Esercitazione di metallografia Osservazione e studio dei costituenti strutturali e della...

Esercitazione di metallografia

Osservazione e studio dei costituenti strutturali e della microstruttura dei materiali metallici.

Finalità principali:• Valutazione degli effetti sulla microstruttura di trattamenti termici, termochimici, termomeccanici e di deformazioni plastiche a caldo o a freddo;• Individuazione di difetti quali microvuoti, inclusioni non metalliche (ossidi, solfuri) o cricche;• studio della correlazione fra microstruttura e caratteristiche meccaniche.

Possiamo dividere l’indagine metallografica in due branche principali:• la Macrografia, cioè l’osservazione a basso ingrandimento (1x-10x);• la Micrografia, ovvero l’osservazione ad ingradimenti più elevati (da 50x a 1000x, per quanto riguarda il microscopio ottico)

Lo schema di lavoro sia per la macro che per la micrografia può essere riassunto nei punti seguenti:

1. Scelta e prelievo del campione;2. Eventuale inglobamento;3. Levigatura meccanica;4. Lucidatura meccanica o elettrochimica;5. Attacco metallografico chimico o elettrochimico;6. Osservazione macro e/o microscopica;7. Documentazione (Foto, note, etc.).


Per la macrografia i punti 4, 5 e 6 possono essere addirittura soppressi e l’osservazione può avvenire ad occhio nudo o con l’ausilio di semplice lente d’ingrandimento


Scelta e prelievo del campione


Inglobamento

Si utilizzano solitamente resine acriliche termoindurenti che scaldate a temperature dell’ordine dei 150 °C e portate in pressione danno origine ad una reazione di polimerizzazione.

In questo modo si riesce a creare una matrice plastica che ingloba il campione e lo rende più maneggevole per le successive operazioni di lucidatura e attacco chimico, specie se di piccole dimensioni.


Levigatura e Lucidatura

Si utilizzano carte abrasive al carburo di silicio.Si parte da carte di granulometria elevata in modo da sgrossare il campione, successivamente si utilizzano carte sempre più fini, in modo da diminuire sempre più le dimensioni dei solchi lasciati dalle carte.

La fase finale consiste nella lucidatura a specchio della superficie interessata tramite l’utilizzo di un panno su cui è depositata della pasta formata da cristalli di diamante di dimensioni micrometriche.


MICROSCOPIO OTTICO


Attacco Metallografico e Osservazione al Microscopio Ottico

L’attacco metallografico utilizza reagenti chimici capaci di aggredire in modo differenziato le diverse strutture del metallo:• bordi di grano; • fasi diverse;• superfici di separazione fra fasi diverse;• inclusioni;• precipitati;• …

PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHEDEGLI ACCIAI

I principali costituenti strutturali degli acciai sono:

• Ferrite• Perlite• Austenite• Martensite• Bainite

In un acciaio tali costituenti strutturali possono combinarsi diversamente a formare differenti microstrutture. Queste determineranno le principali caratteristiche degli acciai.


Ferrite:

grani poligonali di forma tondeggiante;

aspetto chiaro;

non sembra attaccata ad ingrandimenti non troppo elevati.


Austenite:

grani poligonali maggiormente squadrati rispetto a quelli della ferrite;

presenza di piani geminati;

evidenziabile in acciai inox austenitici, non è una fase stabile a temperatura ambiente.


Perlite:

si presenta in noduli non omogenei formate da laminette alternate di ferrite e cementite;

Negli acciai è difficilmente distinguibile anche con l’ausilio del MO, più evidente nelle ghise;

Negli acciai ipo- i noduli di perlite sono circondati da grani di ferrite; in quelli iper- da placche di cementite.


Martensite:

presenta aspetti differenti a seconda delle tipologie di acciai e di raffreddamento;

In generale si presenta in forme aciculari: cioè ad aghetti e a placchette.


Bainite:

si presenta in forme aciculari;

solitamente in forma di aghetti circondati da una matrice di martensite;

La sua reale struttura si può evidenziare ad ingrandimenti superiori, ad esempio tramite SEM.

MartensiteRinvenuta (Sorbite):

E’ la struttura tipica degli acciai bonificati;

costituita da ferrite aciculare e carburi dispersi;

le dimensioni dei carburi sono troppo piccole per essere risolte al MO.


Ferrite-Perlite:

struttura tipica degli acciai ipoeutettoidici normalizzati;

costituita da noduli di perlite immersi in una matrice ferritica;

il MO non è in grado di risolvere la struttura delle lamelle di perlite, che appaiono quindi come grani uniformemente scuri.


ACCIAIO INOX FERRITICO AISI 430

Sezione trasversale Sezione longitudinale

Sez.trasv. Sez.long.

VALBRUNA 8 mm, 430FR, MG2 (attacco Kalling’s 2)

Sez.trasv. Sez.long.

CARPENTER 11.5 mm, 416, P70 + P/N 107764

(attacco Kalling’s 2)

AISI 440 C - Matrice martensitica con presenza di carburi primari e secondari

LEGA 6061 – BARRA LAMINATA A FREDDO


Perlite:

Per risolvere le lamelle di ferrite e cementite è necessario utilizzare microscopi elettronici.

Le caratteristiche meccaniche della perlite solo legate alla sua finezza, ovvero alla spaziatura interlamellare

MICROSTRUTTUREDELLE GHISE

Ghise:

Leghe ferro – carbonio con tenori di carbonio superiori al 2,15%.Tipicamente. %C: 3 4,5 %.

• Basso punto di fusione (1150 1300 °C)• Elevata fragilità

produzione tramite fusione

Il carbonio a questi tenori può presentarsi sotto forma di cementite o di grafite .

Questo dipende principalmente da 2 fattori:• presenza di elementi grafitizzanti (come il Silicio)• velocità di raffreddamento (basse v favoriscono la grafite)


Ghisa grigia:

%C: 2.5 4 %%Si: 1 3 % (grafitizz)

Carbonio presente in forma di fiocchi di grafite

Fragilità dovuta alla forma allungata dei fiocchi

Buona resistenza usura, basso costo, facilità di colata, basso ritiro.


Ghisa sferoidale:

Carbonio presente in forma di particelle sferoidali

Presenza di magnesio o cerio; controllo delle impurezze (S e P).

A seconda del T T si può avere una matrice ferritica o perlitica.

Maggiore resistenza (R: 350 450 MPa), maggiore duttilità

Alberi, valvole …


Ghisa bianca:

Carbonio presente in forma di cementite

Formazione di cementite promossa da basso contenuto di silicio e alta velocità di raffreddamento

Elevata durezza e fragilità (poco lavorabile)

Cilindri di laminazione


Ghisa malleabile:

Carbonio in fiocchi di forma a “rosetta”

Ghisa bianca portata ad alta temperatura (800 900 °C) per tempi lunghi: Trasformazione della fase instabile cementite in fase stabile grafite.

grafite in forma a “rosette”

matrice ferritica o perlitica

ALCUNE MICROSTRUTTURE PARTICOLARIDEGLI ACCIAI

Acciaio cementato:

Diffusione del carbonio ad alta temperatura

ALCUNE MICROSTRUTTURE PARTICOLARIDEGLI ACCIAI

T1 T2

Acciai Dual Phase

Struttura mistaferrite-martensite;

Tempra intercritica dal campo misto

ANALISI MICROSTRUTTURALE

Cricche da tempra:

Gli sforzi dovuti ad una tempra troppo drastica su pezzi di grande spessore possono portare alla formazione di cricche ed alla rottura del pezzo.

Micrografia elettronica SEM su ago iniettore. AISI 440 C

Project 1 07/01/19 01:19:02 PM

Spectrum processing : No peaks omitted Processing option : All elements analysed (Normalised) Number of iterations = 5 Standard : C K CaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM O K SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM Na K Albite 1-Jun-1999 12:00 AM Si K SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM S K FeS2 1-Jun-1999 12:00 AM Cl K KCl 1-Jun-1999 12:00 AM K K MAD-10 Feldspar 1-Jun-1999 12:00 AM Ca K Wollastonite 1-Jun-1999 12:00 AM Cr K Cr 1-Jun-1999 12:00 AM Fe K Fe 1-Jun-1999 12:00 AM Element App Intensity Weight% Weight% Atomic% Conc. Corrn. Sigma C K 12.44 0.5565 29.85 0.44 53.21 O K 8.92 0.6492 18.36 0.53 24.57 Na K 0.17 0.4866 0.46 0.07 0.43 Si K 0.79 0.7494 1.40 0.05 1.07 S K 0.72 0.9025 1.06 0.05 0.71 Cl K 0.44 0.8128 0.72 0.05 0.44 K K 1.13 1.1108 1.36 0.06 0.74 Ca K 0.85 1.0673 1.07 0.06 0.57 Cr K 17.64 0.9126 25.82 0.29 10.63 Fe K 12.35 0.8288 19.90 0.28 7.63 Totals 100.00

Comment:

Spettro di emissione raggi X e microanalisiSemiquantitativa a ridosso della cricca

Superfici di Frattura di AcciaiFrattura Duttile

Aspetto rugosoe poco brillante


Particolare di unmicrodimple


Inclusione che ha datoorigine al microdimple

Superfici di Frattura di AcciaiFrattura Fragile Intergranulare

In questo caso particolare si tratta di una frattura fragile da idrogeno.

L’ingresso e la successiva diffusione dell’idrogeno nella matrice metallica causa l’infragilimento del materiale che sfocia, tipicamente, in una frattura intergranulare fragile.

Superfici di Frattura di AcciaiFrattura Fragile Intergranulare

Nell’immagine è possibile notarela forma tridimensionale dei granicristallini

Superfici di Frattura di AcciaiFrattura Fragile Transgranulare (Clivaggio)

Superfici di Frattura di AcciaiFrattura Mista

Zona di fratturafragile

Zona di frattura duttile

Superfici di Frattura di AcciaiFrattura per Fatica

Project 1 07/06/19 03:53:33 PM

Spectrum processing : Peak possibly omitted : 1.749 keV Processing option : All elements analysed (Normalised) Number of iterations = 3 Standard : C K CaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM O K SiO2 1-Jun-1999 12:00 AM S K FeS2 1-Jun-1999 12:00 AM Cl K KCl 1-Jun-1999 12:00 AM Ca K Wollastonite 1-Jun-1999 12:00 AM Cr K Cr 1-Jun-1999 12:00 AM Fe K Fe 1-Jun-1999 12:00 AM Ni K Ni 1-Jun-1999 12:00 AM Element App Intensity Weight% Weight% Atomic% Conc. Corrn. Sigma C K 0.51 0.3845 7.51 0.14 17.60 O K 4.81 1.0261 26.73 0.14 46.98 S K 0.36 0.8663 2.39 0.02 2.10 Cl K 0.45 0.7850 3.24 0.03 2.57 Ca K 0.10 1.0694 0.53 0.02 0.37 Cr K 1.94 1.0138 10.90 0.06 5.90 Fe K 7.40 0.8929 47.23 0.14 23.79 Ni K 0.22 0.8424 1.47 0.06 0.70 Totals 100.00

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