacurva- che si ottiene decisamente diversa dallaprecedente:inquestocasoilmaterialemetallicomostrauncaricounitariodi scostamento dalla proporzionalit decisamente superiorealprecedentecaso.Ilmateriale,attraversoil precedenteincrudimento,acquistalacapacit di sostenere maggioricarichisenzadeformazioniresidue.L'aumentodelcaricounitariodi scostamentodallaproporzionalitdiunmaterialeinseguitoalladeformazione plastica preliminare definito incrudimento, e si usa molto nella tecnica, p.e. nel caso di lamieredirameodiottone(laminateafreddo),oppurenelcasodicatene,cavi, cinghie,spesso "stirate" con carichi che superano i carichi di lavoro. Per ladeterminazionedell'allungamentoarotturaA, sideve effettuare la misura della distanza fra i riferimentideltratto utile sia prima della prova ( L0) che a rottura avvenuta ( L ), misurando in quest'ultimo caso la lunghezza delprovinoottenuto unendonelmodopiaderentepossibileleduefaccedella frattura. La norma prevede che il puntodirotturadevesituarsiall'internodeltrattoutile,edistaredalriferimentopi vicinoalmenounterzodellalunghezzaultimadelprovino.Qualoracinonsi verificasse, il valore di A ottenuto sar minore diquello reale. Onde evitare di scartare i risultatidiproviniincuiilpuntodirottura,pureverificatosineltrattoutile,non risponde alla suddetta condizione, si pu procedere con il seguentemetodo:ricordandocheilprovinostatopreventivamente suddiviso in N parti uguali, dopo la prova sidesignaconAilriferimentoinizialedellospezzonepicortoeconBquellodello spezzone pi lungo la cui distanza dal punto di rottura lapi prossima a quella fra il punto di rottura ed il riferimento A. Se n il numero di intervalli tra A e B, il valorediA viene determinato nel seguente modo: -seN-nunnumeropari,simisuraladistanzafraAeBeladistanzadaBalla divisione C situata a N n 2 intervalli da B ; il valore di A dato da Figura 5 Metodi di prove meccanicheCapitolo 5 Compendio di Metallurgia 40AAB BC LL+ 100200 -seN-ndispari,simisuraladistanzadaBdelleduedivisioniC'eC''situatea N n 12 e N n +12 intervalli da B; il valore di A dato daAAB BC BC LLI II+ + 10000 Tuttelegrandezze ottenibili con la prova di trazionenon sonofunzione solamentedella composizione chimica del materialeconsiderato: esse varianocon lecondizionidiprovae con gli eventuali trattamenti termomeccanici subiti dal materiale(si deve ricordare l'eccezione costituita dal modulo di Young , che non varia al variare del trattamento termomeccanico subito dal materiale). Considerando le condizioni di prova,siosserva chel'influenza maggiore sui risultati dovuta alla temperatura ed allavelocit di prova (ed infatti la normativasicuradifissareinmodounivocolintervallodivariabilitdellaseconda,edi raccomandare di riportare accuratamente la prima nel rapporto finale). Materiale Rm [MPa] R el [MPa] A% E [MPa] C14340-44023528206000 14CrMo3440-57029422206000 28CrMo125740-88056014= 14CrMo910470-630>25519206000 G20Mo544024520= Ghisa grigia non legata=2941= Ghisa nodul. ferr.46130417 CuNi20Fe3611273990000 Inconel X1140628== Al-Cu-Mg4222752241000 2. Prova di durezza La durezza pu essere definita in vario modo a seconda del materiale considerato. Si pudefinirecomedurezzalaresistenzaallascalfittura,laresistenzaall'abrasione,la resistenza alla deformazione permanente sotto l'azione di un penetratore cui sia applicato un carico dinamico o statico. Nel campo dei metalli si definisce come durezza la resistenzache il metallo preso in considerazione oppone all'azione di un penetratore cui sia applicato un carico statico. Asecondadelpenetratore,dellemodalitdiprovaedellamodalitdianalisidei risultati, si possono definire diverse prove di durezza, normalizzate nella normativa UNI. Da sottolineare che quelle che verranno esposte nel seguito non sono le uniche prove di durezzaesistenti,malealtrehannoperimetalliuninteressesolostorico,oppuresono state escogitate per altre classi di materiali. Caratteristicacomunedelleprovecheverrannodescritte,cheilpenetratore normalmentedeveagiresuunasuperficielisciaepiana,esentedaossidiedimpurezze superficiali.Qualorasieffettuinoprovesusuperficinonpiane(superficicilindriche Capitolo 5 Metodi di prove meccaniche Compendio di Metallurgia 41convesse o concave, superfici sferiche )le normative riguardanti la prova Vickers e la prova Rockwell forniscono delle tabelle all'interno delle quali sono contenuti i valori di correzione,mentrelanormativariguardantelaprovaBrinellnonforniscenessuna indicazione.

2.1. Prova di durezza Brinell Nellaesposizioneditaleprovasifarriferimentoallanomenclaturaedalle indicazioni contenuti all'interno della norma UNI 560-75. La prova consiste nel far penetrare nel pezzo in esame una sfera di acciaio molto duro didiametro"D"medianteuncarico"F",enelmisurareildiametro"d"dell'impronta lasciata dal penetratore sulla superficie del pezzo, dopo avere tolto il penetratore. Laprovadeveessereeffettuataevitandochelamacchinadiprovasubiscaurtio vibrazioni, portando il penetratore a contatto con la superficie di prova (che deve essere pulita, priva di corpi estranei superficiali e di ossidi),applicando gradualmente il carico fino a raggiungere il valoredi prova, che va mantenuto per 10-15s(amenodiaccordidiversinelcasodimaterialinon ferrosi: in tal caso il diverso valore del tempo di applicazione del carico va segnalato nella relazione finale). L'improntachesiottienedeverispondereadeterminate caratteristiche : -lasuaprofonditnondeveesseremaggioredi1/8dello spessore del pezzo; - la distanza fra il centro dell'impronta e l'orlo del pezzo non deve essere inferiore a 2.5 volte il diametro dell'impronta; -Ladistanzafraicentrididueimprontevicinenondeve essere minore di 4 volte il diametro dell'impronta. TuttequesteprescrizionisonoimpostedallanormaUNIconloscopodievitare l'arricciamentodegliorli,ilrigonfiamentodelpezzo,l'influenzareciprocafradiverse impronte: queste sono eventualit che inficerebbero la validit dei risultati ottenuti. Misuratoildiametrodell'improntadelpenetratore,ilvaloredelladurezzaBrinell (HB) data dalla formula: [ ]HBFD D D d 0102 22 2. ove[F] = N[D] = [d] = mm I valori normali di F e di D sono F = 29400 N (=3000 Kgf) D = 10mm Sesidebbonoutilizzaresferedidiametrominore(permotivilegatialrispettodelle raccomandazionisopraelencate),ondeottenererisultaticonfrontabili,sideve agire in condizioni di "similitudine geometrica".Se infatti il carico di 29400 viene applicato ad unasferadidiametroinferioreaquellonominale(p.e.2mm),ladistribuzionedella pressioneesercitatadallasferasulpezzoinesamesardecisamentediversa da quella che si ha nel caso di sfera di diametro nominale, con la conseguenza che i valori di HB Figura 6 Metodi di prove meccanicheCapitolo 5 Compendio di Metallurgia 42che si ottengono non sono confrontabili. Quindi si dovr variare il carico in modo da far s che l'angolo 2 che si ottiene sia costante (figura 6).Disolitosirinunciaadavereunangolodipenetrazionecostanteperledifficolt esecutive che tale obiettivo pone: la normativa infatti prevede che si effettui la prova con unvalorecostantedelrapporto FD2. Tale rapporto pu assumere i valori 30, 20, 10, 5, 2.5, 1.25, 0.5: i valori pi alti sono utilizzati nel caso di metalli molto duri, viceversa i valori pi bassi sono utilizzati per i metalli meno duri. La scelta di questa costante viene fattainbasealrapportod/D.LanormaUNIindicacomepocoattendibiliivaloridi durezza ottenuti con un rapporto d/D esterno all'intervallo 0.25 0.5. Tale limitazione si riflettedirettamenteinunalimitazionesull'angolodipenetrazione,omegliosul semiangolodipenetrazione,pariall'arcos(d/D).Diconseguenzal'angolodi penetrazione 2 deve essere compreso fra 120 e 151 . LanormativasconsigliadiutilizzarelaprovaBrinellaldisopradi450HB:intal casosiconsigliadiutilizzare un penetratore pi duro in carburo diwolframio, facendo bene attenzione a ricordare che il valore ottenuto rientra in scala diversa, segnalando ci in una eventuale relazione finale (usando il simbolo HBW). LaprovaBrinellunisceallasuarapiditedeconomicitedalsuocaratteresostanzialmentenondistruttivo,lapossibilitdilegare,conunarelazioneempirica,la durezza alla resistenza alla trazione. Tale relazione ha la forma : R = h HBove "h" assume valori diversi a seconda della classe di materiali metallici considerati (p.e. nel caso di acciai da costruzione h=1/3). 2.2. Prova di durezza Vickers PerquantoriguardalaprovaVickers,sifarriferimentoallanormaUNI1955-75. Tale prova si svolge secondo modalit simili a quelle della prova Brinell, differendo da essa principalmente per il penetratore. Questocostituitodaunapiramideretta,abase quadrata, di diamante, con l'angolo al vertice (angolo fra duefacceopposte)di136(figura7).Ataleangolo corrisponde un rapporto d/D pari a 0.375. Tale valore esattamentealcentrodell'intervalloconsigliatodalla normaUNIriguardantelaprovaBrinell.Laprova Vickerssisvolgequindiincondizionidisimilitudine geometrica, con un angolo di penetrazione costante. Nelcasodicondizioni"normali",laprovasisvolge applicando un carico di 294 N ( = 30 Kgf) per 10-15 s. Possono essere anche usati carichi diversi, ma sempre compresi nell'intervallo 49-980 N ( = 5-100 Kgf ) . La durezza Vickers data dalla formula: HV = 0.189 F/d2

ove d la media fra le due diagonali dellimpronta. LaconversionefravalorididurezzaVickersottenuticonvarivaloridelcarico applicato,oppureottenuticondiversitipidiprove,affidataatabelleedarelazioni empiriche di limitata validit. DasottolinearecheirisultatidellaprovaVickerscoincidonoconquellidellaprova Brinellfinoavaloridicirca300HB-HV (sela prova Brinell condotta in condizioni Figura 7 Capitolo 5 Metodi di prove meccaniche Compendio di Metallurgia 43normali) o addirittura fino a circa 550 HB-HV (se la prova Brinell eseguita in modo da avere un angolo di penetrazione costante pari a 136). 3.3. Prova di durezza Rockwell Per tale prova si fa riferimento alla norma UNI 562-75. Taleprovaconsistenelfarpenetrareinduetempiunpenetratoreunificatoenel misurare l'accrescimento rimanente "e" della profondit dell'impronta .Possono essere definite due diverse scaleB e C a seconda che il penetratore sia una sfera di acciaio temprato e levigato (scala B) o sia un cono di diamante a base circolare con punta arrotondata ed angolo al vertice di 120 (scala C). Il penetratore a cono da usare per materiali aventi durezza Rockwell scala C (HRC) superiore a 20 (solitamente materiali aventi HB>200). Il penetratore a sfera deve essere usatopermaterialicondurezzaRockwellscalaBcompresafra20e100(solitamente materiali aventi HB0.5(scorrimento secondario) i due fenomeni si equilibrano. Quindi: ddtddtc r

_,

_,

Da questa relazione, applicando la legge di Arrhenius, imponendo chen = m + 1si ottiene che: ( ) ln ln ln

_,

_, + pMnDKEnHRT Loscorrimentoviscosoquindiunprocessotermicamenteattivato,favoritodalla applicazione di una sollecitazione. Utilizzando lespressione precedente, e la relazione

_, pMtr = cost si pu mostrare che il parametro di equivalenza : PTRHtDr

_,

1 231.ln costante per un rapporto /E costante. Unalegapuquindiesserecaratterizzatadaunacurvadiscorrimentochelegala sollecitazione a rottura al parametro di equivalenza. Tutti gli ostacoli alla restaurazione favoriscono la tenuta allo scorrimento viscoso: - struttura cristallina compatta (EC oppure CFC); - presenza di precipitati stabili termicamente; - dato che la rottura avviene essenzialmente per decoesione intergranulare, la presenza dei bordi grano negativa; da questa considerazione ha origine lo sviluppo di metalli a solidificazione orientata o monocristallini. Capitolo 6 Diagrammi di equilibrio Compendio di Metallurgia 57 Capitolo 6 Diagrammi di equilibrio Imetallisonoraramenteutilizzatiallostatopuro,mapiuttostosottoformadi leghe. Lo stato di equilibrio termodinamico delle leghe metalliche si studia mediante i diagrammi di fase. Questi diagrammi sono importanti in quanto fanno riferimento ad unostatodiriferimentodefinito,eperchrappresentanolostatoversoilqualeil sistema tende ad evolvere. Leleghemetallichesonodeisistemimonoopolifasiciciaventidellepropriet generalisimiliaquelledeimetallipuri.Essecomprendono2,3,...,nelementi (metallicionon).Essipossonoesserestudiatiallastreguadisistemifisicilacui varianza data dalla relazione di GIBBS: = n + 1 - = numero delle fasi Ineffetti,ifattoridiequilibriosono la composizione chimica delle fasi presenti e la temperatura. La pressione, che ha poca influenza, supposta costante e pari ad una atmosfera. Ci interesseremo quasi unicamente delle leghe binarie per le quali n=2 e quindi = 3 - Lacomposizionechimica globale data dal tenore di ogni elemento.Essasiesprimein massa%oppureinatomi%di ciascunodeglielementi.Essa sar rappresentata sull'asse delle ascisse dei diagrammi di fase. Latemperaturasar rappresentatasull'assedelle ordinatedeidiagrammidifase. Considerandocostantela composizionechimicaglobale XdiunalegaA-B,essasar rappresentatadaunaverticale nel piano T, X e caratterizzer la lega studiata. 1. Diagramma schematicoAlfinedidareunaprimaideadell'aspettodiundiagrammadifase, schematizziamoilcasofittiziodiunalegabinariaA-Bmettendoinevidenzai domini mono, bi e trifase in accordo con la varianza = 3 - (figura 1). Intalediagrammafittizio,glielementiAeBpresentanoognunodueforme cristallinedenominateAeA',daunaparte,eBeB',dall'altra.Ildiagramma presenta 7 fasi differenti: fase liquida l; : soluzione solida primaria di B in A ; Figura 1 Diagrammi di equilibrioCapitolo 6 Compendio di Metallurgia 58' : soluzione solida primaria di B in A' ; : soluzione solida primaria di A inB ; ' : soluzione solida primaria di A in B' ; :soluzione solida intermediaria ; AmBn: composto intermetallico. Idominimonofasici,aiqualisideveaggiungerelaverticaledelcompostoAmBn

sonotratteggiati.Tuttiglialtridominisonobifasici,apartelelineeorizontalisulle quali sono in equilibrio tre fasi. Lacurvaaldisopradellaqualenonpresentealtrocheliquidodenominata liquidus.Lacurvaaldisottodellaqualenonpresentealtrochesolidodenominata solidus. 2. Regole di interpretazione e di lettura dei diagrammi di fase. Domini monofasici (