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MATERIALI METALLICI L’acciaio viene prodotto in altoforno, a partire dal minerale ferroso (una miscela di ossidi di ferro) per riduzione con CO prodotto dal carbon coke e per aggiunta di fondenti (carbonati di calcio e magnesio). Si ottiene una ghisa (carbonio 3.5-4.5 %) alla quale viene ridotto il tenore di carbonio fino ad un massimo di 1.5%. Il tenore di carbonio dell’acciaio è direttamente correlato alla sua durezza (da dolce a duro, fino alle ghise acciaiose).

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Proprietà meccaniche

I materiali metallici hanno un comportamento duttile. I loro comportamento meccanico è influenzato dalla loro composizione e dai trattamenti termici e meccanici ai quali vengono sottoposti.

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MECCANISMI DI RINFORZO

Incrudimento Dimensione del grano Soluzioni solide Precipitazione Trattamenti termici

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Incrudimento: L’applicazione di una deformazione plastica, aumenta la resistenza del materiale ad un’ulteriore deformazione plastica.

Durante una deformazione plastica a freddo I grani scorrono l’un l’altro, deformandosi a seguito della generazione, del movimento e del riassetto delle dislocazioni. Con l’aumento della deformazione plastica (p. es. durante una laminazione a freddo), i grani sono via via più allungati nella direzione dell’applicazione del carico (della laminazione).

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La laminazione a freddo aumenta la densità delle dislocazioni, rendendo sempre più difficile l’ulteriore deformazione del metallo → incrudimento. La deformazione a freddo o incrudimento è uno dei metodi più importanti per aumentare la resistenza meccanica di molti metalli.

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Trattamenti termici: Sono operazioni in cui il materiale metallico viene riscaldato fino ad una determinata temperatura, mantenuto a tale temperatura per un dato tempo e poi riportato a temperatura ambiente con una prefissata velocità di raffreddamento.

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Tempra e rinvenimento: la tempra prevede un trattamento di austenizzazione al di sopra della temperatura eutettoidica e raffreddamento veloce. Scopo fondamentale della tempra è quello di ottenere una struttura martensitica.

La martensite è un costituente strutturale non previsto dal diagramma Fe-C in quanto non è stabile termodinamicamente.

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Il raffreddamento è talmente veloce da non dare il tempo al carbonio di uscire dal reticolo cristallino nel quale rimane intrappolato, formando una soluzione solida interstiziale sovrassatura di carbonio in ferro-α (cioè con un eccesso di carbonio). La martensite presenta una durezza eccezionale, caratteristica che però la rende fragile e pertanto è importante effettuare un rinvenimento, ovvero un riscaldamento ad una temperatura inferiore alla temperatura eutettoidica e nel mantenimento di questa temperatura per un tempo variabile e successivo raffreddamento. Il rinvenimento permette di conferire all’acciaio le caratteristiche meccaniche desiderate e di eliminare le tensioni interne prodotto dopo un trattamento di tempra.

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Dimensioni del grano: La struttura dei metalli e delle leghe utilizzati nelle applicazioni di uso comune, è policristallina (i metalli monocristallini sono utilizzati per poche applicazioni tecnologiche particolari). I bordi di grano rafforzano i metalli agendo come barriere al movimento delle dislocazioni, eccetto che ad alta temperatura, dove diventano zone di debolezza (scorrimento a caldo, creep). Per tutte le applicazioni per le quali è richiesta una buona resistenza meccanica, è auspicabile una dimensione fine del grano.

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Durante la produzione è necessario riscaldare un metallo (o una lega), in precedenza deformato plasticamente a freddo, per addolcirlo ed aumentare la sua duttilità e la lavorabilità. La serie di trattamenti che vengono effettuati sono:

1) recupero 2) ricristallizzazione 3) ingrossamento del grano

Tale trattamento viene chiamato ricottura.

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Un metallo che ha subito una deformazione a freddo, conserva una gran parte dell’energia spesa per la deformazione plastica sottoforma di difetti cristallini. Un metallo incrudito ha un’energia interna maggiore di un metallo non incrudito. Il trattamento di recupero permette un rilascio delle tensioni interne. Durante il recupero, diminuisce leggermente la resistenza del metallo e viene aumentata significativamente la sua duttilità.

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Dopo il recupero, un ulteriore aumento di temperatura, permette di realizzare una fase di formazione di nuovi nuclei (nucleazione) e di crescita di nuovi grani non deformati. Dopo il mantenimento per un tempo sufficientemente lungo della temperatura di ricristallizzazione, la struttura incrudita viene completamente sostituita da una struttura a grani ricristallizzati.

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Soluzioni solide: Un’altro metodo con cui può essere aumentata la resistenza dei metalli è il rafforzamento per soluzione solida. L’aggiunta di uno o più elementi può aumentare la resistenza meccanica in seguito alla formazione di una soluzione solida. Quando atomi sostituzionali vengono miscelati allo stato solido con quelli di un altro metallo, si creano delle deformazioni reticolari che danno origine a delle sollecitazioni meccaniche all’interno del reticolo cristallino. Queste sollecitazioni interagiscono con le dislocazioni rendendo più difficile il loro movimento e la soluzione solida diventa più resistente del metallo puro.

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Precipitazione: La presenza di una dispersione di piccole particelle, di fase diversa, aumenta la resistenza del metallo in funzione del contenuto, della forma e delle dimensioni delle particelle.

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ACCIAI INOSSIDABILI

Gli acciai inossidabili sono acciai contenenti cromo o cromo-nichel, con un tenore di cromo non inferiore al 12 % che conferisce loro una buona resistenza alla corrosione. La resistenza alla corrosione è dovuta alla presenza di un sottilissimo strato di ossido (alcune decine di nm) di cromo superficiale che si forma spontaneamente. Gli acciai inossidabili a struttura austenitica contengono adeguate percentuali di nichel (8% o maggiore) che permette di stabilizzare la struttura austenitica a temperatura ambiente. Negli acciai ferritici il nichel è di norma assente.

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CREEP DEI METALLI Quando un materiale metallico è sottoposto ad una sollecitazione costante ad temperatura elevata (> 0.5 Tm), può subire una deformazione plastica dipendente dal tempo chiamata scorrimento viscoso a caldo o creep. In molti casi il fenomeno del creep è il fattore che limita la temperatura massima di utilizzo di molti metalli. Il meccanismo viene illustrato dalle curve di creep che riportano la deformazione in funzione del tempo.

Inizialmente si verifica un allungamento elastico istantaneo ε0.

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Successivamente si manifesta un creep primario nel quale la velocità di deformazione decresce con il tempo, a causa del blocco delle dislocazioni e conseguente incrudimento. Nella seconda fase (creep secondario), a tempi maggiori, la diffusione degli atomi, permette un parziale sblocco delle dislocazioni rendendo nuovamente possibile il loro scorrimento, In questa fase, il blocco e lo sbocco delle dislocazioni si equilibrano e la velocità di deformazione rimane pressoché costante. Nella terza fase, detta creep terziario la velocità di deformazione aumenta rapidamente e in breve il materiale arriva a rottura, in seguito alla formazione di microvuoti al bordograno ed il successivo scorrimento dei grani tra di loro. L’aumento della temperatura e/o dello sforzo applicato provoca l’innalzamento della curva di creep verso deformazioni maggiori e la diminuzione della durata delle varie fasi (il materiale arriva a rottura più velocemente).

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FATICA DEI METALLI

In molte applicazioni i materiali metallici sono sottoposti a sollecitazioni cicliche che possono portare a rottura il componente anche per carichi inferiori del carico di rottura. Tali rotture vengono dette per fatica ed avvengono di prevalenza in componenti in movimento tipo alberi, bielle e turbine. In genere la rottura per fatica si innesca in un punto in cui la geometria del componente permette una concentrazione degli sforzi oppure in corrispondenza di inclusioni o difetti. In questo modo si ha la formazione di una cricca che si propaga attraverso il componente per effetto dell’applicazione ciclica dello sforzo. L’avanzamento della cricca provoca una riduzione della sezione resistente del componente che alla fine è talmente ridotta da non poter più sopportare il carico applicato e avviene la rottura. Lo studio della resistenza a fatica dei materiali viene effettuato con prove accelerate ed i risultati vengono riportati in grafici sforzo-numero di cicli a rottura.

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I diagrammi σ-N riportano lo sforzo applicato durante le prove di fatica in funzione del numero di cicli N dopo i quali si verifica la rottura.

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Tipicamente lo sforzo che provoca la rottura diminuisce all’aumentare dello sforzo applicato. Alcuni materiali presentano un limite di fatica, ovvero un asintoto della curva σ-N al di sotto del quale non si ha più diminuzione della resistenza a fatica all’aumentare di N.

Per rendere le prove di fatica più simili possibili alle condizioni reali, si possono applicare carichi ciclici di forma diversa.

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I diversi cicli sono caratterizzati da una serie di parametri:

1) Sforzo medio: 2

minmaxm

2) Intervallo del ciclo di sforzo: minmaxr

3) Ampiezza del ciclo di sforzo: 22

minmaxr σσσσ

4) Rapporto tra sforzo min e max: max

minRσ

σ

Quando un provino di un metallo duttile è sottoposto a prove di fatica, avvengono i seguenti fenomeni: 1) Innesco della cricca in un punto dove si verifica una elevata concentrazione degli sforzi. 2) Propagazione della cricca ad ogni ciclo di carico. 3) Rottura finale in corrispondenza del raggiungimento delle dimensioni critiche da parte della cricca.

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Il numero totale di cicli a rottura (Nf) è dato dalla somma del numero di cicli necessari per l’innesco Ni e quello per la propagazione della cricca Np:

Nf = Ni + Np

Il contributo di Ni e Np a Nf dipende dal tipo di materiale e dalle condizioni di prova. A bassi livelli di sforzo (quindi per fatica ad alto numero di cicli), una grossa percentuale della vita a fatica viene utilizzata dall’innesco. All’aumentare del livello di sforzo, Ni decresce e le cricche si formano più rapidamente. Quindi, per fatica a bassi cicli (elevati livelli di sforzo) la fase di propagazione predomina (Np > Ni). Le cricche si innescano quasi sempre in corrispondenza di punti di concentrazione degli sforzi. La velocità di propagazione della cricca durante il II stadio, è funzione non soltanto del livello di sforzo e delle dimensioni della cricca, ma anche di variabili che dipendono dal materiale.

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Tale velocità può essere messa in relazione al fattore di intensificazione degli sforzi K:

mKAdN

daΔ

dove: a = dimensione della cricca ΔK = variazione del fattore di intensificazione degli sforzi =

aa minmax πσσπσΔ A, m = parametri che dipendono dal materiale e dipendono anche dalla frequenza di variazione del carico e da R. Gli studi di rottura a fatica si effettuano con provini già dotati di intaglio (pre-criccati).

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Fattori di rischio

- Geometrie che favoriscono la concentrazione degli sforzi. - Finitura superficiale (no rugosità) - Indurimento superficiale (Nitrurazione, cementazione) - Ambiente corrosivo (corrosione-fatica)