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MATERIALI METALLICI

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IL LEGAME METALLICO Si può visualizzare questo tipo di legame immaginando un metallo come un reticolodi ioni positivi tenuti uniti da un insieme di elettroni praticamente liberi (tutti glielettroni di valenza di ogni singolo atomo) che formano il cosiddetto “mareelettronico” (o “mare di Fermi”) con funzione di “collante” degli ioni positivi.

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IL LEGAME METALLICO Si può visualizzare questo tipo di legame immaginando un metallo come un reticolodi ioni positivi tenuti uniti da un insieme di elettroni praticamente liberi (tutti glielettroni di valenza di ogni singolo atomo) che formano il cosiddetto “mareelettronico” (o “mare di Fermi”) con funzione di “collante” degli ioni positivi.

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PROPRIETÀ DEI SOLIDI METALLICILa particolare natura del legame metallico rende i metalli:

(1) DUTTILI (estensibili in fili) e MALLEABILI (opposto di fragili): non ci sono infattivincoli elettrostatici o di legame covalente allo scorrimento dei piani atomici;

(2) OTTIMI CONDUTTORI (elettrici e termici): gli elettroni non vincolati del mare diFermi sono alla base della conducibilità elettrica dei metalli, che tende adaumentare al diminuire della temperatura (diminuisce l’interferenza con levibrazioni del solido);

(3) OPACHI E RIFLETTENTI (non trasparenti): gli elettroni sono distribuiti in uncontinuo di livelli energetici, e quindi possono essere assorbiti fotoni di variaenergia.

(4) CON STRUTTURE COMPATTE: ciò è dovuto al fatto che il legame non èdirezionale, e quindi vengono massimizzate le interazioni attraverso l’altacoordinazione.

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I materiali metallici commerciali sono quasi sempre delle leghe, cioè delle miscelesolide di diversi elementi. Questo perché:

LE LEGHE METALLICHE

✔ tutti i metalli, anche i più puri, contengono un certo grado di impurezze chederivano dalle loro materie prime o dai processi produttivi;

✔ altri elementi vengono aggiunti intenzionalmente allo scopo di ottenereprestazioni migliori (resistenza meccanica, migliore resistenza alla corrosione,etc.);

In base al numero di elementi costituenti, le leghe si distinguono in binarie, ternarie,quaternarie, e così via. Per semplicità, nel seguito, saranno prese in considerazionesoltanto le leghe binarie.

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LE LEGHE METALLICHE

= elemento in maggiore quantità (es. lega di piombo,lega di ferro, lega di rame)

METALLO BASE

= elementi secondari che contribuiscono allecaratteristiche della lega.

ELEMENTI DIALLIGAZIONE

N.B. Non sono da confondere con le impurezze.

VARIAZIONE DELLEPROPRIETA’ DELLE

LEGHE

Composizione della lega

Struttura intrinseca

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STRUTTURA DELLE LEGHESOLUZIONI SOLIDE

COMPOSTI INTERMETALLICI

MISCELE MECCANICHE

Nella maggior parte dei casi, nel miscelaredue metalli si ottiene una soluzione solida,con una distribuzione casuale degli atomidei due componenti.

In certe circostanze, nel miscelare duemetalli in precise proporzioni si forma unanuova fase, con una stechiometria benprecisa con proprietà molto diverse daidue metalli puri di partenza.

Si tratta di materiali dove grani dei duemetalli puri vanno a formare un poli-cristallo.

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Il metodo più comune per preparare una lega binaria consiste nel fondere assiemei due metalli nelle proporzioni desiderate, e nel lasciar raffreddare lentamente lamassa fusa. Salvo alcune eccezioni, i vari metalli, allo stato fuso, sono tra lorosolubili in tutte le proporzioni e danno luogo, pertanto, a masse liquide omogenee(soluzioni liquide).

Quando le leghe fuse vengono lasciate raffreddare e solidificare, si possono formarediverse strutture in dipendenza di vari fattori, tra cui assumono notevole importanzala natura del legame chimico e l'intensità delle interazioni che si stabiliscono tra gliatomi delle diverse specie nella lega.

STRUTTURA DELLE LEGHE

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SOLUZIONI SOLIDEDue o più materiali metallici possono formare un'unica fase quando generano unasoluzione solida nella quale gli atomi diversi coesistono in un unico reticolocristallino. Ne esistono di due tipi fondamentali: sostituzionali ed interstiziali.

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SOLUZIONI SOLIDE INTERSTIZIALIQuando la dimensione degli atomi è molto differente, l'atomo più piccolo risulta piùstabile se si colloca negli spazi tra gli atomi (interstizi) della struttura cristallina del piùgrande: si genera una soluzione solida interstiziale.

Quattro sono gli elementi che normalmente si collocano negli interstizi del metallobase: idrogeno, boro, carbonio e azoto.

La solubilità interstiziale, contrariamente a quella sostituzionale, non può mairaggiungere valori elevati, sicché non è possibile ottenere con una certa coppia dielementi una serie continua di soluzioni solide interstiziali. La struttura cristallina dellalega rimane uguale a quella del metallo solvente, ma il reticolo di solito si espande.

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SOLUZIONI SOLIDE SOSTITUZIONALINel reticolo cristallino atomi del soluto rimpiazzano atomi del solvente nelle loroposizioni reticolari. La distribuzione degli atomi di diverse specie tra le varie posizionireticolari è, generalmente, casuale.

La struttura cristallina di queste leghe corrisponde a quella del metallo solvente, maa causa della differenza nei valori dei diametri atomici, si possono verificarevariazioni nei valori dei parametri reticolari, con espansione o contrazione delreticolo. Empiricamente (regole di Hume-Rothery) è stato trovato che due metallidiversi possono formare soluzioni solide primarie per qualunque valore del rapportodi composizione quando hanno: ü dimensioni atomiche non molto diverse (differenze massime tra diametri atomici

dell'ordine del 15%);ü strutture cristalline uguali (isomorfi);ü valori dell'elettronegatività non molto differenti;ü valenze uguali.

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SOLUZIONI SOLIDE SOSTITUZIONALIIl rame e l‘argento costituiscono un esempio di coppia di metalli che soddisfanobene a tali condizioni. Infatti:ü hanno valenze uguali, ü cristallizzano entrambi nel sistema cubico a facce centrate,ü mostrano una differenza tra i diametri atomici attorno al 12%,ü hanno valori dell'elettronegatività praticamente uguali.

Dalla fusione e successiva solidificazione di miscele di rame e argento, con diversirapporti di composizione, si ottiene una serie continua di soluzioni solide, nella cuistruttura cristallina le posizioni a centro delle facce o agli spigoli del cubo sonoindifferentemente occupate da atomi dell'una o dell'altra specie.

Altri sistemi capaci di formare soluzioni solide sostituzionali sono le coppie nichel-rame, molibdeno-tungsteno, oro-platino, cadmio-magnesio.

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Se c’è una differenza sensibile nei valori dell'elettronegatività, si possono formarestrutture complesse nettamente diverse da quelle relative ai due componenti allostato puro ed alle loro soluzioni solide (composti intermetallici), cui possonoessere date formule chimiche.

COMPOSTI INTERMETALLICI

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FERRO, ACCIAI E GHISE

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Il ferro è il quarto elemento del pianeta in ordine di abbondanza, costituisce il 5.1%della crosta terrestre ed è contenuto in quantità variabile in quasi tutte le rocce dellalitosfera.

IL FERRO

Allo stato elementare (Fe) si trova sulla terra nelle meteoriti (sideroliti) e come corpodel nucleo terrestre, di solito accompagnato da altri metalli in lega (nickel e cobalto).Il ferro nativo di origine terrestre è piuttosto raro e contiene sempre del cobalto (1-2%).

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IL FERROI minerali utili nell'estrazione del ferro sono:

ossidi

solfuri

Ematite (Fe2O3) Magnetite (Fe3O4) Limonite (Fe2O3•nH2O) Carbonato di Ferro (FeCO3).

Pirite (FeS) Marcassite Pirrotina

Pirite, l'oro degli stolti

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LE FASI DEL FERROIl ferro puro, al variare della temperatura, si presenta in tre forme allotropiche,diverse per la disposizione degli atomi nel reticolo cristallino.

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LE LEGHE FERRO-CARBONIO

Le tre fasi del ferro sono in grado, in misura diversa, di dar luogo a soluzioni solide con il carbonio.

Inoltre, quando si miscelano 75% di ferro con 25% di carbonio si può formare uncomposto intermetallico duro e fragile detto cementite, Fe3C.

La combinazione di ferro e carbonio porta alla formazione degli acciai e delle ghise.Pertanto, la comprensione di come questi due elementi si combinino a formareleghe metalliche è di importanza fondamentale in metallurgia.

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LE LEGHE FERRO-CARBONIOLe proprietà delle leghe ferro-carbonio (e quindi di acciai e ghise) dipendono dallaconcentrazione di carbonio e dalla struttura atomica.

FERRO in

LEGHE FERROSE

LEGHE NON FERROSE

Il ferro supera il 50% inpeso della lega

Il metallo base è un altro ed il ferro è presente comeimpurezza più o meno controllata.

ACCIAI C ≤ 2%

GHISE 2 ≤ C ≤ 4%

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IL DIAGRAMMA DI STATOSi tratta di una rappresentazione grafica in un piano dei domini di stabilitàtermodinamica delle diverse fasi di un sistema.

Per una sostanza chimica pura tipicamente il piano rappresentato è quellopressione-temperatura.

Per sistemi costituiti da più componenti, l'asse delle ascisse rappresenta spesso lacomposizione chimica.

S

L

V

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Per sistemi costituiti da più componenti, l'asse delle ascisse rappresenta spesso lacomposizione chimica.

S

L

V

Noi siamo qui

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S

L

V

S

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S

L

V

S

Noi siamo qui

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IL DIAGRAMMA DI STATO FERRO-CARBONIO

composto intermetallico di formulaFe3C (carburo di ferro, o cementite)

ACCIAI GHISE

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Fase α: Ferrite È la soluzione solida interstiziale formata dapiccole quantità di carbonio nel reticolo bcc delferro α. La presenza di atomi di carbonio nelreticolo bcc del ferro α produce delle notevolidistorsioni, per questo la solubilità del carbonionel ferro α è molto limitata e può raggiungereun valore massimo dello 0.02% in peso (a727°C).

Grani di ferrite al microscopio.

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Fase γ: Austenite È la soluzione solida interstiziale del carbonionel ferro γ (fcc). La struttura cristallina del ferroγ favorisce una maggiore solubilità delcarbonio; dal diagramma si nota infatti uncampo di stabilità dell'austenite decisamentepiù ampio.

Grani di austenite al microscopio.

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Fase δ

È la soluzione solida interstiziale del carbonionel ferro δ (bcc). Valgono per questa faseconsiderazioni analoghe a quelle fatte sullaferrite α. La maggiore costante di cellaconsente tuttavia un lieve aumento dellasolubilità del carbonio (fino allo 0.14% inpeso).

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TIPOLOGIE DI ACCIAI

1) 2) 3)

Eutettoide

Si tratta di una composizione chimicaintermedia nella quale due fasi solide hannouna temperatura di solubilità solida inferiorerispetto a quelle delle due fasi non miscelate.

Nel caso ferro-carbonio si trova ad unacomposizione dello 0.8% di carbonio.

Gli acciai si dividono in:

1) ipo-eutettoidici % C < 0.8

2) eutettoidici % C = 0.8

3) iper-eutettoidici % C > 0.8

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TIPOLOGIE DI ACCIAI1) Acciai ipo-eutettoidici < 0.8% C

2) Acciai eutettoidici: 0.8% C

3) Acciai iper-eutettoidici: > 0.8% C

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GLI ACCIAI EUTETTOIDICI

0.8% C

(a) l’austenite primaria è stabile finoall’eutettoide, (atomi di C nel reticolofcc del Fe).

(c) Sotto i 723°C l’eccesso di C è inglobato nella cementite (Fe3C), che cresce instrati sottili permettendo all’austenite (fcc) di trasformarsi in ferrite (bcc). Ne derivauna struttura a lamelle alternate di ferrite e cementite (in rapporto 7:1), che prendeil nome di perlite (miscela eutettica).

Si tratta di acciaio allo 0.8% in C.

(b) A 723°C trasformazioneeutettoidica dell'austenite: arrestodel la T f ino a t rasformazionecompleta.

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GLI ACCIAI EUTETTOIDICI: LA PERLITEAl microscopio elettronico (SEM) la perlite ha un aspetto simile alla madreperla, conlamelle di cementite (scure) in una matrice di ferrite (chiara).

La perlite può anche essere trasformata, mediante opportuni “trattamenti”, incementite globulare o sferoidite, in cui la fase Fe3C è presente sotto forma diaggregati sferoidali. Tale struttura però è più duttile e meno resistente dellastruttura perlitica perché le superfici di separazione tra ferrite e cementite sonomolto ridotte e quindi offrono minor resistenza e durezza. La sferoidite è però moltopiù duttile ed ha una tenacia maggiore.

Perlite: struttura lamellare Cementite globulare

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GLI ACCIAI IPO-EUTETTOIDICIConsideriamo un acciaio allo 0.4% in C.

0.4% C

(a) Austenite e C in soluzione solida, congli atomi di C nel reticolo fcc.

(b) L’austenite (fcc) inizia a trasformarsi inferrite (bcc). La struttura bcc non haspazio per gli atomi di C, che migranonella porzione di fcc residua.

(c) A 723°C la ferrite bcc ha spinto tutto il C nella rimanenteaustenite fcc. Questa austenite ricca in C si trasforma in perliteesattamente come farebbe un acciaio eutettoidico.

Austenite fcc

Ferrite bcc

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GLI ACCIAI IPER-EUTETTOIDICI

1.2% C

Consideriamo un acciaio allo 1.2% in C.

(a) Austenite e C in soluzione solida, congli atomi di C nel reticolo fcc.

(b) Man mano che si raffredda, si formaanche della cementite (Fe3C) che siprende quasi tutto il C.

(c) A 723°C l'austenite residua (dicomposizione eutettoidica) si trasforma inperlite. L’acciaio finale contiene cementitee la perlite a strati.

Perlite

Cementite

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CONTENUTO IN CARBONIO E PROPRIETA’

Resistenza allosnervamento

Resistenza atrazione

Durezza

All’aumentare del tenore di C, (e quindi al diminuire della ferrite e all’aumentare dellaperlite e cementite) aumentano durezza e resistenza (a trazione, flessione esnervamento).

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CONTENUTO IN CARBONIO E PROPRIETA’ All’aumentare del tenore di C, (e quindi al diminuire della ferrite e all’aumentare dellaperlite e cementite) diminuiscono duttilità e resilienza (resistenza all’urto).

CONTENUTO IN CARBONIO E PROPRIETA’

Allungamento

strizione

Resistenzaall’urto

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MICROSTRUTTURA E PROPRIETA’

Durezza

Non è solo la composizione chimica (ovvero la % di C) ad influenzare le proprietàdell'acciaio. Anche la sua microstruttura:

Perlite finePerlite

grossolana

Sferoidite

Duttilità

Sferoidite

Perlite fine

Perlitegrossolana

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ACCIAI: PROPRIETA’Per riassumere, all'aumentare della frazione di carbonio aumenta la durezzadell'acciaio, aumenta la resistenza a trazione ed allo snervamento ma diminuisconoduttilità e resistenza agli urti.

Un altro svantaggio portato dal tenore di carbonio è la riduzione della saldabilità.

A parità di composizione (a parità di contenuto in carbonio), una microstruttura inperlite fine garantisce maggiore durezza ma minor duttilità di una microstruttura incementite globulare.

Gli acciai sono moltissimi, con molti elementi in lega che ne possono conferireproprietà diverse.

Ad esempio, l'acciaio inox o acciaio inossidabile è il nome dato correntemente agliacciai con un tenore di cromo indicativamente superiore al 13%, per la loro proprietàdi non arrugginire se esposti all'aria e all'acqua. Il cromo, ossidandosi a contatto conl'ossigeno, si trasforma in ossido di cromo (CrO2) che crea uno strato aderente emolto resistente, impedendo un'ulteriore ossidazione (tale fenomeno è noto comepassivazione).

In ambito alimentare è noto l'acciaio inox 18/10, contenente il 18% di cromo e il 10%di nichel.

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LE GHISE

GHISA DI 1° FUSIONE

GHISA DI 2° FUSIONE

si ottiene dall’altoforno e contiene elevatepercentuali di carbonio (da 4 a 6 %)

si ottiene rifondendo in apposito forno la ghisa diprima fusione con aggiunta di rottami di ferro edaltri elementi (la percentuale di carbonio scende).

Si tratta di leghe ferro-carbonio con una percentuale di carbonio superiore al 2%.

In base al modo in cui si presenta il carbonio, le ghise possono essere divise in:

Ghisa bianca

Ghisa grigia

Il carbonio è sotto forma di cementite Fe3C;

Il carbonio è sotto forma digrafite lamellare o sferoidale

LE GHISELe caratteristiche principali della ghisa sono:

1) economicità nella produzione;

2) resistenza all'usura;

3) buona lavorabilità con macchine utensili (ghisa grigia);

4) possibilità di realizzare forme molto complesse mediante semplice fusione;

5) ottima fusibilità;

6) Buona durezza ma maggiore fragilità.

Le eccellenti caratteristiche meccaniche del materiale e la facilità di formaturaspiegano la sua diffusione nell'uso, anche in prodotti attuali di buona tecnologia,come i monoblocchi dei motori automobilistici. La facilità di fusione permette che taleoperazione primaria sia anche quella definitiva per dare forma (salvo le lavorazionifinali), mentre per l'acciaio le fucinature a caldo e le lavorazioni meccaniche a freddosono energeticamente onerose ed impegnano riprese di lavorazioni, magazzinaggi etempo.

LA GHISA NEL GERGOA Milano "el ghisa" è l'appellativo familiare dato al vigile urbano, probabilmente acausa del fatto che il cappello a cilindro alto e grigio che i vigili portavano nel 1860ricordava i tubi di ghisa di certe stufe o dei tubi di gronda.

Nel mondo dell'arrampicata alpinistica e sportiva il termine "ghisa" sta a sottolinearecome i muscoli degli avambracci, dopo diversi sforzi, si siano induriti a tal punto danon riuscire più a decontrarsi e poter così generare una nuova contrazione. Èfrequente sentire espressioni del tipo "ho le braccia ghisate" oppure "sono ghisato"per sottolineare come il muscolo sia indurito a causa del soffocamento dei vasisanguigni e all'impedito smaltimento di acido lattico e sostanze di rifiuto generatedurante l'attività sportiva.

Nel sollevamento pesi si fa riferimento ai pesi in generale con il termine "ghisa", delquale sono composti la maggior parte degli attrezzi utilizzati in tale ambito.

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L’ALLUMINIO E LE SUE LEGHE

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PROPRIETA’ DELL’ALLUMINIOReticolo fcc

Massa atomica 27 g/mol

Densità a 20°C 2.7 g/cm3

Temperatura di fusione 660°CResistività elettrica a 20°C 5 10-8 ohm m

Leggerezza: il peso specifico è uno dei più bassi fra tutti i materiali strutturali (2.7g/cm³ contro i 7.9 g/cm³ dell'acciaio).

Elevata duttilità: grazie a questa proprietà è possibile realizzare fogli sottilissimi dialluminio. Anche a basse temperature, per la loro struttura cristallina, le leghe dialluminio si mantengono duttili.

Elevata conduttività termica ed elettrica: questa caratteristica rende alcune leghedi alluminio adatte alla realizzazione di pentole da cucina, o materiale elettrico.

Basso punto di fusione: la temperatura di fusione limita le applicazioni strutturalidell'alluminio a temperature d'esercizio massime di 200-300°C.

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APPLICAZIONI DELL’ALLUMINIOL'impiego delle leghe d'alluminio nell'industria è cresciuto con il passare degli anni.Ad esempio, nel 2000 le leghe di alluminio hanno superato la plastica come terzomateriale più usato nella costruzione di automobili e nel 2006 hanno superato anchel'acciaio come secondo materiale più usato. I principali campi di applicazione sono:

ücampo aerospaziale: le leghe leggere sono estesamente utilizzate per ilfavorevole rapporto proprietà meccaniche/peso;

üapplicazioni motoristiche: soprattutto nelle parti tiepide (fino ai 250°C) delmotore, e recentemente anche nelle parti calde, la soluzione in lega dialluminio consente risparmi in peso.

ücampo ferroviario: con l'aumentare delle velocità di crociera dei moderni treni(i treni ad alta velocità), anche il campo ferroviario, che da sempre si eraaffidato all'acciaio, ha cominciato ad utilizzare le leghe d'alluminio innumerose applicazioni, anche strutturali, al fine di diminuire il peso.

ücostruzione di telai di biciclette: attraverso l'utilizzo delle leghe leggere èpossibile costruire telai più rigidi e meno pesanti.

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IL PROCESSO DI ESTRAZIONE DELL'AlDopo il silicio (27,6%), l'alluminio è il secondo metallo più presente nella crostaterrestre (8,5%), precedendo il ferro (6,3%). Nonostante ciò, l'alluminio costa 2-3volte più dell'acciaio poiché la sua estrazione dai minerali che lo contengono èpiuttosto complessa.

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IL PROCESSO DI ESTRAZIONE DELL'AlIl principale minerale da cui si estrae l'alluminio è la bauxite. La sua composizione ècaratterizzata dalla presenza di diverse specie mineralogiche tra cui prevalgono gliossidi e gli idrossidi di alluminio e di ferro. In particolare, è ricca in metaidrossidod'alluminio AlO(OH) ed in ortoidrossido Al(OH)3.

Campione di Bauxite Cava di Bauxite nel Salento (Otranto)

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IL PROCESSO DI ESTRAZIONE DELL'AlIl principale minerale da cui si estrae l'alluminio è la bauxite. La sua composizione ècaratterizzata dalla presenza di diverse specie mineralogiche tra cui prevalgono gliossidi e gli idrossidi di alluminio e di ferro. In particolare, è ricca in metaidrossidod'alluminio AlO(OH) ed in ortoidrossido Al(OH)3.

Australia, Brasile, Cina, India, Guinea, Giamaica, Russia, Venezuela, Suriname, Grecia

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1) DA BAUXITE AD ALLUMINA (CICLO BAYER)

IL PROCESSO DI ESTRAZIONE DELL'AlIl processo di estrazione dell'alluminio si divide in due passaggi principali.

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IL PROCESSO DI ESTRAZIONE DELL'AlIl processo di estrazione dell'alluminio si divide in due passaggi principali.

2) DA ALLUMINA AD ALLUMINIO (CICLO HALL-HEROULT)

Processo elettrochimico

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MISCIBILITA' IN LEGHE DI ALNon si conoscono elementi che abbiano una completa miscibilità nell’alluminio insoluzione solida. Tra tutti gli elementi, lo zinco ha la più grande solubilità in fasesolida, con un massimo di 66.4% in atomi.

Solubilità in Alluminio:Zinco > Magnesio > Rame > Silicio > Manganese > Cromo

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ALCUNI TIPI DI LEGHE DI ALLUMINIOGRUPPO 1000 (Alluminio)Rappresenta l’alluminio puro con un minimo del 99% di contenuto di Al in peso.Sono possibili trattamenti per incrudimento per migliorare le caratteristiche diresistenza a scapito della duttilità e ottenendo un aumento della durezza.

GRUPPO 2000 (leghe Al - Cu) Dette Avional o Duralluminio; possono essere sottoposte al trattamento termico diindurimento per precipitazione in grado di migliorare le proprietà meccaniche diresistenza. Sono tra le più comuni leghe per uso aerospaziale, soprattutto ove èrichiesta buona o ottima resistenza a fatica.

Nonostante la notevole affinità con l'ossigeno l'alluminio puro possiede una buonaresistenza alla corrosione grazie alla formazione di uno strato superficiale compattodi ossido protettivo.

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ALCUNI TIPI DI LEGHE DI ALLUMINIOGRUPPO 6000 (leghe Al – Si – Mg) Dette Anticorodal: hanno una ottima lavorabilità con le macchine utensili e possonoessere sottoposte al trattamento termico di indurimento per precipitazione. Sonoleghe con buona saldabilità, e dunque vengono usate nel campo navale,ferroviario, o per la costruzione di telai per biciclette e nella costruzione di infissidi alluminio.

GRUPPO 7000 (leghe Al – Zn – Mg) Dette ergal: sono leghe molto utilizzate in campo aerospaziale, nelle applicazionistrutturali di forza e sono in grado di raggiungere le migliori caratteristichemeccaniche tra tutte le leghe di alluminio.

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INDURIMENTO DEI METALLILa deformazione plastica dei metalli inizia quando si raggiunge il loro limite disnervamento. Per "indurire" i metalli (ovvero per aumentare il loro limite disnervamento) è quindi necessario bloccare o rallentare il moto delle lorodislocazioni.

Si aumenta la durezza della lega attraverso la formazione di precipitati, ovveroparticelle di una fase diversa da quella della matrice, immerse in essa stessa. Inletteratura si utilizza anche il termine "indurimento per invecchiamento", poiché leproprietà meccaniche della lega trattata aumentano con il tempo.

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INDURIMENTO PER PRECIPITAZIONE

Si considera una frazione del 2% di rame in alluminio. Tra i 500 e i 580°C il ramesi scioglie nell’alluminio e la lega è omogenea. Raffreddando però il rame forma ilcomposto CuAl2.

LE LEGHE 2000 (DURALLUMINIO Al - Cu)

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Si considera una frazione del 2% di rame in alluminio. Tra i 500 e i 580°C il rame siscioglie nell’alluminio e la lega è omogenea. Raffreddando però il rame forma ilcomposto CuAl2.


Se si raffredda lentamente, la velocità dinucleazione di CuAl2 è bassa, la velocità dicrescita invece è alta e quindi si formano pochiprecipitati ai bordi dei grani (le dislocazioniriescono comunque a muoversi agilmente tra diloro).

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Si considera una frazione del 2% di rame in alluminio. Tra i 500 e i 580°C il rame siscioglie nell’alluminio e la lega è omogenea. Raffreddando però il rame forma ilcomposto CuAl2.


Se si raffredda lentamente, la velocità dinucleazione di CuAl2 è bassa, la velocità dicrescita invece è alta e quindi si formano pochiprecipitati ai bordi dei grani (le dislocazioniriescono comunque a muoversi agilmente tra diloro).

Se invece si raffredda velocemente la velocità dinucleazione di CuAl2 è alta, la velocità di crescitainvece è bassa e quindi si formano moltiprecipitati e non solo ai bordi di grano (ledislocazioni hanno problemi ad evitarli).

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IMPIEGHI DELLE LEGHE DI ALLUMINIOCampo aeronautico: a causa dell'importanza che riveste il peso strutturale, leleghe leggere sono estesamente utilizzate proprio per il favorevole rapportoproprietà meccaniche/peso che esse posseggono. Si pensi che, fino a dieci anni fa,più dell'80% della struttura di un aeroplano era costituita in lega leggera.

Applicazioni motoristiche: soprattutto nelle parti tiepide (fino ai 250 °C) delmotore, e recentemente anche nelle parti calde, la soluzione in lega di alluminioconsente risparmi in peso.

Campo ferroviario: con l'aumentare delle velocità di crociera dei moderni treni (icosiddetti treni ad alta velocità), anche il campo ferroviario, che da sempre si eraaffidato all'acciaio, ha cominciato ad utilizzare le leghe d'alluminio in numeroseapplicazioni, anche strutturali, al fine di diminuire il peso.

Serbatoi e tubi in pressione, applicazioni criogeniche: l'elevata duttilità delleleghe d'alluminio anche a bassa temperatura, e la loro buona resistenza acorrosione, ne fanno materiale di impiego in questo campo.

Accessori da cucina: per queste applicazioni le leghe di alluminio sonoconsiderate migliori rispetto al rame e all'acciaio.

Infissi e altre applicazioni domestiche: famosi gli infissi in alluminio anodizzato.

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IMPIEGHI DELLE LEGHE DI ALLUMINIOAmbito sportivo:

Componenti di archi

Strutture di supporto in deltaplani

Telaio di biciclette [ergal e duralluminio] (in parte sostituiti da fibra di carbonio)

Racchette da tennis (ora sostituiti da fibra di carbonio)

Telaio monoscocca di vetture da corsa (ora sostituiti da fibra di carbonio)

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IL MAGNESIO E LE SUE LEGHE

0

50

100

150

200

250

300

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500

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ton

nellate

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

Anni 59

PROPRIETA’ DEL MAGNESIO

Reticolo hcp

Massa atomica 24 g/mol


Temperatura di fusione 650°CResistività elettrica 20°C 4.6 10-8 ohm m

LEGHE ULTRA-LEGGERE: il peso specificoè ancora più basso dell’alluminio (1.7 g/cm³contro 2.7 g/cm³).

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Fra la Prima e la Seconda Guerra Mondiale il Magnesio fu usato per applicazioni dinicchia nell’industria nucleare e nella produzione di aerei militari. Dopo la guerra laVOLKSWAGEN, nata sulle macerie dell’industria metallurgica bellica, ha impiegatomolte componenti costruite in magnesio, per esempio nell’autovettura Maggiolino.

LEGHE DI MAGNESIO

VANTAGGI

ü Minore densità rispetto a qualsiasi materiale metallico con impieghi strutturali;ü Elevata resistenza specifica;ü Buona colabilità;ü Possibilità di essere lavorato con elevate velocità di taglio;ü Buona saldabilità con sistemi ad atmosfera protetta;ü Buona resistenza a corrosione delle leghe ad elevata purezza;ü Abbondanza in natura

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APPLICAZIONI DEL MAGNESIOApplicazioni strutturali

ü Automotive

ü Aeronautica

ü Sport

Cerchio in lega

Pedali perbicicletta dacorsaApplicazioni non strutturali

Settorepirotecnico

Agricoltura

Metallurgia

Refrattario perfornaci

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IL TITANIO E LE SUE LEGHE

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PROPRIETA’ DEL TITANIO

Reticolo hcp, ccpMassa atomica 46 g/mol


Temperatura di fusione 1670°CResistività elettrica 20°C 5.5 10-7 ohm m

Il titanio esiste in DUE FORME ALLOTROPICHE:ü RT fase α, reticolo hcpü 883°C transizione a fase β, reticolo ccp

L a t e m p e r a t u r a d itransizione è innalzata dallap r e s e n z a d i e l e m e n t iinterstiziali come O, N e C;l’introduzione di elementi inlega può invece alzarla oabbassarla a seconda deicasi.

Bassa densità, superiore solo aMg e Al.

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PROPRIETA’ DEL TITANIOVANTAGGI

ü elevata resistenza meccanica,ü resistenza alla corrosione,ü elevate resistenza al calore,ü basso coefficiente di dilatazione termica,ü amagneticità,ü atossicità,ü basso modulo elastico,ü elevata reattività con H, O, N.

LA PASSIVAZIONE

All’aria, il titanio si ricopre di una sottile pellicola superficiale di ossido di titanio(TiO2), di alcune decine di Å, che conferisce passività al metallo.

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IL PROCESSO DI ESTRAZIONE

TiO2 + 2Cl2 + 2C → TiCl4 + 2CO

Riduzione del TiCl4

2Mg + TiCl4 → 2MgCl2 + Ti Spugna di titanio

Lo sviluppo è frenato dalla notevole quantità di energia necessaria aprodurlo: il titanio è estremamente costoso!

Il titanio non si trova in natura in forma metallica, ma in ossidi (comel’ilmenite, FeTiO3, e il rutilo, TiO2).

Il titanio, (dal nome dei Titani, i figli della Terra nella mitologia greca) è il 4°elemento più abbondante sulla crosta terrestre, dopo Al, Fe e Mg.

66National science centre, Scotland

APPLICAZIONI DELLE LEGHE DI TITANIOü Settore aerospaziale

ü Componenti architettonici

ü Leghe a memoria di forma

ü Sport

I MATERIALI METALLICIPossibili Domande d'Esame

1) La struttura delle leghe metalliche

2) Le soluzioni solide (interstiziali e sostituzionali)

3) I diversi tipi di acciai: composizione chimica, struttura e proprietà

4) Le ghise

5) Le leghe di alluminio

Diapositiva 1Diapositiva 2Diapositiva 3Diapositiva 4Diapositiva 5Diapositiva 6Diapositiva 7Diapositiva 8Diapositiva 9Diapositiva 10Diapositiva 11Diapositiva 12Diapositiva 13Diapositiva 14Diapositiva 15Diapositiva 16Diapositiva 17Diapositiva 18Diapositiva 19Diapositiva 20Diapositiva 21Diapositiva 22Diapositiva 23Diapositiva 24Diapositiva 25Diapositiva 26Diapositiva 27Diapositiva 28Diapositiva 29Diapositiva 30Diapositiva 31Diapositiva 32Diapositiva 33Diapositiva 34Diapositiva 35Diapositiva 36Diapositiva 37Diapositiva 38Diapositiva 39Diapositiva 40Diapositiva 41Diapositiva 42Diapositiva 43Diapositiva 44Diapositiva 45Diapositiva 46Diapositiva 47Diapositiva 48Diapositiva 49Diapositiva 50Diapositiva 51Diapositiva 52Diapositiva 53Diapositiva 54Diapositiva 55Diapositiva 56Diapositiva 57Diapositiva 58Diapositiva 59Diapositiva 60Diapositiva 61Diapositiva 62Diapositiva 63Diapositiva 64Diapositiva 65Diapositiva 66Diapositiva 67

MATERIALI METALLICI · 2020. 2. 18. · Le proprietà delle leghe ferro-carbonio (e quindi di...

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