METALLI - Acciai e Ghise. Metalli

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1 METALLI - Acciai e Ghise 1 Metalli 2

2 Metalli Da W.F. Smith Sscienza e tecnologia dei materiali, McGraw-Hill. 3 Leghe Metalliche 4

3 Leghe Metalliche 5 Leghe Metalliche 6

4 Leghe Metalliche 7 Leghe Metalliche 2 % 8

5 Ferro Il nucleo terrestre è prevalentemente composto da Fe e Ni e la presenza di ferro nelle meteoriti suggerisce che questo elemento sia abbondante in tutto il sistema solare. I minerali principali sono l ematite Fe 2 O 3, la magnetite Fe 3 O 4, la limonite FeO(OH), la siderite FeCO 3 e la pirite FeS 2. L estrazione del ferro ha giocato un ruolo importante nello sviluppo della civiltà moderna. L età del ferro cominciò quando l uomo trovò come usare il carbone da legno, per estrarre il ferro dai minerali e come usarlo per fare utensili. La rivoluzione industriale cominciò quando nel 1773 in Inghilterra si sviluppò un processo che usava carbon coke invece di carbone da legna. Il ferro viene estratto dai suoi ossidi negli altiforni che sono costituiti da forni alti fino a 40 m quasi cilindrici (diametro ca. 15 m) rivestiti con mattoni refrattari che lavorano in continuo Il ferro e utilizzato in quantità maggiori di ogni altro metallo e la produzione di acciaio è di grandissima importanza per tutto il mondo. Tutte le leghe Fe/C contenenti meno del 2% di C vengono chiamate acciaio; se il contenuto di C è compreso tra il 2 e il 4.3% si ha la ghisa. Il ferro puro è di colore argenteo, non è molto duro ed è piuttosto reattivo. Il metallo finemente diviso è piuttosto piroforico. L aria secca ha scarso effetto sul Fe massivo, ma l aria umida ossida piuttosto rapidamente il metallo ad ossido di ferro idrato (ruggine), che forma uno strato non-aderente, che si stacca in scaglie, esponendo nuovamente il metallo all attacco dell aria umida. 9 Ferro Il Ferro puro, oltre alla fusione, presenta due trasformazioni di fase allo stato solido. Le temperature corrispondenti sono indicate con A 3 ed A 4. A 770 C il ferro da ferromagnetico diventa paramagnetico senza cambiare forma cristallina (punto di Curie) 10

6 Elementi di Lega 11 Ferro 12

7 Ferro 13 Metallurgia Estrattiva 14

8 Acciaio 15 Acciaio Tour Eifell:

9 Produzione Acciaio e Ghisa 17 Altoforno 18

10 Altoforno 19 Convertitore La ghisa grezza e il 30% di rottame di acciaio viene caricata in un convertitore con rivestimento refrattario nel quale è inserita una lancia per ossigeno L ossigeno reagisce con il bagno liquido per formare ossido di ferro FeO + C Fe + CO Vengono aggiunte addensanti di scorie Il contenuto di carbonio e di altre impurità viene abbassato L acciaio fuso viene colato continuamente e formato in differenti forme 20

11 Categorie di Acciai 21 Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe 3 C) Diagramma Fe-C (sistema stabile) Per analizzare processi di raffreddamento delle ghise grigie (o grafitiche). Diagramma Fe-Fe 3 C (sistema metastabile) Per analizzare processi di raffreddamento delle ghise bianche (o cementitiche). 22

12 Diagramma di stato Fe-Fe 3 C 23 Diagramma di stato Fe-Fe 3 C Ferrite δ + Liquido Ferrite δ Ferrite δ + Austenite Austenite + Liquido Liquido + Cementite Austenit e Austenite + Cementite Ferrite α Ferrite α + Cementite 24

13 Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe 3 C) 25 Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe 3 C) 26

14 Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe 3 C) massima solubilità del C: 2.1% a 1148 C. 27 Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe 3 C) 28

15 Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe 3 C) 29 Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe 3 C) 30

16 Stutture eutettiche 31 Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe 3 C) 32

17 Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe 3 C) Struttura peritettoidica: Austenite γ Soluzione solida interstiziale di C nel ferro γ. 33 Diagramma di stato Fe-Fe 3 C semplificato 34

18 Diagramma di stato Fe-Fe 3 C semplificato Gli acciai e le ghise convenzionalmente sono due diversi materiali ferrosi individuabili dalla linea tratteggiata rossa che corrisponde per un sistema binario alla composizione di 2.11% in C. Le ghise formano durante la solidificazione una fase grafitica o cementitica. 35 Diagramma di stato Fe-Fe 3 C semplificato 36

19 Diagramma di stato Fe-Fe 3 C semplificato 37 Raffreddamento acciaio eutettoidico (Da W.F. Smith Structure and properties of engineering alloys, McGraw-Hill.) 38

20 Raffreddamento acciaio ipoeutettoidico (Da W.F. Smith Structure and properties of engineering alloys, McGraw-Hill.) 39 Raffreddamento acciaio ipereutettoidico (Da W.F. Smith Structure and properties of engineering alloys, McGraw-Hill.) 40

21 Raffreddamento acciai Influenza tenore di C sulla microstruttura 41 Trattamenti termici degli acciai 42

22 Trattamenti termici degli acciai 43 Decomposizione Isotermica dell Austenite Acciaio al carbonio ipoeutettoidico A 1 : austenite perlite A 3 : austenite ferrite α 44

23 Trasformazioni Bainitiche Se la temperatura di raffreddamento veloce è compresa tra 550 C e 250 C, si forma una struttura intermedia detta bainite La bainite contiene una struttura eutettoidica non lamellare di ferrite α e cementite Bainite superiore tra 550 C e 350 C Bainite inferiore tra 350 C e 250 C 45 Trasformazioni Martensitiche Martensite: fase metastabile composta da una soluzione solida supersatura di C nel ferro CCC o ferro tetragonale CCC Causata dal raffreddamento rapido di acciaio austenitico a temperatura ambiente (tempra) Ms temperatura di martensite start Mf temperatura di martensite finish Martensite aciculare: meno di 0.6% C, composta da domini ad aghetti con orientamenti diversi Martensite a placchette: più di 0.6% C, hanno una struttura fine con presenza di geminati (Da A. R. Marder G. Krauss, Hardenability Concepts with Applications to Stell, AIME, 1978, p 238) Tipo a placchette Tipo aciculare 46

24 Trasformazioni Martensitiche Reticolo tetragonale a corpo centrato con carbonio interstiziale (Da E. R. Parker e V. F. Zackay, Strong and ductile Stells, Sci. Am., november 1968, p. 36.) 47 Diagrammi TTT 48

25 Diagramma CCT 49 Trattamenti Termici degli Acciai 50

26 Trattamenti Termici degli Acciai RICOTTURA Temperatura eutettoidica: Perlite grossolana Perlite fine Martensite e Perlite Martensite 51 Trattamenti Termici degli Acciai 52

27 Trattamenti Termici degli Acciai Elevata tenacità 53 Trattamenti Termici degli Acciai 54

28 Trattamenti Termo-Chimici degli Acciai per l indurimento della superificie 55 Classificazione degli acciai Designazione alfa numerica UNI EN

29 Classificazione degli acciai Designazione alfa numerica UNI EN Acciai Legati Per superare i limiti degli acciai al carbonio sono stati sviluppati gli acciai legati contenenti elementi di lega per migliorare le proprietà. Zolfo, Foforo, Ossigeno e Idrogeno peggiorano le proprietà del materiale. 58

30 GHISE Proprietà generali: contiene 2-4% C e 1-3% Si Facilmente fusibili, molto fluide, basso ritiro, facilmente lavorabili alle macchine utensili Bassa resistenza all impatto e duttilità Tipi di ghise: ghisa bianca ghisa grigia ghisa sferoidale ghisa malleabile 59 GHISA Iron Bridge (Regno Unito): primo ponte in ghisa

31 GHISA Bianca La maggior parte del carbonio forma carburo di ferro anziché grafite durante la solidificazione La superficie di frattura appare bianca e cristallina Basso contenuto di carbonio (2.5 3%) e di silicio ( %) Eccellente resistenza all usura Carburo di ferro Perlite Per Concessione della Central Foundry 61 GHISA Grigia Il carbonio eccede il contenuto che può essere disciolto nell austenite e precipita come lamelle di grafite La superficie di frattura appare grigia Eccellente lavorabilità alle macchine utensili, durezza e resistenza all usura, e capacità di smorzamento delle vibrazioni % C e 1 3% Si (promuove la formazione di grafite) Lamelle di grafite (Da Metals Hanbook, vol.7, 8 ed., America Society for Metals, 1972, p 82.) 62

32 GHISA Sferoidale Ha i vantaggi di ottenimento delle ghise e i vantaggi tecnologici dell acciaio. Buona fluidità, colabilità, lavorabilità e resistenza all usura Elevata resistenza meccanica, tenacità, duttilità e temprabilità (dovuta agli sferoidi di grafite) 3-4% C e % Si, basse impurezze Microstruttura tipo occhio di bue (Da Metals Hanbook, vol.7, 8 ed., America Society for Metals, 1972, p 88.) 63 GHISA Malleabile % C e % Si La ghisa bianca viene riscaldata in un forno di malleabilizzazione per trasformare i carburi in grafite Si formano noduli di grafite irregolari Buona colabilità, lavorazione alle macchine utensili, media resistenza meccanica, tenacità e uniformità (Da Metals Hanbook, vol.7, 8 ed., America Society for Metals, 1972, p 95.) 64

33 Metalli Au 6000 BC Cu 4200 BC Ag 4000 BC Pb 3500 BC Sn 1750 BC Fe 1500 BC Hg 750 BC Zn 1500 Ni 1751 Mg 1755 Al 1825 Ti prima tecnica di produzione: Metalli Ferro Allumini Magnesio Nichel Ram Titani Simbolo Fe oal Mg Ni ecu oti Numero atomico Peso atomico Densità (g/cm 3 ) Temperatura di fusione ( C) Resistività a 20 C (µω cm) Conducibilità termica (W/mK) Modulo elastico E (MPa) Carico di rottura R (MPa) Carico di snervamento Rs (MPa) Allungamento a rottura A (%)

34 Alluminio Numero atomico Z: 13 Massa Atomica: g/mol Densità: 2.70 g/cm 3 Punto fusione: 660 C L alluminio è il metallo più abbondante sulla crosta terrestre (8.3% in peso) ed è il terzo elemento più abbondante dopo ossigeno e silicio. Non si trova libero in natura; il suo minerale più importante dal punto di vista commerciale è la bauxite Al 2 O 3 xh 2 O (x = 1 3). Le riserve sono immense e distribuite su una grande fascia geografica nelle regioni tropicali e subtropicali in grandi giacimenti a cielo aperto (Australia, Guinea, Brasile, Giamaica). È leggero, non tossico, ha una alta conducibilità termica ed elettrica, una eccellente resistenza alla corrosione e non è magnetico. È malleabile (secondo solo all oro) e duttile; lui e le sue leghe possono essere facilmente ottenuti in tutte le forme possibili. 67 Alluminio La sua capacità di resistere alla corrosione è legata alla formazione di un sottile, aderente ed inerte strato di ossido che lo protegge da ulteriore ossidazione, permettendogli di conservare le eccellenti proprietà meccaniche. 68

35 Alluminio L alluminio puro è tenero e fragile ma diventa molto più resistente quando vengono fatte delle leghe con altri metalli quali rame, magnesio, silicio, manganese ecc.. Ci sono molti usi dell alluminio e delle sue leghe: Come metalli strutturali per aerei, navi, automobili e scambiatori di calore. Negli edifici (porte, finestre ecc.). Contenitori come lattine per bibite, tubi per dentifrici, fogli di alluminio. Utensili da cucina. Cavi elettrici: l alluminio puro conduce per unità di volume circa due terzi della corrente elettrica condotta dal rame, ma esso ha soltanto un terzo della densità del rame (Al, 2.70 g/cm 3 ; Cu, 8.92 g/cm 3 ). 69 Alluminio: leghe Semilavorati senza trattamento termico 99% Al + Fe + Si % Cu Carico di rottura = 90 MPa utilizzata per produrre lamiere il manganese è il principale elemento di lega Al + Fe + Si % Cu % Mn Carico di rottura = 110 MPa usata per impieghi generali Al + fino a 5% Mg Al + 25%Mg + 0.2% Cr Carico di rottura = 193 MPa utilizzata per lamiere per autobus, autocarri e applicazioni marine 70

36 Alluminio: leghe Semilavorati - trattamento termico Al + Cu + Mg Al + 4.5% Cu + 1.5% Mg + 0.6%Mn Carico di rottura = 442 MPa applicazioni strutturali aeronautiche Al + Mg + Si Al + 1% Mg + 0.6%Si + 0.3% Cu + 0.2% Cr Carico di rottura = 290 Mpa applicazioni strutturali generali Al + Zn + Mg + Cu Al + 5.6% Zn + 2.5% Mg + 1.6% Cu % Cr Carico di rottura = 504 MPa applicazioni strutturali aeronautiche 71 Alluminio: leghe In Getto Al + Si + Cu + Mg Al + 5% Si + 1.2% Cu + 0.5% Mg Carico di rottura = MPa accessori aeronautici, motori Al + Si + Mg Al + 7% Si + 0.3% Mg Carico di rottura = MPa cerchioni autocarri, scatole di differenziale Al + Si + Cu + Mg Al + 9.5% Si + 3% Cu + 1% Mg Carico di rottura = 504 MPa applicazioni strutturali aeronautiche 72

37 Numero atomico Z: 12 Massa Atomica: g/mol Densità: 1.74 g/cm 3 Punto fusione :650 C Magnesio E il più leggero metallo da costruzione, ha un eccellente lavorabilità meccanica a caldo e buone caratteristiche di stabilità alla corrosione. E più costoso di Al, ma è presente sulla terra in quantità inesauribile facilmente disponibile (nel mare). I composti di Mg, soprattutto l ossido di magnesio, sono usati come materiale refrattario nelle fornaci per la produzione di acciaio, metalli non ferrosi, vetro e cemento: resiste ad elevate temperature ( C) senza fondere, disgregarsi o deformarsi. L utilizzo principale del Mg è come additivo nelle leghe con l alluminio, che sono utilizzate soprattutto nelle lattine per le bevande e per alcuni componenti strutturali di automobili e velivoli. Il magnesio, è spesso usato per la produzione dei cerchioni per le ruote delle auto cerchi in lega. Combinato in lega, è usato per le costruzioni elicotteristiche, 73 aeronautiche e missilistiche. Zn e Al ne aumentano la resistenza meccanica. Numero atomico Z: 28 Massa Atomica: g/mol Densità: 8.90 g/cm 3 Punto fusione: 1453 C Nichel Il nichel non è molto abbondante, ma viene prodotto in grandi quantità ed è molto usato nella preparazione delle leghe, sia con il ferro che con altri metalli. E caratterizzato da una buona resistenza all ossidazione ed alla corrosione, per cui viene usato per i rivestimenti di parti soggette ad ambienti aggressivi. E facilmente lavorabile e saldabile è duttile e tenace anche a basse temperature ed è resistente al calore. Il Ni aumenta sia la durezza dell acciaio che la sua resistenza agli attacchi chimici. Gli acciai inossidabili contengono fino all 8% di Ni. 74

38 Rame Numero atomico Z: 29 Massa Atomica: g/mol Densità: 8.96 g/cm 3 Punto fusione: 1083 C Il Cu possiede una gamma di proprietà che nel loro insieme nessun altro materiale di uso industriale può vantare: elevata conduttività elettrica e termica facilità di formatura ed elevata deformabilità sia a caldo che a freddo facilità di entrare in lega con altri metalli eccellenti caratteristiche meccaniche che vengono conservate anche a bassissime temperature buona resistenza alla corrosione in moltissimi ambienti facilità di elettrodeposizione facilità di giunzione per saldatura disponibilità alle colorazioni decorative Il Cu, dopo Fe e Al, è il metallo più importante dal punto di vista tecnologico; la sua produzione si aggira sui 10 milioni di tonnellate/anno. 75 Rame Oltre metà della produzione del rame è dedicata alla fabbricazione di conduttori elettrici, mentre il restante è essenzialmente impiegato nella fabbricazione di leghe. Le leghe più importanti del rame sono: bronzi (in passato: Cu 70%, Sn 30%. Adesso: Cu 70%, altro 30%. ) ottoni (60 85% Cu, 15 40% Zn) leghe da conio (95% Cu, 4% Sn, 1% Zn) costantane (50-60% Cu, 40-50% Ni, 1% Mn) usate per costruire apparecchiature elettriche da misura in quanto la sua resistenza elettrica rimane costante in un ampio campo di temperature. 76

39 Titanio Numero atomico Z: 22 Massa Atomica: g/mol Densità 4.51 g/cm 3 Punto fusione 1668 C Il Ti raramente si trova in natura allo stato elementare, i minerali più importanti sono l ilmenite FeTiO 3 ed il rutilo TiO 2. Gioca un ruolo fondamentale come materiale grazie alle seguenti proprietà: Eccellente resistenza alla corrosione. Alta conducibilità termica ed elettrica. Ottimo rapporto resistenza/peso; più resistente e più leggero dell acciaio. Il Ti ha una resistenza ( MPa) che è tre volte quella dell acciaio pur pesando solo il 42% di quest ultimo e ciò lo rende il materiale ideale come componente per leghe impiegate nella costruzione di aerei, missili e veicoli aereospaziali. E inoltre capace di sostenere alte temperature (p.f C). E chimicamente inerte e grazie alla sua eccellente bio-compatibilità viene usato come materiale per protesi mediche e in gioielleria. 77