RISPOSTE BREVI 2 QUADRIMESTRE

Transcript

1 1 di 6 05/03/ : RISPOSTE BREVI 2 QUADRIMESTRE Q. descrivi la martensite R. descrivi la prova Jominy S. descrivi i vari tipi di forni di riscaldamento (elettrici, laser e a gas) T1. ricottura completa + ricottura isoterma T2. ricottura di coalescenza e normalizzazione Martensite Martensite in un acciaio AISI 4140 al microscopio ottico Acciaio temprato in acqua La martensite è unaforma allotropica metastabile dell'acciaio, sovrassatura di carbonio, nel reticolo del ferro α. È una fase che non sussiste in equilibrio, ma può essere ottenuta mediante congelamento strutturale dell'austenite per brusco raffreddamento da temperature superiori a quella di austenitizzazione (variabile a seconda del contenuto in carbonio, comunque compresa tra 727 C e 912 C) fino a temperatura ambiente; si origina così un reticolo tetragonale a corpo centrato piuttosto tensionato. E' possibile ottenerla solo se la % di carbonio nell'acciaio è >=0,2% A temperatura ambiente sarebbe stabile la struttura perlitica, un miscuglio di ferro alfa e cementite (Fe 3 C); il raffreddamento troppo rapido, però, fa sì che la massa metallica "non riesca" ad arrangiarsi nella struttura stabile non tensionata ferritica, ma andando a ricalcare quella austenitica è altamente tensionata. Le sue notevoli deformazioni reticolari, che ostacolano il movimento delle dislocazioni, sono la causa prima dell'indurimento. La formazione inizia alla temperatura indicata di solito con M s e si completa alla temperatura M f ; tale intervallo si sposta in basso all'aumentare della concentrazione di carbonio e di altri elementi alliganti Nella trasformazione da austenite a martensite si ha aumento di volume, bisogna quindi porre attenzione che le tensioni interne creatasi non snervino il materiale, con la nascita di distorsioni e cricche.

2 2 di 6 05/03/ :41 La martensite è una fase che presenta alta durezza e resistenza meccanica, perciò spesso è ottenuta appositamente in un pezzo mediante il trattamento termico di tempra. Il suo problema, tuttavia, è che è una struttura macroscopicamente fragile e altamente tensionata, perciò spesso alla tempra si fa seguire un trattamento di rinvenimento (la combinazione dei due trattamenti è detta bonifica) allo scopo di "ammorbidire" questi problemi e raggiungere un buon compromesso tra durezza, resistenza e tenacità dell'acciaio. Prova di Jominy Esecuzione della prova di Jominy: raffreddamento con acqua (a sinistra) e prova di durezza (a destra). Sono mostrate le impronte lasciate durante la prova di durezza: tanto più piccola è l'impronta, tanto più elevata è la durezza del materiale. Dimensioni dell'apparecchiatura utilizzata nella prova di Jominy La prova di Jominy si utilizza in metallurgia per esaminare il comportamento dell'acciaio in risposta ai trattamenti termici, verificando in particolare la penetrazione della durezza in profondità (variazione della durezza dalla superficie al cuore). Dalla prova si ricavano inoltre indicazioni sull'attitudine dell'acciaio a subire un trattamento di indurimento (tempra). La prova si basa essenzialmente su misure di durezza effettuate su un provino di 25 mm di diametro e della lunghezza di 100 mm sottoposto a riscaldamento e poi raffreddato ad un'estremità mediante un getto d'acqua controllato. Per la prova si utilizzano un forno elettrico a muffola con annesso dispositivo Jominy, una rettificatrice piana e un durometro. Il dispositivo è costituito essenzialmente da un supporto che presenta al centro un'apertura circolare di 26 mm, a 110 mm sotto l'apertura è posto un ugello con foro di efflusso di 13 mm (con l'asse allineato col centro dell'apertura); l'estremità inferiore del provino, quando è alloggiato nel supporto, viene a trovarsi alla distanza di 13 mm dal foro di efflusso dell'acqua. Fasi della prova Si scalda il provino ad una temperatura superiore ad Ac3, che dipende dal materiale del provino, cioè circa 870 C (temperatura di austenizzazione sopra i punti critici) - il provino viene inserito in un'apposita camicia al fine di ridurre l'effetto ossidante sulla superficie dello stesso - e lo si mantiene a tale temperatura per circa 30 minuti Si toglie il provino dalla camicia e lo si posiziona nel minor tempo possibile

3 3 di 6 05/03/ :41 sull'apposito supporto (circa 5 secondi). Si apre quindi la valvola dell'acqua la quale dovrà trovarsi a temperatura compresa tra 15 C e 25 C A pezzo completamente raffreddato si ricava mediante lavorazioni di rettifica o fresatura una pista rettilinea lungo la generatrice asportando 0,4 mm di metallo. Si effettuano sulla pista rettificata le misure di durezza HRC alle distanze unificate: la prima prova a 1,5 mm dall'estremità; la seconda a 1,5 mm dalla prima; le prove successive con intervalli di 2 mm fino a 15 mm totali dall'estremità; dopo i 15 mm intervalli da 5 mm o a piacere. Il provino è fissato su un attrezzo costruito appositamente e sul quale sono presenti delle tacche che rispettano le distanze a cui si devono effettuare le prove di durezza. Le misure effettuate vengono riportate su una tabella standard mediante la quale si ricava la curva di durezza e la si confronta con le curve note descrivi i vari tipi di forni di riscaldamento (elettrici, laser e a gas) Forno elettrico: presenta notevoli vantaggi rispetto i forni a combustibile come una maggiore precisione e uniformità di temperatura all'interno, semplicità ed economicità di lavoro. Forno elettrico a resistenza che utilizza l'effetto Joule Forno elettrico ad induzione il cui riscaldamento è dovuto ad un campo magnetico alternato creato da una bobina attraversata da corrente alternata: la profondità di penetrazione varia in funzione della frequenza della corrente (maggiore è la frequenza più sottile è lo strato riscaldato. Nella pratica il riscaldamento ad induzione è utilizzato prevalentemente per la tempra superficiale o per la tempra localizzata. Vantaggi: regolazione facile, velocità di riscaldamento ed assenza di ossidazioni. Forno laser: è particolarmente indicato per i trattamenti superficiali perchè consente di raggiungere elevate temperature superficiali in frazioni di secondo Forno a gas: sfruttano combustibili liquidi (nafta) o gassosi (metano). Hanno maggiore economia di esercizio ma minore precisione nel controllo della temperatura interna. Per evitare reazioni tra la superficie dei pezzi e l'aria con formazione di ossidi e decarburazioni superficiali e quindi alterazioni delle caratteristiche dei pezzi, si ricorre a forni con atmosfere interne controllate. Un procedimento che trova oggi largo impiego è il trattamento sotto vuoto che ha vantaggi economici e ecologici non dovendo smaltire gas che sono spesso inquinanti. La pressione è generalmente variabile tra 1 e 10-6 bar; per realizzare il vuoto si usano pompe a vuoto. Forno a bagni di sale I vantaggi sono una ottima precisione termica ed una buona trasmissione del

4 4 di 6 05/03/ :41 calore al pezzo (4-6 volte superiore al trattamento a gas). Inoltre si evita qualsiasi contatto con l'aria (eliminando i problemi di ossidazione e decarburazione). I svantaggi sono lo smaltimento dei sali in genere molto velenosi e la pulizia accurata dei pezzi dopo il trattamento per eliminare completamente i residui dei sali. Si può realizzare processi di carbonitrurazione. Ricottura completa Detta anche genericamente ricottura, essa è eseguibile sugli acciai dotati di punti di trasformazione e consiste in: riscaldamento fino a Ac C oppure Ac C; sosta in tale condizione per circa 1 ora ogni 30-50mm di spessore; raffreddamento lento in forno (5-50 C/h) fino alla formazione stabile di ferrite, perlite o carburi (dopo l'intervallo critico) : per acciai al carbonio o debolmente legati vuol dire fino a 600 C, per acciai molto legati anche 300 C; in seguito si può raffreddare il pezzo più rapidamente in aria. La struttura perlitica così raggiunta comporta l'addolcimento massimo e quindi un'ottima lavorabilità a freddo. Lo svantaggio è costituito dal lungo tempo di trattamento e della formazione struttura grossolana Ricottura isoterma Volendo velocizzare la ricottura completa o di globulizzazione, si può optare per la ricottura isotermica, la quale prevede: austenitizzazione ad una temperatura maggiore di Ac3 (acciai ipoeutectoidici) o di Ac1 (acciaio ipereutectoidici) per ottenere l'equilibrio strutturale; sottoraffreddamento fino a T non troppo inferiore ad A1 ( C);

5 5 di 6 05/03/ :41 permanenza fino alla completa trasformazione dell'austenite (vedi curve TTT di Bain); raffreddamento in aria o altro, dato che la velocità di raffreddamento non influenza più la trasformazione. La T determina la struttura finale dell'acciaio e quindi la sua durezza, scelta in base alla desiderata deformabilità o lavorabilità alle macchine utensili. Si ottiene così ferrite e/o perlite lamellare strutturalmente molto uniformi, grazie alla sosta a temperatura costante. Ricottura di coalescenza Detta anche ricottura pendolare, conferisce alla cementite una conformazione nettamente sferoidale e una distribuzione uniforme. La perlite globulare ha una configurazione stabile, in quanto l' energia superficiale diminuisce rispetto alla configurazione lamellare: questo trattamento aumenta quindi la tenacità e duttilità. Si opera con un tempo di riscaldamento molto lungo (circa 30 ore) o oscillando la temperatura di C attorno ad A1. Il risultato tecnologico è un acciaio ben truciolabile e stampabile anche a freddo, costituito da ferrite interrotta da globuli di cementite. Ad esempio l'acciaio 100Cr6, per la costruzione di cuscinetti a rotolamento, è così trattato. Ricottura di normalizzazione In metallurgia la normalizzazione è un trattamento termico che consiste nel riscaldamento del materiale ad una temperatura poco superiore a quella di austenizzazione (Ac C), nella permanenza per 15 minuti circa a questa temperatura tale da raggiungere l'equilibrio microstrutturale e nel raffreddamento in aria calma. Tale processo è simile alla ricottura, ma in questo caso il raffreddamento è più rapido. L'obiettivo principale è affinare la grana cristallina dell'acciaio e uniformare la microstruttura. Generalmente si ottengono strutture simili a quelle di un materiale che ha subito ricottura: la perlite che si ottiene con la normalizzazione è però costituita da cristalli più minuti (a causa del raffreddamento più veloce). Ne consegue il miglioramento della resistenza e lo spostamento della transizione duttile - fragile. Di solito tale processo è eseguito come ultima operazione; può costituire il rimedio a un surriscaldamento della grana. Dovrebbe sempre essere effettuata su getti d'acciaio al carbonio e basso legati e su

6 6 di 6 05/03/ :41 quelli già sottoposti a ricottura d'omogeneizzazione, per affinare la struttura grossolana. È utile per annullare qualsiasi trattamento termico o meccanico (ad esempio tempra e incrudimento). L'affinazione della grana che ne consegue è un'utile preparazione a successiva tempra e carbocementazione. Viene eseguito di preferenza sugli acciai ipoeutectoidici.