Corso di
Metallurgia
Ing. Nadia Ucciardello
Studio: Secondo piano, Edidficio : Ingegneria Industriale,
Tel. 0672597181
Fax: 062021351
E-mail: Nadia. [email protected]
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
Top Related