Nella figura è dato il diagramma di stato di una lega Cu-Be (zona ricca in Cu).

Transcript

1 Esercizio 5.1 Nella figura è dato il diagramma di stato di una lega Cu-Be (zona ricca in Cu). a) Spiegare perché la solubilità degli atomi di berillio nel reticolo di rame aumenta all aumentare della temperatura da 200 a 800 C? All aumentare della temperatura il moto browniano degli atomi aumenta, le distanze interatomiche diventano più grandi (macroscopico: il materiale si allunga) e gli spazi tra gli atomi diventano più grandi. Questo permetta una solubilità maggiore. b) Disegnare e descrivere la microstruttura che si forma dopo una tempra rapida della lega Cu 2% Be partendo da 800 C. Si forma una soluzione solida α sovra satura di Be. La microstruttura è omogenea e si vedono solamente i bordi di grano.

2 c) Come cambiano le proprietà meccaniche in confronto alla stessa lega che è stato solidificato lentamente? Spiegare perché!. Il materiale temprato è più resistente e meno duttile rispetto alla lega solidificata lentamente. Questo si spiega dal fatto che atomi costituzionali presenti nel reticolo in eccesso (sovra saturo) distorgono fortemente il reticolo e impediscono il movimento delle dislocazioni. La formazione di un precipitato al bordo di grano non è un ulteriore ostacolo per le dislocazioni (è gia il bordo di grano). d) Spiegare perché con un raffreddamento lento della lega Cu 2% Be la fase γ si forma lungo ai bordi di grano. La formazione di una nuova fase inizia con la nucleazione. La nucleazione richiede energia dunque è più facile in una zona del materiale con energia elevata che sono i bordi di grano.

3 Esercizio 5.2 Il diagramma TTT (trasformazione isotermica) per un acciaio con 0.8% di carbonio è dato in figura. a) Descrivere passo per passo il trattamento termico per ottenere un acciaio (0.8% C) con la durezza di 42 HRC (Rockwell). Da circa 850 C si raffredda molto velocemente (in meno di 1 secondo) fino alla temperatura di 450 C, poi si tiene la temperatura costante fino a ca. 50 sec e si raffredda lentamente. b) Disegnare la microstruttura dell acciaio in ogni stadio. c) Spiegare perché a questa temperatura si forma la microstruttura di bainite e non la perlite.

4 Alla T di 450 C il sotto raffreddamento (differenza ) è molto grande, questo favorisce la nucleazione della cementite nei grani di austenite (senza aver bisogno dei bordi di grano). La velocita di diffusione invece è molto basso, questo impedisce la formazione di lamelle (distanza di diffusione relativamente grande) e si formano gli aghetti di Fe3C. d) Spiegare perché la bainite si comporta in maniera tenace (buona resistenza meccanica ma anche buona duttilità). I numerosissimi aghetti di Fe3C sono piccoli ostacoli per le dislocazioni. Dovuto alla dimensione piccola, le dislocazioni possono sotto sforzo circondare gli ostacoli. Successivamente incontrano un altro ostacolo e con aumento di sforzo possono circondarlo e finalmente arrivare al bordo di grano. L allungamento nella deformazione plastica è dunque identico come nella ferrite (in assenza di ostacoli di Fe3C).

5 Esercizio 5.3 La corrosione atmosferica dei materiali metallici dipende dall aggressività dell ambiente. a) Quali sono le condizioni necessarie che si verifichi la corrosione atmosferica (due parametri). Devono essere presenti acqua (film di liquido) e ossigeno b) Scrivere la reazione anodica, la reazione catodica e la reazione somma nel caso che si corrode il ferro in ambiente neutro. Quale prodotto si forma in superficie? Anodico: Fe -> Fe2+ + 2e- Catodico O2 + 2H2O + 4e- -> 4 OH- Somma: 2Fe + O2 + 2H2O -> 2 Fe(OH)2 c) Indicare in un diagramma corrente di corrosione vs potenziale la curva anodica e catodica per la passivazione spontanea del ferro in ambiente alcalino. Perché il ferro non si corrode in ambienti alcalini? Condizione per la formazione spontanea: i crit < i cat Il ferro non si corrode in ambiente alcalino perché si forma spontaneamente un film protettivo di ossidi (film passivo). La densita critica per la passivazione in ambiente alcalino è molto piccola. Il potenziale del ferro passivo è molto positivo (vicino al potenziale della riduzione dell ossigeno E O2 )

6 e) Scrivere la reazione chimica della carbonatazione. Quali sono le conseguenze (positive e negative) quando la carbonatazione avviene nel calcestruzzo armato? Indicare come nella progettazione e nell esecuzione si può evitare la carbonatazione. Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 in presenza di acqua Positivo: il CaCO3 riempie i pori e aumenta la resistenza a compressione Negativo il ph della soluzione dei pori diminuisce e le armature non sono più passive (densita critica per la passivazione molto più alto rispetto a ph 13). In presenza di ossigeno e acqua le armature depassivate si possono corrodere. Esercizio 5.4 1) Sia il ferro sia gli acciai al carbonio si corrodono spontaneamente all atmosfera industriale. Per costruzioni che devono resistere alla corrosione in ingegneria civile ed architettura si utilizzano dunque acciai inossidabili a) Scrivere le reazioni parziali e la reazione complessiva di questo processo di corrosione e indicare la reazione anodica e catodica. Quali sono dunque le condizioni in quali il ferro o gli acciai al carbonio si possono corrodere? Anodica: Fe -> Fe e - Catodica O 2 + 2H 2 O + 4e - -> 4 OH - Complessiva 2 Fe + O 2 + 2H 2 O -> 2 Fe(OH) 2 Affinche avvenga la corrosione ci devono essere presenti acqua e ossigeno. b) Disegnare in un diagramma di polarizzazione (densità di corrente vs potenziale) schematico la curva anodica di dissoluzione del ferro e la curva catodica della riduzione dell ossigeno. Indicare nel grafico il potenziale di corrosione e la velocità di corrosione.

7 Il potenziale della corrosione si stabilisce al punto di elettroneutralità. La corrente anodica al potenziale di corrosione E corr è la velocita di corrosione i corr. c) Disegnare nello stesso diagramma la curva anodica di un acciaio inossidabile del tipo 18Cr 8Ni che si passiva spontaneamente nell ambiente di b). Dove si trova il potenziale di corrosione di questo materiale? Spiegare che cosa si forma sulla superficie dell acciaio inossidabile. Passivazione spontanea significa che la corrente i crit deve essere minore della corrente i cat. Il potenziale del acciaio inox (passivo) si trova vicino al potenziale termodinamico del ossigeno E O2. Sulla superficie si forma un film sottile, aderente e prottetivo di ossidi di cromo.

8 d) Spiegare sempre con l aiuto delle curve di polarizzazione - che cosa succede se in una struttura lamine di acciaio inossidabile sono fissate con viti di acciaio normale. Quando crolla la struttura? Tra il ferro (attivo) e l acciaio inossidabile (passivo) si crea una macro-coppia, cioè una differenza di potenziale (che da luogo ad una corrente). Il ferro (polo negativo) diventa anodo (e dimostra sola la reazione anodica) mentre l acciaio inox (polo positivo) diventa catodo e li avviene solamente la reazione catodica. La conseguenza è che il ferro si corrode molto più velocemente (anche perché i viti sono molto più piccoli della superficie delle lamine). La struttura crolla quando i viti sono corrosi.