Corso di Laurea in Ingegneria Edile. Materiali metallici e leghe metalliche. Leghe del ferro: acciai e ghise.

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Federico Bertini
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1 Dip. di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale Università Federico II di Napoli Corso di Laurea in Ingegneria Edile Corso di Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata (Prof. Fabio Iucolano) Materiali metallici e leghe metalliche. Leghe del ferro: acciai e ghise.

2 Materiali Metallici Legame Metallico Reticolo di ioni positivi immersi in elettroni delocalizzati, liberi di muoversi all interno del reticolo. Caratteristiche legame metallico Legame forte Legame non direzionale Elettroni delocalizzati Proprietà dei metalli Elevati punti di ebollizione e di fusione Alta densità Duttili Malleabili Buoni conduttori di calore ed elettricità Opacità e lucentezza

3 Materiali Metallici Ferrosi Ferro (Fe) Leghe ferrose (Acciai e Ghise) Non Ferrosi Rame (Cu) Stagno (Sn) Zinco (Zn) Alluminio (Al) Titanio (Ti) Bronzi (Cu-Sn) Ottoni (Cu-Zn) Leghe leggere (leghe dell Al)

4 Materiali metallici ferrosi Un po di storia Quando si pensa al primitivo uso del ferro, il riferimento immediato è con l'"età del ferro" (1200 a.c.), anche se i primi manufatti risalgono addirittura al 4000 a.c. Nei secoli passati il ferro fu usato in ambito edile con svariate funzioni: Per uso statico-strutturale Per protezione o barriera Per comunicazione tra vani o edifici diversi Per infissi Per decorazioni

5 Materiali metallici ferrosi Un po di storia Catene di irrigidimento strutturale Venivano usate per collegare le parti verticali in muratura degli edifici, allo scopo di evitare il cedimento laterale della struttura. La collocazione di queste catene è sempre denunciata dalla presenza, sulle estremità, dei capochiave, che servivano a bloccare la catena nella muratura.

6 Materiali metallici ferrosi Un po di storia Castello Maniace, Siracusa Cerchiature in ferro di colonne e pilastri Venivano usate per assorbire le spinte delle cupole nel caso di impossibilità di assorbimento delle spinte da parte della muratura Duomo, Orvieto

7 Dal ferro all acciaio Perché..?? Ruolo di %C sulla curva σ-ε dell acciaio 1.12%C 0.8%C 0.61%C Il ferro puro, oggi, non ha alcun uso pratico, perché è estremamente duttile ma poco resistente. 0.36%C 0.21%C Per un uso tecnologico deve essere messo in lega con carbonio per formare acciai o ghise. %C

8 Leghe metalliche Sono miscele di metalli o di metalli e non metalli, che solidificando presentano proprietà metalliche. Metallo base = Elemento in maggiore quantità Elementi di alligazione = Elementi secondari che, appositamente introdotti, permettono di ottenere proprietà specifiche Osserviamo che. Sono ottenute generalmente a partire dai metalli allo stato fuso e poi raffreddando con cautela Hanno spesso proprietà diverse dai componenti di partenza Le proprietà non variano linearmente con la composizione

9 Struttura delle leghe Soluzioni solide Gli atomi degli elementi coesistono nella stessa struttura cristallina, con percentuali variabili entro un limite di solubilità. Sostituzionale Interstiziale Composti intermetallici Cristalli di composizione definita e costante (es. Fe 3 C, cementite) Cementite

10 LEGHE METALLICHE Ferrose (Fe>50%) Non Ferrose Acciai (C<2%) Ghise (2%<C<6%) Bianche Grigie Sferoidali Malleabili Classificazione

11 Il Ferro E tra gli elementi più diffusi sulla crosta terrestre (~5%) Polimorfismo: assume differenti strutture cristalline in funzione della temperatura. Magnetite, Fe 3 O 4 Fe-α C.C.C. Fe-γ Fe-δ ~911 C ~1392 C 1536 C (T f ) C.F.C. C.C.C.

12 Soluzioni solide Fe-C Ferro e carbonio formano delle soluzioni solide interstiziali, con il carbonio che si posiziona nelle lacune ottaedriche del ferro. Fe-α Fe-γ Fe-δ + C Ferrite C max =0.02% T=723 C + C Austenite C max =2% T=1147 C + C Ferrite-δ C max =0.1% T=1493 C

13 Lacune ottaedriche nei reticoli CFC e CCC CFC: Ottaedro regolare, Raggio l.o. = 0.52 Å Ottaedro regolare CCC: Ottaedro irregolare, Raggio l.o. = 0.19 Å Raggio atomico Carbonio = 0.80 Å Pertanto, quando un atomo di C entra nel reticolo CCC crea una grossa distorsione del reticolo, rendendo inaccessibile un gran numero di lacune nelle posizioni adiacenti. Ottaedro irregolare Ciò spiega la bassissima solubilità del C nel Fe-α, nonostante tale reticolo sia meno compatto del Fe-γ

14 Microstrutture dell acciaio Microstruttura: è la struttura che si presenta ad un livello di dettaglio tale per cui si possano individuare le singole fasi o particelle che costituiscono il sistema. Si osserva con ingrandimenti al microscopio (100x 1000x) Influenza fortemente le proprietà meccaniche del materiale Il raffreddamento delle leghe metalliche allo stato fuso influisce sulle microstrutture? Raffreddamenti lenti Raffreddamenti veloci Microstrutture di equilibrio Microstrutture di non-equilibrio

15 Diagrammi di stato: a cosa servono Le microstrutture di equilibrio (cioè quelle che si ottengono in seguito a raffreddamenti molto lenti) possono essere previste e studiate mediante i diagrammi di stato, che consentono di: - Valutare quante e quali fasi sono presenti in un sistema al variare della composizione e della temperatura in condizioni di equilibrio, - Valutare la massima solubilità di un elemento in un altro allo stato solido ed in condizioni di equilibrio; - Conoscere la temperatura alla quale una miscela raffreddata in condizioni di equilibrio inizia a solidificare, e l intervallo di temperatura della solidificazione; - Conoscere la temperatura alla quale iniziano a fondere le varie fasi.

16 Diagramma di stato Fe-Fe 3 C semplificato Le microstrutture di equilibrio (cioè quelle che si ottengono in seguito a raffreddamenti molto lenti) di un acciaio, possono essere previste in base al diagramma di stato ferro-cementite. Ipotesi: P = cost = 1 atm Si trascura la solubilità di C nel Fe-α Si trascura la presenza della Ferrite-δ L = Fase liquida α = Ferrite γ = Austenite Fe 3 C = Cementite

17 Microstrutture di equilibrio (Raffreddamenti lenti) Austenite 200μm Nello studio delle microstrutture dell acciaio come punto di partenza si sceglie sempre l austenite, perché è il primo prodotto di solidificazione a prescindere dalla V R e dalla % C Raffreddando lentamente, a T=723 C si ha: Raffreddamento lento 2%C 0.02%C 6.7%C 723 C Austenite Ferrite + Cementite (Fe 3 C) Perlite Con tale raffredamento, a prescindere dalla composizione dell acciaio, si ottiene una grana cristallina grossolana. Perlite

18 Microstrutture di non-equilibrio (Raffreddamenti veloci) Raffreddando l austenite molto velocemente, il C non ha il tempo di diffondere dal reticolo CFC, e resta quindi intrappolato nel nuovo reticolo CCC che viene a formarsi. Infatti, nonostante la velocità del raffreddamento, il passaggio Fe-γ Fe-α avviene con relativa semplicità (trasformazione di spostamento) mediante piccoli movimenti degli atomi di Fe (vedi frecce) x x x x x x = posizioni occupabili dagli atomi di carbonio. x

19 Microstrutture di non-equilibrio (Raffreddamenti veloci) Austenite Martensite Soluzione solida forzata di C nel Fe-α Raffreddamento veloce Austenite Martensite cella tetragonale a corpo centrato La «forzatura» comporta una distorsione del reticolo, che si traduce in un aumento di volume di circa il 4% In base al meccanismo che porta alla sua formazione, la martensite è estremamente dura e fragile! Martensite

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