Corso di Tecnologia dei Materiali ed Elementi di Chimica. Docente: Dr. Giorgio Pia

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3 Corso di Tecnologia dei Materiali ed Elementi di Chimica Docente: Dr. Giorgio Pia

4 La Scienza dei Materiali

5 Corso di Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata Proprietà meccaniche dei metalli

6 I metalli Sforzo e deformazione dei metalli I metalli vanno incontro a deformazione sotto l azione di una forza assiale a trazione Deformazione elastica: il metallo ritorna alla sua dimensione iniziale quando la forza a trazione è rimossa Deformazione plastica: il metallo è deformato a un valore tale che non è possibile recuperare la sua dimensione iniziale

7 Deformazione plastica dei metalli

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9 I metalli Sforzo e deformazione nominale Sforzo nominale σ = F (forza a trazione assiale media) A 0 (superficie resistente iniziale) Unità dello sforzo: PSI or N/m 2 (Pascal) A 0 0 A Δl 0 Deformazione nominale = ε = Variazione lunghezza Lunghezza iniziale 0 0 Unità della deformazione: in/in o m/m

10 I metalli Modulo di Poisson Rapporto di Poisson = ( laterale ) ( longitudin ale) y. z 0 w 0 w w w 0 0 Solitamente il rapporto di Poisson varia tra 0.25 e 0.4. Esempi: Acciaio inossidabile 0.28 Rame 0.33

11 I metalli Sforzo e deformazione di Taglio S (forza di taglio) τ = sforzo di taglio = A (superficie applicazione forza di taglio) Deformazione di taglio γ = Modulo elastico G = τ / γ spostamento a taglio distanza h sulla quale agisce lo sforzo

12 I metalli Proprietà meccaniche ottenute dalla prova a trazione Il modulo di elasticità Il carico di snervamento ad una deformazione dello 0.2% Il carico di rottura L allungamento percentuale a rottura La strizione percentuale a rottura

13 I metalli Proprietà meccaniche Modulo di Elasticità (E): lo sforzo e la deformazione hanno una relazione lineare nel campo elastico (Legge di Hook) E = σ (sforzo) ε (deformazione) s Δσ E = Δσ Δε Maggiore la resistenza di legame, maggiore il modulo di elasticità Δε Porzione lineare della curva sforzo/deformazione Esempi: Modulo di elasticità dell acciaio: 207 GPa Modulo di elasticità dell alluminio: 76 GPa

14 I metalli Sforzo di snervamento

15 I metalli Sforzo a rottura

16 I metalli Allungamento percentuale L allungamento percentuale è una misura della duttilità di un materiale È l allungamento del metallo prima della rottura, espresso come percentuale della lunghezza iniziale % allungamento = Lunghezza finale Lunghezza iniziale Lunghezza iniziale X 100 Misurata usando un calibro unendo le due parti fratturate Esempio: allungamento percentuale di Al puro 35% per la lega di alluminio 7076-T6 11%

17 I metalli Riduzione percentuale d area La riduzione percentuale di area è un altra misura della duttilità Il diametro della zona fratturata si misura con un calibro % riduzione area = Area iniziale Area finale X 100 Area finale La riduzione percentuale di area nei metalli diminuisce in presenza di porosità Curve s/ per diversi metalli

18 I metalli Effetto della deformazione plastica La deformazione plastica porta ad uno sforzo di taglio dei grani l uno con l altro I grani si allungano nella direzione della laminazione Le dislocazioni si riarrangiano Struttura a grani in differenti regioni di un ottone cartridge in un cuneo

19 Corso di Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata Diagrammi di Stato

20 Diagrammi di Stato Introduzione Fase: regione in un materiale che è diversa per struttura e funzione da altre regioni. Diagramma di stato: rappresenta le fasi presenti nel metallo in diverse condizioni (temperatura, pressione e composizione); indica la solubilità solida di equilibrio di un elemento in un altro; indica l intervallo di temperatura nel quale avviene la solidificazione; indica la temperatura alla quale diverse fasi iniziano a fondere.

21 Diagrammi di Stato Introduzione La sostanza pura esiste come solido, liquido e vapore La fasi sono separate da fasi limite Esempi: acqua, ferro puro differenti fasi coesistono al punto triplo

22 Diagrammi di Stato Introduzione

23 Diagrammi di Stato Introduzione

24 Diagrammi di Stato Regola delle fasi di Gibbs F+V = C+2 F = numero di fasi che coesistono in un sistema V = gradi di libertà (numero di variabili: pressione, temperatura e composizione) C = numero di componenti (un elemento, un composto o una soluzione del sistema)

25 Diagrammi di Stato Regola delle fasi di Gibbs punto triplo F+V = C+2 Per l acqua pura, al punto triplo, coesistono 3 fasi. C è un componente (acqua) nel sistema Quindi 3 + V = V = 0 V = 0 significa che nessuna delle variabili può essere cambiata per mantenere le tre fasi

26 Diagrammi di Stato Regola delle fasi di Gibbs lungo curva solidificazione F+V = C+2 Lungo la linea di solidificazione le fasi sono due Quindi 2 + V = V = 1 V = 1 significa che una solo variabile può essere cambiata indipendentemente

27 Diagrammi di Stato Regola delle fasi di Gibbs punto all interno di una fase F+V = C+2 In un punto qualsiasi dove si trova una singola fase Quindi 1 + V = V = 2 V = 2 significa che entrambe le variabili possono essere cambiate indipendentemente

28 Diagrammi di Stato Regola delle fasi di Gibbs La maggiorparte dei diagrammi di stato binari utilizzati nella scienza dei materiali è costituito da diagrammi temperatura-composizione nei quali la pressione viene mantenuta costante ad 1 atm. In questo caso la regola di Gibbs diventa: F+V = C+1

29 Diagrammi di Stato Curve di raffreddamento Utilizzate per determinare la temperatura di transizione di fase I valori di tempo e temperatura del metallo fuso che raffredda sono registrati e diagrammati Iron Arresto termico: perdita di calore = calore fornito per la solidificazione del metallo Le leghe solidificano in un intervallo di temperature (non c è arresto termico)

30 Diagrammi di Stato Curve di raffreddamento Utilizzate per determinare la temperatura di transizione di fase I valori di tempo e temperatura del metallo fuso che raffredda sono registrati e diagrammati Iron

31 Diagrammi di Stato Curve di raffreddamento ferro puro CCC CFC CCC

32 Diagrammi di Stato Sistema di lega binaria isomorfa Lega binaria Miscela di due sistemi Sistema a due componenti In alcuni sistemi metallici binari i due elementi sono completamente solubili uno nell altro allo stato liquido e solido; in essi esiste una sola tipologia di struttura cristallina e per questo sono detti sistemi isomorfi. Esempio: soluzione Cu-Ni La composizione delle fasi liquida e solida ad ogni temperatura può essere determinata disegnando una linea di collegamento

33 Solidificazione dei metalli Regole di solubilità allo stato solido di Hume-Rothery La solubilità dei solidi è maggiore se: Il diametro degli atomi non differisce più del 15% Le strutture cristalline sono simili Non c è grande differenza nella elettronegatività in modo che non si formino composti gli elementi hanno la stessa valenza

34 V = C F + 1 Nei punti di fusione dei componenti puri C = 1 ed F = 2 (liquido solido) Quindi V = V = 0 V = 0 punto di invarianza

35 V = C F + 1 Nelle regioni a singola fase (liquido o solido ) C = 2 (Ni o Cu) ed F = 1 (liquido solido) Quindi V = V = 2 V = 2 possiamo mantenere la microstruttura del sistema in questa regione variando sia la temperatura sia la composizione

36 V = C F + 1 Nelle regioni a due fasi (liquido o solido ) C = 2 (Ni o Cu) ed F = 2 (liquido solido) Quindi V = V = 1 V = 1 possiamo mantenere la microstruttura del sistema in questa regione variando la temperatura o la composizione

37 a Per individuare un punto a sul diagramma di stato si devono specificare temperatura e composizione: a (1050 C, 20% Ni) La microstruttura della soluzione solida α di Ni a questa temperatura e concentrazione si presenta come quella del metallo puro, ma la lega avrà resistenza meccanica e resistività elettrica superiori a quelle del Cu

38 wl =45% ws =58% Nella regione compresa tra le linee di liquidus e solidus abbiamo sia la fase liquida che quella solida. Considerando la lega 53% Ni 47% Cu a 1300 C per trovare la composizione delle singole fasi dobbiamo... Tracciare una linea orizzontale a 1300 C sino ad incontrare la linea di liquidus e di solidus

39 Diagramma di stato da curve di raffreddamento Diagrammi di Stato Costruzione a partire dalle curve di raffreddamento Si costruisce prima una serie di curve di raffreddamento a diverse composizioni di materiale Si considerano i punti di cambio di pendenza delle curve di raffreddamento (arresti termici) e si costruisce il diagramma di stato Maggiore è il numero delle curve di raffreddamento, più accurato è il diagramma di stato risultante

40 Diagramma di stato da curve di raffreddamento Diagrammi di Stato Costruzione a partire dalle curve di raffreddamento Si costruisce prima una serie di curve di raffreddamento a diverse composizioni di materiale Si considerano i punti di cambio di pendenza delle curve di raffreddamento (arresti termici) e si costruisce il diagramma di stato Maggiore è il numero delle curve di raffreddamento, più accurato è il diagramma di stato risultante

41 Diagramma di stato da curve di raffreddamento Diagrammi di Stato Costruzione a partire dalle curve di raffreddamento Al contrario di un metallo puro, per le leghe la solidificazione avviene in un intervallo di temperature. Quando si parla di temperatura di solidificazione di una lega si intende la temperatura alla quale questo processo è stato completato.

42 Diagrammi di Stato La regola della Leva Consideriamo due elementi A e B completamente miscibili l uno nell altro Alla temperatura T la lega x è formata da una miscela di solido e di liquido La regola della leva fornisce il peso percentuale delle fasi nelle due regioni 1. alla temperatura T considerata si traccia una linea orizziontale

43 Diagrammi di Stato La regola della Leva Le quantità in peso dei due costituenti possono essere calcolate partendo da due equazioni: Equazione 1. la somma della frazione di peso della fase liquida e della fase solida è pari a 1 Xl + Xs = 1 Xl = 1- Xs Xs = 1- Xl

44 Diagrammi di Stato La regola della Leva Equazione 2. Bilanciamento peso totale di B nella lega e la somma nelle due diverse fasi Grammi di B in una miscela bifasica Grammi di B = + Nella fase liquida Grammi di B Nella fase solida Quindi: w0 = Xl wl + Xs ws Frazione in peso fase liquida Frazione in peso fase solida Composizione fase liquida Composizione fase solida

45 Diagrammi di Stato La regola della Leva Quindi combinando: Xl = 1- Xs w0 = Xl wl + Xs ws w0 = (1- Xs) wl + Xs ws w0 = wl- Xswl + Xs ws Xs= (w0 wl) / (ws wl) w0 = Xl wl + (1 Xl) ws w0 = Xl wl + ws - Xl ws Xl= (ws w0) / (ws wl)

46 Diagrammi di Stato La regola della Leva Xs= (w0 wl) / (ws wl) Xs= LO/LS

47 Diagrammi di Stato La regola della Leva Xl= (ws w0) / (ws wl) Xl= OS/LS

48 Diagrammi di Stato Strutture Eutettiche Poiché la diffusione è lenta a temperatura ambiente saranno ancora apprezzabili le due fasi

49 La Scienza dei Materiali