Corso di

Metallurgia

Ing. Nadia Ucciardello

Studio: Secondo piano, Edidficio : Ingegneria Industriale,

Tel. 0672597181

Fax: 062021351

E-mail: Nadia. Ucciardello@uniroma2.it

Orario del Corso

Lunedì dalle 11:00 alle 13:00

Mercoledì dalle 11:00 alle 13:00

Orario Assistenza

lunedì,martedì e mercoledì dalle 9.30 alle 11.00 nella stanza n. 2109

Programma del corso

Struttura cristallina dei metalli e delle leghe.

Difetti reticolari (Difetti di punto, Dislocazioni, Difetti di superficie)

Diffusione

Deformazione plastica e superplastica

Meccanismi di rafforzamento nei metalli

Recupero, Ricristallizzazione e Crescita del grano

Siderurgia, Fonderia e Solidificazione

Diagrammi di stato, Diagrammi Fe-C, Fe-Fe3C, principali microstrutture

degli acciai.

Trattamenti termici: Diagrammi CCT. Trattamenti a temperature superiori

ed inferiori alle temperature critiche, trattamenti termochimici di

diffusione (nitrurazione e cementazione).

Prove meccaniche: Prove di trazione, durezza, fatica, resilienza, tenacità

Scorrimento viscoso.

Corrosione

Acciai, ghise, leghe di Alluminio, Titanio, Rame e Magnesio:

Designazione, classificazione, proprietà e applicazioni.

Materiali per alte temperature: Superleghe di Nichel

Metalli refrattari

Testi consigliati: Metallurgia - Walter Nicodemi- Seconda edizione Zanichelli Microstruttura e Proprietà Meccaniche dei Metalli - Roberto Montanari Per approfondimenti sulla metallurgia fisica: R. Reed-Hill, R. Abbaschian -Physical Metallurgy Principles -PWS Publishing Company D.A. Porter, K.E. Easterling- Phase Transformations in Metals and Alloys- Chapman&Hall G.E. Dieter-Mechanical Metallurgy- Mc Graw Hill

Elementi di cristallografia

Difetti reticolari

Struttura dei metalli

Reticoli di Bravais

I metalli, oppure le leghe, presentano una serie di difetti del reticolo

cristallino che diminuiscono fortemente la resistenza meccanica.

Disordine termico

Difetti puntuali: interstiziali, sostituzionali e vacanze.

Difetti lineari: dislocazioni.

Difetti superficiali: bordi di grano,stacking faults, geminati.

Difetti tridimensionali: inclusioni non metalliche, micro e

macro vuoti, stato amorfo.

Disordine termico

In un reticolo reale gli atomi non sono fermi ma oscillano con ampiezza di

oscillazione dipendente dalla temperatura. Anche alla temperatura dello

zero assoluto esiste ancora un movimento termico seppur minimo.

All’aumentare della temperatura aumentano le vibrazioni degli atomi in

ampiezza mentre rimane praticamente invariata la frequenza di vibrazione.

Per quanto riguarda l’ ampiezza di vibrazione si riporta il

caso del rame a tre diverse temperature.

Difetti di punto

Migrazione di vacanze

La migrazione di vacanze avviene quando un atomo occupa una posizione

vacante lasciando libera la sua posizione originaria. Se l’ atomo si muove

dalla posizione A verso la posizione B, originariamente vacante, la vacanza

si muove da B in A. Per far questo movimento si deve superare una

barriera energetica dovuta all’interazione con gli atomi circostanti.

Velocità di migrazione delle vacanze

Poiché si richiede energia ad un atomo per saltare in una posizione con

vacanza, l’equazione che descrive la frequenza di salto è:

dove rV è il numero di atomi che saltano in un secondo in una vacanza, A è

una costante ed Em è l’energia di attivazione (calorie / mole) per muovere 1

mole di atomi in posizioni con vacanze.

Le vacanze hanno un ruolo fondamentale nei processi diffusivi infatti gli atomi

possono muoversi attraverso il reticolo cristallino proprio perché esistono dei

siti vuoti. Al crescere della temperatura cresce la concentrazione di vacanze e

quindi la mobilità atomica (aumenta il coefficiente di diffusione). L’energia di

autodiffusione ED è data dalla somma dell’energia di formazione Ef e di

migrazione Em delle vacanze.

RT

E

v

m

Aer

mfD EEE

Le sorgenti di vacanze nei metalli

Dal momento che l’energia di formazione di un interstiziale è in generale molto più

alta di quella di formazione di una vacanza, i difetti di punto predominanti in

equilibrio termico saranno le vacanze. Pertanto le vacanze di equilibrio non possono

esser create semplicemente per formazione di coppie vacanze-autointerstiziali, le

vacanze vengono originate da sorgenti specifiche e poi diffondono all’interno del

cristallo.

Le sorgenti specifiche di vacanze termiche sono:

1. la superficie libera del cristallo,

2. i bordi di grano,

3. i sub-grani,

4. le dislocazioni,

5. le singolarità puntiformi (vuoti o inclusioni).

Il ruolo più importante lo giocano i bordi di grano. Questi sono sorgenti di vacanze

quando la temperatura aumenta e pozzi di raccolta (sink) quando la temperatura

diminuisce. In risposta ad una variazione di temperatura il principale processo che

determina il riequilibrio termico della concentrazione di vacanze è la migrazione

delle vacanze verso i bordi di grano (diminuzione di temperatura) oppure dai bordi

verso la parte interna dei grani (aumento di temperatura).

Atomi sostituzionali

Si parla di atomi sostituzionali quando nel

reticolo metallico formato da atomi della

specie A una o più posizioni sono occupate da

atomi diversi della specie B. La presenza di

atomi con caratteristiche diverse, in particolare

di diversa dimensione, produce una

distorsione reticolare, tanto maggiore quanto

più alta è la differenza tra le dimensioni degli

atomi dei due tipi.

Come si descriverà in dettaglio più avanti,

questi difetti di punto accrescono le proprietà

meccaniche dei metalli (indurimento da

soluzione solida).

Atomi interstiziali

Gli atomi che occupano posizioni

interstiziali nei metalli sono atomi

non metallici di piccole

dimensioni (H, He, C, B, N, O).

Si possono distinguere posizioni

ottaedriche e posizioni

tetraedriche.

Autointerstiziali

Non è cosa comune trovare atomi della matrice in posizione interstiziale per la

grossa deformazione indotta nel reticolo circostante. La loro energia di

formazione è molto più alta di quella di formazione delle vacanze. Pertanto ad

una data temperatura dovremo aspettarci che la concentrazione di vacanze

sia molto maggiore di quella di autointerstiziali.

Difetti complessi

Quando nel cristallo sono presenti sia vacanze che autointerstiziali in

determinate concentrazioni, può succedere che questi difetti nel loro

movimento interagiscano o annullandosi, come nel caso di una vacanza

con un autointerstiziale, o formando difetti complessi, come nel caso di

aggregazioni di più vacanze o di più autointerstiziali.

Per spiegare la deformazione plastica dei metalli si pensò dapprima al

meccanismo più semplice, cioè lo scorrimento di un piano cristallino

sull’altro.

In fig. vengono rappresentati due piani cristallini sottoposti ad uno sforzo di

taglio . La spaziatura degli atomi in ciascun piano è a, la distanza

interplanare è d.

L’ andamento dello sforzo di taglio necessario a produrre scorrimento può

essere in prima approssimazione rappresentato come una sinusoide di

periodo pari ad a.

DISLOCAZIONI

La discrepanza tra i valori di M calcolati ed quelli osservati sperimentalmente

exp è talmente grande che si è dovuto ammettere che nei cristalli metallici

siano presenti “sorgenti” di debolezza meccanica.

Le cause della debolezza meccanica sono le dislocazioni e lo sforzo critico è

quello necessario per generarle e metterle in movimento.

Diversi tipi di dislocazioni

Le dislocazioni possono essere:

•a spigolo,

•a vite,

•miste.

Sono possibili due tipi fondamentali di movimento delle dislocazioni:

Scorrimento o moto conservativo: la dislocazione si muove sul piano

di scorrimento con un movimento (glide) che non richiede diffusione, ma

solo un riaggiustamento degli atomi nell’intorno delle loro posizioni

reticolari.

Movimento di “climb” o di risalita che è un moto non conservativo: la

dislocazione si muove fuori del suo piano di scorrimento e in una

direzione perpendicolare al vettore di Burgers.

Cross slip

Genesi delle dislocazioni

DEFORMAZIONE PLASTICA

DEFORMAZIONE PLASTICA

Geometria dello scorrimento

Nei cristalli la deformazione plastica avviene per scorrimento di dislocazioni in

particolari piani (piani di scorrimento) lungo particolari direzioni

cristallografiche (direzioni di scorrimento) giacenti nei piani di scorrimento.

Un piano di scorrimento e una direzione di scorrimento definiscono un

sistema di scorrimento.

Il meccanismo dello scorrimento è semplicemente il movimento di

dislocazioni il cui vettore di Burgers giace parallelo alla direzione di

scorrimento.

Alcuni metalli deformano con sistemi di scorrimento diversi a temperature

diverse. Oltre che per scorrimento, alcuni metalli possono deformare anche

per geminazione.

Linee di scorrimento

Se si sottopone a trazione un metallo, la

cui superficie è stata preventivamente

lucidata a specchio, si possono osservare

le linee di scorrimento. Ogni linea di

scorrimento è un gradino, la traccia

lasciata sulla superficie dalla fuoriuscita di

più dislocazioni che si sono mosse su un

singolo piano di scorrimento. Quando

molte linee di scorrimento sono

raggruppate si parla di bande di

scorrimento.

Le linee di scorrimento nei metalli dove la

deformazione ha luogo su un solo gruppo

di piani si presentano come linee diritte

mentre esse sono ondulate nei metalli

dove gli scorrimenti avvengono su più

piani.

Cu (fcc)

Fe-Al (bcc)

Deformazione di monocristalli

Anche se i metalli di interesse per l’ ingegneria industriale sono

principalmente policristallini, per comprendere i meccanismi della

deformazione plastica conviene occuparsi prima dei sistemi più semplici,

cioè dei monocristalli.

Un concetto fondamentale è quello di stress critico c cioè il minimo

sforzo, risolto nel piano di scorrimento e nella direzione di scorrimento,

utile per innescare la deformazione plastica.

Determiniamo per un monocristallo sottoposto a trazione la componente

dello stress applicato nel piano e nella direzione di scorrimento.

è l’ angolo tra la normale al piano di scorrimento e

l’asse di trazione, è l’ angolo tra la direzione di

scorrimento e l’asse di trazione. Essendo A l’area della

sezione normale del cilindro, A/cos è l’area della sezione

contenente il piano di scorrimento; la componente del

carico nel piano di scorrimento nella direzione di

scorrimento è Pcos. Per cui lo stress risolto r risulta

essere:

coscos

cos/

cos

A

P

A

P

r

Una delle prime idee sviluppate per spiegare l’incrudimento fu quella del back-

stress sulle sorgenti dovuto a dislocazioni bloccate da ostacoli presenti nel

cristallo.

Le barriere che bloccano il moto delle dislocazioni possono essere di tipo

diverso:

- precipitati,

- atomi estranei,

- dislocazioni immobili (sessili),

- grovigli di dislocazioni, ecc.

Nei policristalli anche i bordi di grano sono ostacoli importanti per il moto delle

dislocazioni. Trattando di monocristalli, ovviamente, ci si disinteressa di questo

ultimo aspetto.

Sperimentalmente si osserva che le curve - di monocristalli possono

presentare 3 stadi in campo plastico