Scienza Dei Materiali 20 27-04-12

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Scienza dei Materiali, prof. P. Scardi, a.a. 2011/12Scienza dei Materiali

Prof. Paolo Scardia.a. 2011-2012

Corsi di Laurea in Ingegneria Industriale

Ingegneria delle Produzione Industriale

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Scienza dei Materiali, prof. P. Scardi, a.a. 2011/12

ARGOMENTI DELLA LEZIONE

Materiali ad alta temperatura: CreepTrattamenti termici (annealing): recovery,

recrystallization, grain coarsening

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Introduzione

Precedenti lezioni: • Prove meccaniche (trazione, compressione, flessione)• Durezza, Test di impatto• Elementi di meccanica della frattura, fatica.

La temperatura ha un effetto marcato sul comportamento meccanico dei materiali. Principalmente, all’aumentare della temperatura si attivano processi diffusivi che possono cambiare radicalmente la natura del meccanismo di deformazione.Anche la microstruttura ed il contenuto di difetti sono fortemente influenzati dalla temperatura: per questo motivo i trattamenti termici hanno grande importanza nella scienza e tecnologia dei materiali

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Temperatura e Modulo ElasticoIn molti materiali il modulo elastico cala con la temperatura (e con pocheeccezioni anche la resistenza meccanica). Inoltre, diversi materiali (metallici e polimerici) tendono a diventare fragili a basse temperature.

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Alte e basse temperatureRiguardo al comportamento meccanico non esiste un limite preciso tra alta e bassa temperatura. Tale limite, dell’ordine di ≈Tf/2 (in K), oltre che dalmateriale dipende dall’entità dello sforzo e dalla durata della sollecitazione.

Kurz, Mercier, Zambelli, Introduzione alla Scienza dei Materiali, Hoepli, 1993

Metalli: 0.3-0.4 Tf

Ceramici: 0.4-0.5 Tf

Polimeri: 0.5-0.6 Tf

Bassa T: ε=f(σ)

Alta T: ε=f(σ,t,T)

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Materiali per alte temperatureNon tutti i materiali sono idonei per impieghi ad alte temperature: oltre allecaratteristiche meccaniche, bisogna considerare che alcuni materiali si possonotrasformare (polimorfismo, ossidazione/corrosione) o decomporre ad alta T (molti polimeri). Ad esempio, diversi metalli refrattari, potenzialmente ideali per alte T, hannoossidi volatili (Il W ad alte T deve essere impiegato in atmosfera protetta).

In senso generale, i ceramici tendono ad essere più idonei in applicazioni ad alta temperatura, nei limiti imposti dalle loro caratteristiche meccaniche (tipicamente, bassa tenacità e scarsa deformazione plastica).

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Scienza dei Materiali, prof. P. Scardi, a.a. 2011/12Creep

Al di sopra di ≈0.4 Tf (0.3-0.6 Tf a seconda del materiale) si osserva che unosforzo costante (anche inferiore a σS) produce una deformazione che dipendedal tempo ε=f(σ,t,T). Qui sotto è riportata una curva di creep per metalli, tipicamente suddivisa in tre stadi (primario, secondario, terziario):

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Scienza dei Materiali, prof. P. Scardi, a.a. 2011/12Creep

Il creep si basa su un meccanismo di deformazione viscosa. Nei materiali cristallini il creep è dovuto al moto delle dislocazioni e allo scorrimento del bordo grani: entrambi sono basati sui processi diffusivi attivati dall’alta temperatura, secondo meccanismi descritti dalla carta di deformazione


Sforzo: basso elevato

scorrimento moto diviscoso per diffusione dislocazioni

σR/G

σS/G

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Il creep si studia con prove a sforzo (nominale) costante, a varie temperature. Le curve di creep riportano la deformazione in funzione del tempo.

Principali meccanismi del creep:


I tre stadi del creep

• slittamento delle dislocazioni (anche per σ<σS) attivato dall’alta T, con aumento della densità di dislocazioni (conseguente incrudimento).

• sbloccaggio delle dislocazioni, a causa della minore efficacia dei precipitati (riduzione dell’incrudimento)

• scorrimento viscoso dei bordi grano• aumento delle vacanze ed attivazione

dei processi diffusivi.

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Il climb di dislocazioni è possibile perchè è attiva la diffusione. Il superamentodi ostacoli può anche avvenire per cross-slip (cambio del piano di slittamento).


I tre stadi del creep

Meccanismi di sbloccaggio

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Ad alta T il processo diffusivo attiva lo scorrimento viscoso a bordo grano. La diffusione spinge gli atomi dai bordi grano in compressione verso quelli in trazione, causando un progressivo allungamento dei grani secondo il tipo disollecitazione (trazione in figura).

Scorrimento viscoso del bordo grano

Per questo motivo, al contrario di quanto si verifica per σS e σR a bassa temperatura, una grana cristallina fina ècontroproducente per la resistenza al creep.

L.H. Van Vlack, Elements of Materials Science and Engineering, Addison-Wesley, 1989

Una grana molto fine è utile per la lavorazione a caldo. (superplasticità, ε>>100%)

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Durante stadio primario prevale lo slittamento/sbloccaggio delle dislocazioni(attivato dalla temperatura). Progressivamente il materiale si incrudisce e siraggiunge una condizione (stadio secondario) in cui l’incrudimento è bilanciatodalla ricottura (scomparsa delle dislocazioni) e dε/dt è circa costante

Stadio primario e secondario del creep


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Nello stadio secondario del creep la velocità di deformazione è costante ed èproporzionale al coefficiente di diffusione (D) e ad una potenza dello sforzoapplicato (σn):

Stadio secondario del creep

nII

II

d A Ddtε

ε σ = = ⋅ ⋅

&0

Q RTD D e−= ⋅

Nel II stadio dε/dt dipende quindi da T e σ secondo l’espressione:

' n Q RTII A eε σ −= ⋅ ⋅&

Il valore dell’esponente n dipende dalmeccanismo di scorrimento viscoso attivo:

• 3<n<8 per sbloccaggio di dislocazioni• n=1 per scorrimento da diffusione

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Nello stadio secondario del creep la velocità di deformazione è costante ed èproporzionale al coefficiente di diffusione (D) e ad una potenza dello sforzoapplicato (σn):

Stadio secondario del creep

' n Q RTII A eε σ −= ⋅ ⋅&

,3 ,2 ,1II II IIε ε ε> >& & &

0IIε =&

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I processi diffusivi che permettono lo scorrimento viscoso ad alta T portanoprogressivamente alla formazione di vuoti a bordo grano che riducono la sezione resistente del materiali. Nello stadio terziario la concentrazione disforzo porta alla formazione di una strizione e quindi a rottura

Stadio terziario del creep


σy σy

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Scienza dei Materiali, prof. P. Scardi, a.a. 2011/12Rottura per creep

Nello stadio terziario la concentrazione di sforzo porta alla formazione di unastrizione e quindi a rottura.


W.F. Smith, Scienza e Tecnologia dei Materiali, McGraw-Hill, 1995

strizione

Per questo motivo le palette di turbina sono realizzate con grani colonnari o come singoli cristalli

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Alte e basse temperatureRiguardo al comportamento meccanico non esiste un limite preciso tra alta e bassa temperatura. Tale limite, dell’ordine di ≈Tf/2 (in K), oltre che dalmateriale dipende dall’entità dello sforzo e dalla durata della sollecitazione.


Metalli: 0.3-0.4 Tf

Ceramici: 0.4-0.5 Tf

Polimeri: 0.5-0.6 Tf

Bassa T: ε=f(σ)

Alta T: ε=f(σ,t,T)

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Scienza dei Materiali, prof. P. Scardi, a.a. 2011/12Trattamenti termici e lavorazione a freddo

La lavorazione a freddo aumenta il limite di snervamento (σS), la resistenzamassima (σR) e la durezza, a discapito della elongazione in campo plastico(duttilità/malleabilità).

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Scienza dei Materiali, prof. P. Scardi, a.a. 2011/12Trattamenti termici e lavorazione a freddo

Si possono ripristinare le proprietà iniziali, ed in particolare aumentarenuovamente la duttilità di un componente lavorato a freddo? Questo può essere fatto tramite opportuni trattamenti termici.

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Scienza dei Materiali, prof. P. Scardi, a.a. 2011/12Recovery e Ricristallizzazione

Trattamenti termici di materiali incruditi portano a effetti diversi, in funzionedella temperatura di annealing:

Per T<0.2÷0.3Tf ha luogo il recovery(ricupero):- rilascio di tensioni residue;- riassetto delle dislocazioni (parziale

riduzione e poligonizzazione)

Calano anche se di poco le proprietàmeccaniche, ma aumenta la duttilità(e le conducibilità elettrica e termica)

Graincoarsening


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Per 0.3Tf<T<0.6Tf l’energia termica èsufficiente per la ricristallizzazione :- nucleazione e crescita (ben sotto Tf)

di nuovi grani a bassa densità didifetti (minore energia);

- calano le proprietà meccaniche macresce progressivamente la duttilità

Perchè si verifichi ricristallizzazione, il CW% deve superare una soglia del 2-20%, a seconda del materiale

Graincoarsening


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Per T>0.6÷0.7Tf si ha grain coarsening(ingrossamento del grano):- crescita eccessiva della dimensione

dei grani;- perdita completa degli effetti della

lavorazione meccanica e modestoaumento della duttilità

Graincoarsening


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Scienza dei Materiali, prof. P. Scardi, a.a. 2011/12Cinetica di Ricristallizzazione

Temperatura e durata sono essenziali nella cinetica di ricristallizzazione. Per un ottone lavorato a freddo (CW=33%) si ha la seguente cinetica:

CW=33% 3s a 580°C 4s a 580°C

8s a 580°C15’ a 580°C10’ a 700°C

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Temperatura e durata sono essenziali nella cinetica di ricristallizzazione. Per un ottone lavorato a freddo (CW=33%) si ha la seguente cinetica:

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Scienza dei Materiali, prof. P. Scardi, a.a. 2011/12Temperatura di Ricristallizzazione

La temperatura di ricristallizzazione varia da materiale a materiale, ma èanche legata al grado di incrudimento (ad es. espresso come CW%)

327-4Pb660150Al1063450Au1083200Cu

33701200W1530450Fe

232-4SnTfTc(°C)

2f

c

TT ≈

! - T espressa in Kelvin !

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Scienza dei Materiali, prof. P. Scardi, a.a. 2011/12Temperatura di Ricristallizzazione

La temperatura di ricristallizzazione varia da materiale a materiale, ma èanche legata al grado di incrudimento (ad es. espresso come CW%)


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Per una data temperatura (T), l’andamento del processo di ricristallizzazione(X – frazione trasformata) col logaritmo del tempo (t) è di tipo sigmoidale:


X1.0

0.5

01 2 3 4 Log t

T=600°C

t1/2=316 s

t1/2 – tempo di semitrasformazione

r=1/t1/2 – rate della trasformazione

All’aumentare della temperaturala curva trasla verso tempi piùbrevi. Questa fenomenologia è tipicadegli andamenti di tipo Arrhenius

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X1.0

0.5

01 2 3 4 Log t

T=600°C

t1/2=316 s



0E kTr r e−= ⋅All’aumentare della temperatura

la curva trasla verso tempi piùbrevi. Questa fenomenologia è tipicadegli andamenti di tipo Arrhenius

0 1/ 2log log logr r E kT t= − = −

10 1/ 2 10 0log log2.303

Et rkT

= − +⋅

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X1.0

0.5

01 2 3 4 Log t

T=600°C

t1/2=316 s



0E kTr r e−= ⋅

0 1/ 2log log logr r E kT t= − = −

10 1/ 2 10 0log log2.303

Et rkT

= − +⋅

log10t1/2

1/T [K]1234

0.001 0.0012

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Scienza dei Materiali, prof. P. Scardi, a.a. 2011/12Lavorazione a caldo

Ad alta temperatura la lavorazione meccanica può avvenire in condizioni direcovery o di ricristallizzazione. Questo comporta diversi vantaggi rispettoalla lavorazione a freddo:

Vantaggi:

• Grani fini e microstruttura omogenea• Riduzione della porosità• Minore energia per la formatura• Allontanamento delle scorie• La riduzione della grana cristallina può portare ad un comportamento

superplastico (ε >> 100%)

Svantaggi:• Lavorazione costosa (alta T, manipolazione)• Instabilità (ad es. ossidazione à atmosfera controllata)• Incertezza dimensioni pezzo finito

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