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METALLI-

Acciai e Ghise

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Metalli

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Da W.F. Smith”Sscienza e tecnologia dei materiali”, McGraw-Hill.

Metalli

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Leghe Metalliche

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Leghe Metalliche

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Leghe Metalliche

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Leghe Metalliche

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2 %

Leghe Metalliche

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Il nucleo terrestre è prevalentemente composto da Fe e Ni e la presenza di ferro nelle meteoritisuggerisce che questo elemento sia abbondante in tutto il sistema solare.I minerali principali sono l’ematite Fe2O3, la magnetite Fe3O4, la limonite FeO(OH), lasiderite FeCO3 e la pirite FeS2.

L’estrazione del ferro ha giocato un ruolo importante nello sviluppo della civiltà moderna.L’età del ferro cominciò quando l’uomo trovò come usare il carbone da legno, per estrarre ilferro dai minerali e come usarlo per fare utensili. La rivoluzione industriale cominciò quandonel 1773 in Inghilterra si sviluppò un processo che usava carbon coke invece di carbone dalegna.

Il ferro viene estratto dai suoi ossidi negli altiforni che sono costituiti da forni alti fino a 40 mquasi cilindrici (diametro ca. 15 m) rivestiti con mattoni refrattari che lavorano in continuoIl ferro e’ utilizzato in quantità maggiori di ogni altro metallo e la produzione di acciaio è digrandissima importanza per tutto il mondo.

Tutte le leghe Fe/C contenenti meno del 2% di C vengono chiamate acciaio; se il contenutodi C è compreso tra il 2 e il 4.3% si ha la ghisa.Il ferro puro è di colore argenteo, non è molto duro ed è piuttosto reattivo.Il metallo finemente diviso è piuttosto piroforico. L’aria secca ha scarso effetto sul Fe massivo,ma l’aria umida ossida piuttosto rapidamente il metallo ad ossido di ferro idrato(ruggine), che forma uno strato non-aderente, che si stacca in scaglie, esponendo nuovamenteil metallo all’attacco dell’aria umida.

Ferro

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Ferro

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Il Ferro puro, oltre alla fusione,presenta due trasformazioni di fase allostato solido.Le temperature corrispondenti sonoindicate con A3 ed A4.

A 770°C il ferro da ferromagneticodiventa paramagnetico senza cambiareforma cristallina (punto di Curie)

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Elementi di Lega

Ferro

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Ferro

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Metallurgia Estrattiva

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Acciaio

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Acciaio

Tour Eifell: 1889

Produzione Acciaio e Ghisa

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Altoforno

Altoforno

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•La ghisa grezza e il 30% dirottame di acciaio viene caricatain un convertitore conrivestimento refrattario nel qualeè inserita una lancia per ossigeno•L’ossigeno reagisce con il bagnoliquido per formare ossido di ferroFeO + C Fe + CO•Vengono aggiunte addensanti discorie•Il contenuto di carbonioe di altre impurità viene abbassato•L’acciaio fuso viene colatocontinuamente e formato indifferenti forme

Convertitore

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Categorie di Acciai

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Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe3C)

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Diagramma Fe-C(sistema stabile)Per analizzare processi diraffreddamento delleghise grigie (o grafitiche).

Diagramma Fe-Fe3C(sistema metastabile)Per analizzare processi diraffreddamento delleghise bianche (ocementitiche).

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Diagramma di stato Fe-Fe3C

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Diagramma di stato Fe-Fe3C

Ferrite α +Cementite

Austenite +Cementite

Ferriteα

Austenite +Liquido Liquido +

Cementite

Ferrite δ

Austenite

Ferrite δ +Liquido

Ferrite δ +Austenite


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massima solubilità del C: 2.1% a 1148°C.


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Stutture eutettiche

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Struttura peritettoidica: Austenite γSoluzione solida interstiziale di C nel ferro γ. 33

Diagramma di stato Fe-Fe3C semplificato

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Gli acciai e le ghise convenzionalmente sono due diversi materiali ferrosiindividuabili dalla linea tratteggiata rossa che corrisponde per un sistemabinario alla composizione di 2.11% in C. Le ghise formano durante lasolidificazione una fase grafitica o cementitica.


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Raffreddamento acciaioeutettoidico

(Da W.F. Smith”Structure and properties of engineeringalloys”, McGraw-Hill.) 38

Raffreddamento acciaio ipoeutettoidico

(Da W.F. Smith ”Structure and properties of engineering alloys,”McGraw-Hill.) 39

Raffreddamento acciaio ipereutettoidico

(Da W.F. Smith”Structure and properties of engineering alloys”,McGraw-Hill.) 40

Raffreddamento acciaiInfluenza tenore di C sulla microstruttura

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Trattamenti termici degli acciai

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Trattamenti termici degli acciai

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Decomposizione Isotermica dell’Austenite

Acciaio al carbonioipoeutettoidico

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A1: austenite → perliteA3: austenite → ferrite α

Trasformazioni BainiticheSe la temperatura di raffreddamento veloce è compresa tra 550°C e 250°C, si formauna struttura intermedia detta bainiteLa bainite contiene una struttura eutettoidica non lamellare di ferrite α e cementiteBainite superiore tra 550°C e 350°CBainite inferiore tra 350°C e 250°C

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• Martensite: fase metastabile composta da una soluzione solida supersaturadi C nel ferro CCC o ferro tetragonale CCC

• Causata dal raffreddamento rapido di acciaio austenitico a temperaturaambiente (tempra)

Ms temperatura di martensite start Mf temperatura di martensite finish

•Martensite aciculare: meno di 0.6% C,composta da domini ad aghetti conorientamenti diversi•Martensite a placchette: più di 0.6% C,hanno una struttura fine con presenza digeminati

Tipo aciculare

Tipo a placchette

Trasformazioni Martensitiche

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(Da A. R. Marder G. Krauss,“Hardenability Concepts withApplications to Stell,”AIME, 1978, p 238)

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Trasformazioni Martensitiche

(Da E. R. Parker e V. F. Zackay,” Strong and ductile Stells,”Sci. Am., november 1968, p. 36.)

Reticolo tetragonale a corpo centrato con carbonio interstiziale

Diagrammi TTT

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Diagramma CCT

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Trattamenti Termici degliAcciai

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RICOTTURA

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Temperatura eutettoidica:

Perlite grossolana

Perlite fine

Martensite e Perlite

Martensite


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Elevata tenacità


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Trattamenti Termo-Chimici degli Acciaiper l’indurimento della superificie

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Classificazione degli acciai Designazione alfa numerica UNI EN 10027

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Classificazione degli acciai Designazione alfa numerica UNI EN 10027

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Zolfo, Foforo, Ossigeno e Idrogeno peggiorano le proprietà del materiale.

Per superare i limiti degli acciai al carbonio sono stati sviluppati gli acciai legati contenenti elementi di lega per migliorare le proprietà.

Acciai Legati

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GHISE• Proprietà generali: contiene 2-4% C e 1-3% Si• Facilmente fusibili, molto fluide, basso ritiro, facilmente

lavorabili alle macchine utensili• Bassa resistenza all’impatto e duttilità• Tipi di ghise:

ghisa bianca ghisa grigia ghisa sferoidale ghisa malleabile

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GHISAIron Bridge (Regno Unito): primo ponte in ghisa 1779

• La maggior parte del carbonio forma carburo di ferro anzichégrafite durante la solidificazione

• La superficie di frattura appare bianca e cristallina• Basso contenuto di carbonio (2.5 – 3%) e di silicio (0.5 –

1.5%)• Eccellente resistenza all’usura

Carburo di ferro

Perlite

GHISA Bianca

Per Concessione della Central Foundry 61

GHISA Grigia• Il carbonio eccede il contenuto che può essere disciolto

nell’austenite e precipita come lamelle di grafite• La superficie di frattura appare grigia• Eccellente lavorabilità alle macchine utensili, durezza e

resistenza all’usura, e capacità di smorzamento dellevibrazioni.

• 2.5 – 4% C e 1 – 3% Si (promuove la formazione di grafite)

Lamelle digrafite

(Da Metals Hanbook, vol.7, 8° ed., America Society for Metals, 1972, p 82.) 62

GHISA Sferoidale• Ha i vantaggi di ottenimento delle ghise e i vantaggi

tecnologici dell’acciaio.• Buona fluidità, colabilità, lavorabilità e resistenza all’usura• Elevata resistenza meccanica, tenacità, duttilità e temprabilità

(dovuta agli sferoidi di grafite)• 3-4% C e 1.8 – 2.8 % Si, basse impurezze• Microstruttura tipo occhio di bue


GHISA Malleabile• 2-2.6 % C e 1.1 – 1.6% Si• La ghisa bianca viene riscaldata in un forno di

malleabilizzazione per trasformare i carburi in grafite• Si formano noduli di grafite irregolari• Buona colabilità, lavorazione alle macchine utensili, media

resistenza meccanica, tenacità e uniformità


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Metalli

Au 6000 BCCu 4200 BCAg 4000 BCPb 3500 BC

Sn 1750 BC Fe 1500 BC

Hg 750 BCZn 1500Ni 1751Mg 1755 Al 1825Ti prima tecnica di produzione: 1940

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MetalliFerro Allumini

oMagnesio Nichel Ram

eTitanioSimbolo Fe Al Mg Ni Cu Ti

Numero atomico 26 13 12 28 29 22Peso atomico 55.85 26.98 24.31 58.71 63.54 47.90Densità (g/cm3) 7.87 2.70 1.74 8.90 8.96 4.51Temperatura di fusione(°C)

1536 660 650 1453 1083 1668

Resistività a 20°C (µΩ⋅cm)

10.1 2.67 160 6.9 1.694 54

Conducibilità termica(W/mK)

78.2 238 7.8 88.5 397 21.6

Modulo elastico E(MPa)

205 66.6 45 210 117 105Carico di rottura R(MPa)

400 55-91 185-232 310-400

216 365Carico di snervamentoRs (MPa)

200 20-50 69-100 60-150 48 270

Allungamento a rotturaA (%)

21 55 4-6 40 48 35

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Alluminio

Numero atomico Z: 13Massa Atomica: 26.981538 g/molDensità: 2.70 g/cm3

Punto fusione: 660°C

L’alluminio è il metallo più abbondante sulla crosta terrestre (8.3% in peso) ed è ilterzo elemento più abbondante dopo ossigeno e silicio.

Non si trova libero in natura; il suo minerale più importante dal punto di vistacommerciale è la bauxite Al2O3·xH2O (x = 1÷3).

Le riserve sono immense e distribuite su una grande fascia geografica nelle regionitropicali e subtropicali in grandi giacimenti a cielo aperto (Australia, Guinea, Brasile,Giamaica).

È leggero, non tossico, ha una alta conducibilità termica ed elettrica, unaeccellente resistenza alla corrosione e non è magnetico. È malleabile (secondosolo all’oro) e duttile; lui e le sue leghe possono essere facilmente ottenuti intutte le forme possibili.

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La sua capacità di resistere alla corrosione è legata alla formazione diun sottile, aderente ed inerte strato di ossido che lo protegge daulteriore ossidazione, permettendogli di conservare le eccellentiproprietà meccaniche.

Alluminio

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L’alluminio puro è tenero e fragile ma diventa molto più resistente quandovengono fatte delle leghe con altri metalli quali rame, magnesio, silicio,manganese ecc..

Ci sono molti usi dell’alluminio e delle sue leghe:

•Come metalli strutturali per aerei, navi, automobili e scambiatori di calore.

•Negli edifici (porte, finestre ecc.).

•Contenitori come lattine per bibite, tubi per dentifrici, fogli di alluminio.

•Utensili da cucina.

•Cavi elettrici: l’alluminio puro conduce per unità di volume circa due terzi dellacorrente elettrica condotta dal rame, ma esso ha soltanto un terzo della densitàdel rame (Al, 2.70 g/cm3; Cu, 8.92 g/cm3).

Alluminio

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• 99% Al + Fe + Si + 0.12% Cu Carico di rottura = 90 MPa utilizzata per produrre lamiere• il manganese è il principale elemento di lega

Al + Fe + Si + 0.12% Cu + 1.25% Mn Carico di rottura = 110 MPa usata per impieghi generali• Al + fino a 5% Mg

Al + 25%Mg + 0.2% Cr Carico di rottura = 193 MPa utilizzata per lamiere per autobus, autocarri e

applicazioni marine

Alluminio: legheSemilavorati senza trattamento termico

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Alluminio: legheSemilavorati - trattamento termico

• Al + Cu + Mg Al + 4.5% Cu + 1.5% Mg + 0.6%Mn

Carico di rottura = 442 MPa applicazioni strutturali aeronautiche

• Al + Mg + Si Al + 1% Mg + 0.6%Si + 0.3% Cu + 0.2% Cr Carico di rottura = 290 Mpa

applicazioni strutturali generali• Al + Zn + Mg + Cu

Al + 5.6% Zn + 2.5% Mg + 1.6% Cu + 0.25% Cr Carico di rottura = 504 MPa applicazioni strutturali aeronautiche

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Alluminio: leghe

In Getto• Al + Si + Cu + Mg

Al + 5% Si + 1.2% Cu + 0.5% Mg Carico di rottura = 220-285 MPa

accessori aeronautici, motori• Al + Si + Mg Al + 7% Si + 0.3% Mg Carico di rottura = 207-229 MPa

cerchioni autocarri, scatole di differenziale• Al + Si + Cu + Mg

Al + 9.5% Si + 3% Cu + 1% Mg Carico di rottura = 504 MPa applicazioni strutturali aeronautiche

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Numero atomico Z: 12Massa Atomica: 24.31 g/molDensità: 1.74 g/cm3

Punto fusione :650°C

E’ il più leggero metallo da costruzione, ha un’eccellente lavorabilità meccanica acaldo e buone caratteristiche di stabilità alla corrosione.E’ più costoso di Al, ma è presente sulla terra in quantità inesauribile facilmentedisponibile (nel mare).I composti di Mg, soprattutto l’ossido di magnesio, sono usati come materialerefrattario nelle fornaci per la produzione di acciaio, metalli non ferrosi, vetro ecemento: resiste ad elevate temperature (1600-1800°C) senza fondere, disgregarsi odeformarsi.

L’utilizzo principale del Mg è come additivo nelle leghe con l’alluminio, che sonoutilizzate soprattutto nelle lattine per le bevande e per alcuni componentistrutturali di automobili e velivoli.

Il magnesio, è spesso usato per la produzione dei cerchioni per le ruote delle auto“cerchi in lega”. Combinato in lega, è usato per le costruzioni elicotteristiche,aeronautiche e missilistiche. Zn e Al ne aumentano la resistenza meccanica.

Magnesio

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NichelNumero atomico Z: 28Massa Atomica: 58.71 g/molDensità: 8.90 g/cm3


Il nichel non è molto abbondante, ma viene prodotto in grandi quantità ed èmolto usato nella preparazione delle leghe, sia con il ferro che con altri metalli.

E’ caratterizzato da una buona resistenza all’ossidazione ed alla corrosione, percui viene usato per i rivestimenti di parti soggette ad ambienti aggressivi.

E’ facilmente lavorabile e saldabile è duttile e tenace anche a basse temperatureed è resistente al calore.

Il Ni aumenta sia la durezza dell’acciaio che la sua resistenza agli attacchichimici.Gli acciai inossidabili contengono fino all’8% di Ni.

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RameNumero atomico Z: 29Massa Atomica: 63.54 g/molDensità: 8.96 g/cm3


Il Cu possiede una gamma di proprietà che nel loro insieme nessun altro materiale di uso industriale può vantare:

• elevata conduttività elettrica e termica•facilità di formatura ed elevata deformabilità sia a caldo che a freddo•facilità di entrare in lega con altri metalli•eccellenti caratteristiche meccaniche che vengono conservate anche a bassissime temperature•buona resistenza alla corrosione in moltissimi ambienti•facilità di elettrodeposizione•facilità di giunzione per saldatura•disponibilità alle colorazioni decorative

Il Cu, dopo Fe e Al, è il metallo più importante dal punto di vista tecnologico;la sua produzione si aggira sui 10 milioni di tonnellate/anno.

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Rame

Oltre metà della produzione del rame è dedicata alla fabbricazione diconduttori elettrici, mentre il restante è essenzialmente impiegato nellafabbricazione di leghe.

Le leghe più importanti del rame sono:• bronzi (in passato: Cu ≥ 70%, Sn ≤ 30%. Adesso: Cu ≥ 70%, altro ≤

30%. )• ottoni (60÷85% Cu, 15÷40% Zn)• leghe da conio (95% Cu, 4% Sn, 1% Zn)• costantane (50-60% Cu, 40-50% Ni, ≈1% Mn) usate per costruire

apparecchiature elettriche da misura in quanto la sua resistenzaelettrica rimane costante in un ampio campo di temperature.

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Titanio

Gioca un ruolo fondamentale come materiale grazie alle seguenti proprietà:•Eccellente resistenza alla corrosione.•Alta conducibilità termica ed elettrica.•Ottimo rapporto resistenza/peso; più resistente e più leggero dell’acciaio.

Il Ti ha una resistenza (662-862 MPa) che è tre volte quella dell’acciaio purpesando solo il 42% di quest’ultimo e ciò lo rende il materiale ideale comecomponente per leghe impiegate nella costruzione di aerei, missili e veicoli aereo-spaziali. E’ inoltre capace di sostenere alte temperature (p.f. 1667 °C).E’ chimicamente inerte e grazie alla sua eccellente bio-compatibilità viene usatocome materiale per protesi mediche e in gioielleria.

Il Ti raramente si trova in natura allo stato elementare, i minerali più importanti sonol’ilmenite FeTiO3 ed il rutilo TiO2.

Numero atomico Z: 22Massa Atomica: 47.90 g/molDensità 4.51 g/cm3

Punto fusione 1668°C

metalli acciai e ghise - martino colonnamartinocolonna.people.ing.unibo.it/fond chim...

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