Corso di Metallurgia. Ing. Nadia Ucciardello

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1 Corso di Metallurgia Ing. Nadia Ucciardello

2 Studio: Secondo piano, Edidficio : Ingegneria Industriale, Tel Fax: Nadia. Ucciardello@uniroma2.it 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 nella stanza n. 2109

3 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

4 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

5 Elementi di cristallografia Difetti reticolari

6 Struttura dei metalli

7 Reticoli di Bravais

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9 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.

10 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.

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12 Difetti di punto

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14 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.

15 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: r v Ae Em RT dove r V è il numero di atomi che saltano in un secondo in una vacanza, A è una costante ed E m 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 E D è data dalla somma dell energia di formazione E f e di migrazione E m delle vacanze. E D E f E m

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17 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).

18 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).

19 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.

20 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.

21 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.

22 DISLOCAZIONI 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.

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25 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.

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34 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. Cross slip 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.

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39 Genesi delle dislocazioni

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50 DEFORMAZIONE PLASTICA

51 Geometria dello scorrimento DEFORMAZIONE PLASTICA 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.

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54 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)

55 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.

56 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: r Pcos A/ cos P cos cos A

57 Una delle prime idee sviluppate per spiegare l incrudimento fu quella del backstress 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

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