Tecnologia Meccanica. Fondamenti sui materiali 1

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1 PARTIMENTO INGEGNERIA Fondamenti sui materiali 1

2 PARTIMENTO INGEGNERIA 1. La struttura dei materiali metallici Fonti KalpakjianS., SchmidS.R., Manufacturing Engineering & Technology, Sixth Edition, Pearson Cap.1 The Structure of Metals Fondamenti sui materiali 2

3 UNIVERSITÀ D IPARTIMENTO I NGEGNERIA I NDUSTRIALE Engineering materials Fondamenti sui materiali 3

4 PARTIMENTO INGEGNERIA Classificazione dei materiali Metalli Ceramici Polimeri Tutti i materiali che contengono uno o più elementi metallici (Fe, Ni, Cu, Al etc.) ed elementi non metallici in piccole quantità (es. C, O, N); Gli atomi sono disposti in modo ordinato (es. Strutture cristalline); Sono materiali rigidi, duttili, conduttori di calore ed elettricità, opachi, suscettibili al deterioramento per corrosione. Sono composti di elementi metallici e non metallici; Possono presentare strutture cristalline o amorfe (vetri); Sono materiali rigidi, fragili, isolanti di calore ed elettricità, opachi o trasparenti, resistenti alla corrosione e alle alte temperature. Compositi organici basati principalmente su Carbonio ed Idrogeno. Alcuni polimeri contengono anche altri eteroatomi (ie. N, O, S e Si) Sono materiali duttili, meno rigidi di metalli e ceramici, bassa densità, isolanti di calore ed elettricità, opachi o trasparenti, con strutture semicristalline o amorfe. Fondamenti sui materiali 4

5 UNIVERSITÀ D IPARTIMENTO I NGEGNERIA I NDUSTRIALE Comportamento e proprietà dei materiali Fondamenti sui materiali 5

6 PARTIMENTO INGEGNERIA Comportamento e proprietà dei metalli Perché alcuni metalli sono duri e altri teneri? Perché alcuni metalli sono fragili e altri duttili e possono essere facilmente formati senza rotture? Perché alcuni metalli possono resistere alle alte temperature e altri no? Perché le lamiere metalliche possono comportarsi in maniera differente se tesi in una direzione rispetto ad un altra? Molte di queste domande trovano una risposta andando a studiare la struttura atomica dei metalli - l arrangiamento degli atomi all interno del metallo - Fondamenti sui materiali 6

7 PARTIMENTO INGEGNERIA Struttura atomica dei metalli Struttura atomica influenza le proprietà e il comportamento dei materiali durante i processi di fabbricazione: Composizione Impurità e vacanze Dimensioni dei grani Bordi grano Ambiente Dimensione e condizioni delle superfici Metodi di produzione Fondamenti sui materiali 7

8 Tipi di legami atomici PARTIMENTO INGEGNERIA In generale: Il numero di protoni all interno del nucleo atomico determina se un atomo è metallico, non metallico o semimetallico. Un atomo con carica bilanciata ha stesso numero di protoni ed elettroni Ioni sono caratterizzati da troppi o troppo pochi elettroni rispetto ai protoni (anioni e cationi) Il numero di elettroni presenti nelle orbite più esterne determina l affinità chimica di quell atomo con altri atomi. Gli atomi possono trasferire o condividere elettroni combinandosi in forme più stabili dette molecole. I legami che tengono uniti gli atomi possono essere primari o secondari I legami primari sono legati al trasferimento o condivisione degli elettroni e vengono detti legami forti (fondono a K) I legami secondari sono legati all interazione di dipoli e vengono detti deboli (fondono a K). Fondamenti sui materiali 8

9 Tipi di legami atomici Legame Ionico PARTIMENTO INGEGNERIA Tra elementi con diversa elettronegatività: trasferimento elettronico, mutua ionizzazione - grande forza di attrazione si stabilisce tra due ioni. Interazione tra cariche sferiche - legame non direzionale. Le molecole con questo tipo di legame hanno: - bassa duttilità - bassa conducibilità elettrica e termica. Fondamenti sui materiali 9

10 Tipi di legami atomici Legame Covalente PARTIMENTO INGEGNERIA Si basa sulla condivisione degli elettroni di valenza. Gli elettroni vengono condivisi per saturare la valenza. Gli elettroni di legame sono localizzati tra atomi di provenienza e si forma un legame fortemente direzionale. Le molecole con questo tipo di legame hanno: - elevata durezza - bassa conducibilità elettrica. Fondamenti sui materiali 10

11 Tipi di legami atomici Legame Metallico PARTIMENTO INGEGNERIA Tra elementi elettropositivi: gli elettroni di valenza vengono messi a comune a formare una nube elettronica dislocata tra gli ioni positivi. Gli elettroni di legame sono delocalizzati tra atomi di provenienza e si forma un legame adirezionale. Strutture cristalline molto dense. Le molecole con questo tipo di legame hanno: - buona deformabilità - elevata conducibilità elettrica e termica Fondamenti sui materiali 11

12 PARTIMENTO INGEGNERIA Strutture cristalline o amorfe Materiali CRISTALLINI Gli atomi sono disposti in maniera ripetitiva nelle 3 dimensioni, es: Metalli Molte ceramiche Alcuni polimeri Materiali non cristallini Gli atomi non hanno una disposizione periodica, es: Vetri Alcuni polimeri Fondamenti sui materiali 12

13 PARTIMENTO INGEGNERIA Strutture cristalline dei metalli Quando i metalli solidificano dallo stato fuso gli atomi si arrangiano in diverse configurazioni ordinate chiamate cristalli Il più piccolo gruppo di atomi che evidenzia caratteristiche di struttura reticolare in un metallo è detta cella unitaria o elementare. Un metallo è costituito da più cristalli e ogni cristallo è formato da più celle unitarie che si ripetono. Strutture densamente impacchettate: Legame metallico non è direzionale Atomi tendono ad avvicinarsi per ridurre l energia Atomi nello stesso metallo si dispongono secondo stesso reticolo Le strutture cristalline più semplici riscontrate nei metalli sono: CCC, CFC ed EC Fondamenti sui materiali 13

14 PARTIMENTO INGEGNERIA Reticolo di una struttura cristallina generica Cella Elementare Fondamenti sui materiali 14

15 PARTIMENTO INGEGNERIA Direzioni cristallografiche Fondamenti sui materiali 15

16 PARTIMENTO INGEGNERIA Direzioni cristallografiche Fondamenti sui materiali 16

17 PARTIMENTO INGEGNERIA Piani cristallografici Fondamenti sui materiali 17

18 PARTIMENTO INGEGNERIA Strutture cristalline dei metalli Struttura CFC Fondamenti sui materiali 18

19 PARTIMENTO INGEGNERIA Strutture cristalline dei metalli Struttura CCC Fondamenti sui materiali 19

20 PARTIMENTO INGEGNERIA Strutture cristalline dei metalli Struttura EC Fondamenti sui materiali 20

21 PARTIMENTO INGEGNERIA Sequenze di impacchettamento Struttura CFC I metalli formano differenti tipi di cristalli per minimizzare l energia richiesta per riempire lo spazio. Fondamenti sui materiali 21

22 PARTIMENTO INGEGNERIA Densità Volumetrica Fondamenti sui materiali 22

23 Strutture cristalline Allotropismo PARTIMENTO INGEGNERIA A differenti temperature lo stesso metallo può formare differenti strutture a causa di una minore energia richiesta La comparsa di più di un tipo di struttura cristallina è detta allotropismo o polimorfismo L allotropismo è molto importante nei trattamenti termici dei metalli come nei processi e nelle saldature Diamante Grafite Fondamenti sui materiali 23

24 Strutture cristalline PARTIMENTO INGEGNERIA Monocristallo- Policristallo Struttura monocristallina Tante celle unitarie orientate allo stesso modo per formare un monocristallo Le proprietà variano con la direzione: anisotropi Struttura policristallina Tante celle cristalline accresciutesi con orientazioni casuali o direzionali. In generale i materiali cristallini sono POLICRISTALLINI Le proprietà possono variare con la direzione Se i grani sono orientati a caso il materiale è isotropo Se i grani hanno una orientazione, il materiale è anisotropo Fondamenti sui materiali 24

25 PARTIMENTO INGEGNERIA Deformazione e resistenza dei monocristalli Monocristallo si deforma plasticamente secondo due meccanismi: 1) Slittamento di un piano di atomi su un piano adiacente (piano di scorrimento) sotto una sollecitazione di taglio sollecitazione di taglio direttamente proporzionale a b/ a dove a: distanza dei piani atomici b: inversamente proporzionale alla densità atomica nel piano atomico. Se b/a, la sollecitazione di taglio per provocare sligamento. Slittamento avviene lungo piani a massima densità atomica, lungo piani e direzioni più densamente impacchettate. b/a varia a seconda della direzione anisotropia. Fondamenti sui materiali 25

26 PARTIMENTO INGEGNERIA Deformazione e resistenza dei monocristalli Monocristallo si deforma plasticamente secondo due meccanismi: 2) Twinning (meno comune), una porzione del cristallo forma un immagine speculare della stessa attraverso il piano di twinning. I twins si formano bruscamente e sono la causa del cigolio che si verifica quando si piega una canna di stagno o zinco a temperatura ambiente. Twinning si verifica nei metalli con EC. Fondamenti sui materiali 26

27 PARTIMENTO INGEGNERIA Deformazione e resistenza dei monocristalli Metalli con 5 o più sistemi di scorrimento sono duttili, quelli con meno di 5 sistemi di scorrimento poco duttili. 1. Nei cristalli CCC, ci sono 48 sistemi di slittamento. A causa di b /a in questo cristallo, lo sforzo di taglio richiesto per deformare è. Metalli CCC hanno una buona resistenza e duttilità moderata (alta duttilità a temperature elevate) 2. Nei cristalli CFC, ci sono 12 sistemi di scorrimento. b/a quindi lo sforzo di taglio richiesto per deformare è. Metalli CFC hanno moderata resistenza e buona duttilità. 3. Nei cristalli EC, ci sono 3 sistemi di scorrimento, ma più sistemi di scorrimento si attivano ad elevate temperature. Metalli EC sono generalmente fragili a temperatura ambiente Sistemi di slittamento: combinazione di un piano di scorrimento e della sua direzione di slittamento. Fondamenti sui materiali 27

28 PARTIMENTO INGEGNERIA Applicazioni di materiali monocristallini Nei monocristalli il reticolo cristallino è continuo e ininterrotto. I monocristalli di considerevole dimensioni sono estremamente rari in natura, e sono difficili da produrre in laboratorio, sebbene possano essere creati sotto condizioni controllate. Monocristalli di diamante per abrasione. Silicio monocristallino utilizzato nella fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore. Monocristalli di zaffiro e altri materiali utilizzati per laser e ottica non lineare. Solidi monocristallini per la produzione di materiali ad alta resistenza, come le pale per turbine (alta resistenza a creep) Rame monocristallino ha una migliore conduttività rispetto al rame policristallino e utilizzato per applicazioni elettriche ad alto rendimento Fondamenti sui materiali 28

29 PARTIMENTO INGEGNERIA Difetti delle strutture cristalline metalliche La resistenza effettiva dei metalli è circa uno o due ordini di grandezza inferiore rispetto ai calcoli teorici. Discrepanza = presenza di difetti e imperfezioni nella struttura cristallina. Cristalli reali contengono un gran numero di difetti e imperfezioni, che generalmente sono classificati: 1. Difetti di punto: come vacanze (atomo mancante), atomi interstiziali (extra atomo nel reticolo), o impurezze (atomo diverso che ha sostituito l'atomo di metallo puro); 2. Difetti di linea: o difetti monodimensionali chiamati dislocazioni; 3. Difetti planari: imperfezioni, quali bordi di grano e confini di fase. 4. Difetti di volume: come vuoti, inclusioni, altre fasi, o cricche. Proprietà meccaniche ed elettriche di metalli (snervamento. resistenza a rottura, conducibilità elettrica) sono influenzate dai difetti; "structure sensitive". Proprietà fisiche e chimiche (punto di fusione, calore specifico, coefficiente di espansione termica) e costanti elastiche non sono sensibili a questi difetti; "structure insensitive". Fondamenti sui materiali 29

30 Difetti di punto Metalli puri Vacanze: Siti atomici vacanti PARTIMENTO INGEGNERIA Autointerstiziale (es. particolare di inclusione interstiziale): Atomi extra posizionati in siti normalmente non occupati Fondamenti sui materiali 30

31 Difetti di punto Leghe Soluzione solida di B in A PARTIMENTO INGEGNERIA Soluzione solida di B in A + una nuova fase (avviene per concentrazioni maggiori di B) Fondamenti sui materiali 31

32 PARTIMENTO INGEGNERIA Difetti di punto Leghe Fattori che controllano il tipo di soluzione Sostituzionali se gli atomi sono simili, cioè: Dimensioni simili, Δr < 15% Stessa struttura cristallina Elettronegatività simile Stessa valenza (a parità di tutto il resto, è più solubile il metallo avente valenza maggiore). Si formano soluz. solide interstiziali se un atomo è molto più piccolo dell altro (es., atomi piccoli sono H, C, O, N). Di solito le solubilità sono basse (< 10%). Fondamenti sui materiali 32

33 Difetti di linea Dislocazioni PARTIMENTO INGEGNERIA Sono difetti di linea nella disposizione ordinata della struttura atomica di un metallo, Lo slittamento tra piani reticolari avviene quando le dislocazioni si muovono; I piani di scorrimento che contengono dislocazioni richiedono minore sforzo di taglio per lo scorrimento rispetto a piani perfetti. Sono di due tipi a spigolo e a vite. Es. lo Zinco ha struttura EC Prima della deformazione Dopo la deformazione La densità delle dislocazioni, che può essere espressa in lunghezza di linea di dislocazione per unità di volume, è dell'ordine di cm -2 per un metallo ricotto, cm -2 per un metallo molto deformato. Fondamenti sui materiali 33

34 PARTIMENTO INGEGNERIA Difetti di linea Dislocazioni a spigolo Vettore di Burger, b: misura della distorsione reticolare Dislocazione a spigolo: Inserimento di un semipiano aggiuntivo di atomi b alla linea di dislocazione Fondamenti sui materiali 34

35 PARTIMENTO INGEGNERIA Difetti di linea Dislocazioni a vite Dislocazione a vite: Deformazione di taglio del reticolo b alla linea di dislocazione Fondamenti sui materiali 35

36 PARTIMENTO INGEGNERIA Difetti di linea Dislocazione mista Fondamenti sui materiali 36

37 PARTIMENTO INGEGNERIA Incrudimento In generale le dislocazioni possono: 1. Impigliarsi e interferire l'una con l'altra, 2. essere ostacolate da barriere, come bordi di grano, impurità e inclusioni del materiale. Necessita un sforzo di taglio per superare ostacoli e impedimeny ciò risulta in un della resistenza e della durezza del metallo a Tamb - incrudimento. Maggiore è la deformazione, è il numero di intrecci e quindi è l'aumento della resistenza del metallo. L'incrudimento è ampiamente utilizzato per il rafforzamento nella lavorazione dei metalli nei processi temperatura ambiente. Es.: produzione di fogli in metallo per i corpi di automobili e fusoliere di aerei per laminazione a freddo, produzione di teste di un bulloni per forgiatura, riduzione della sezione trasversale di fili metallici per trafilatura. Fondamenti sui materiali 37

38 UNIVERSITÀ D IPARTIMENTO I NGEGNERIA I NDUSTRIALE Materiali policristallini Grani Solidificando un metallo forma i primi cristalli all'interno del fuso in varie posizioni (nucleazione): hanno orientamenti casuali e indipendenti. Ogni cristallo cresce in una struttura cristallina o grano. Ogni grano è un singolo cristallo (metalli puri) o policristallino aggregato (leghe). Dimensione media dei grani dipende dal numero di siti di nucleazione e dalla velocità con cui crescono. Se il tasso di nucleazione è, il numero di grani per volume unitario sarà (grani piccoli). Se il tasso di crescita dei cristalli è (rispego nucleazione), ci saranno grani per unità di volume (grani più grandi). rapido raﬀreddamento produce grani più piccoli Nucleazione dei cristalli Crescita dei cristalli durante solidificazione Fondamenti sui materiali Metallo solido 38

39 PARTIMENTO INGEGNERIA Materiali policristallini Grani I grani possono essere di due tipi: 1. Equiassici (più o meno delle stesse dimensioni in tutte le direzioni): si formano nelle zone con maggiore rateo di sottoraffreddamento; 2. Colonnari (hanno una forma più allungata): si formano nelle zone con minore sottoraffreddamento. Fondamenti sui materiali 39

40 PARTIMENTO INGEGNERIA Materiali policristallini Dimensione dei Grani Anisotropo Fondamenti sui materiali 40

41 PARTIMENTO INGEGNERIA Materiali policristallini Dimensione dei Grani Ha una grande influenza sulle proprietà meccaniche dei metalli Grani grossi a Tamb resistenza, durezza, duzlità, rugosità dopo deformazione plastica (es. lamiere) Dimensione dei grani: Per l'astm(american Society for Testing and Materials): N = 2 (n-1) n: numero di granulometria N: numero di grani per inch 2 su micrografia a 100x Numero grani/area Numero grani che intersecano una linea di lunghezza nota su micrografia Confrontando micrografia grani con carte standard 5<n< 8 grana fine. n= 7 è accettabile per lamiere (carrozzerie, elettrodomestici e utensili da cucina) Fondamenti sui materiali 41

42 Materiali policristallini Influenza dei bordi grano PARTIMENTO INGEGNERIA Bordi grano: minore impacchettamento degli atomi maggior grado di disordine energia inferiore - atomi possono essere facilmente rimossi o legarsi chimicamente interferiscono con il movimento delle dislocazioni; scorrimento dei bordi grano - creep (allungamento sotto stress nel tempo) a temperature elevate I bordi hanno bassa densità Elevata mobilità; Elevata diffusività; Elevata reattività chimica. Fondamenti sui materiali 42

43 Materiali policristallini Influenza dei bordi grano PARTIMENTO INGEGNERIA INFRAGILIMENTI: Infragilimento dei bordi grano: esposizione a metalli a basso punto di fusione che indeboliscono bordi grano di metalli normalmente duttili rendendoli fragili. Es. alluminio con amalgama di mercurio zinco o gallio liquido. Hot shortness: causata dalla fusione locale di un componente o di impurità nel bordo grano ad una T < al punto di fusione del metallo stesso. Es. Se sottoposti a deformazione plastica a temperature elevate (lavorazione a caldo), un metallo si rompe lungo i suoi bordi di grano; es. antimonio in rame, acciai al piombo. Per evitarlo metallo è lavorato ad temperatura più bassa. Infragilimento da tempra: in acciai legati, causato da una segregazione (movimento) di impurità ai bordi grano Fondamenti sui materiali 43

44 PARTIMENTO INGEGNERIA Materiali policristallini Materiali reali vs materiali ideali E/10 σ Materiale ideale no difetti Fibre di vetro senza difetti σ Materiale reale << σ Materialeideale E/100 Ceramico 0.1 Metallo rinforzato Polimero ε Leonardo aveva osservato che più lungo era il cavo minore era la resistenza. Poichè: - I difetti causano una rottura prematura. - Piùgrande è ilcampione maggioreè ilnumero di difetti! Fondamenti sui materiali 44

45 PARTIMENTO INGEGNERIA Meccanismi di rafforzamento Aumentare la resistenza meccanica dei materiali ostacolando il movimento delle dislocazioni: Per aumentare sforzo critico necessario all insorgenza di deformazione permanente Per aumentare la resistenza allo snervamento estendendo il campo di applicabilità 4 MECCANISMI RAFFORZAMENTO 4 OSTACOLI SPONIBILI ALLE SLOCAZIONI Fondamenti sui materiali 45

46 PARTIMENTO INGEGNERIA Meccanismi di rafforzamento OSTACOLO Altre dislocazioni Bordi grano Atomi in soluzione solida Particelle di una seconda fase MECCANISMO RAFFORZAMENTO Incrudimento: deformazione plastica a freddo del materiale con aumento densità delle dislocazioni Affinamento del grano: trattamenti termici postdeformazione plastica e cambi della velocità di solidificazione alterano le dimensione del grano Soluzione solida: atomi di soluto si dispongono nel reticolo deformandolo Precipitazione o dispersione: aggiunta di elementi oltre il limite di solubilità o riscaldamento di soluzioni solide sovrassature porta alla precipitazione di seconde fasi che interrompono il reticolo cristallino Fondamenti sui materiali 46

47 PARTIMENTO INGEGNERIA Deformazione plastica nei metalli Metallo policristallino (grani equiassici) sottoposto a deformazione plastica a T amb (lavorazione a freddo) i grani si deformano e allungano Durante deformazione plastica: i bordi dei grani rimangono intatti e la continuità della massa è mantenuta. Il metallo deformato: resistenza a causa dell'aggrovigliamento delle dislocazioni. resistenza dipende dal grado di deformazione la deformazione, più forte il metallo diventa. Il rafforzamento è più alto per i metalli con i grani più piccoli (maggiore superficie di bordo grano per unità di volume) Fondamenti sui materiali 47

48 PARTIMENTO INGEGNERIA Deformazione plastica nei metalli Anisotropia Anisotropia: a seguito della deformazione plastica i grani sono allungati in una direzione e contratti nell'altra. Il grado di anisotropia dipende da T deformazione e dall'uniformità della deformazione. Influenza proprietà meccaniche e fisiche. Ci sono 2 tipi di anisotropia nei metalli: 1. Orientazione preferenziale: un metallo policristallino se soggetto a trazione lungo una direzione tutte le linee di scorrimento tendono ad allinearsi con la direzione della forza di trazione. In compressione i piani di scorrimento tendono a posizionarsi perpendicolarmente alla direzione di compressione. 2. Fiberingmeccanico: risulta dall'allineamento di inclusioni, impurità e vuoti nel metallo durante la deformazione. Es. pezzo forgiato impurità allineate in direzione orizzontale. Fondamenti sui materiali 48

49 PARTIMENTO INGEGNERIA Recupero, ricristallizzazione e crescita dei grani Riscaldando per un certo t effetto deformazione plastica può essere invertito. Riscaldando tre eventi consecutivi: 1. Recupero. Per T<T ricristallizzazione tensioni nelle regioni altamente deformate si rilassano. 2. Ricristallizzazione. Per 0.3T m <T<0.5T m nuovi grani equiassici si formano, densità di dislocazioni, resistenza, duzlità. - a parità di deformazione plastica, il t ricristallizzazione se T ; - deformazione plasyca, T ricristallizzazione ; - deformazione plasyca, dimensione del grano durante ricristallizzazione; - anisotropia può persiste dopo ricristallizzazione - per ripristinare isotropia, T>T ricristallizzazione. 3. Crescita grani. per T>T ricristallizzazione, i grani crescono effetto negativo su proprietà meccaniche. T ricristallizazione definita come la T per cui c'è completa ricristallizzazione in 1h. Fondamenti sui materiali 49

50 PARTIMENTO INGEGNERIA Lavorazioni a freddo e a caldo Lavorazione a freddo (cold working): deformazione plastica realizzata a temperatura ambiente. Lavorazione a caldo (hot working): deformazione plastica realizzata a T>T ricristallizzazione, "Freddo" e "caldo" sono termini relativi - Pb ha T ricristallizzazione a T amb quindi se deformato a T amb è lavorazione a caldo Warm working: lavorazioni effettuate a temperature intermedie, compromesso tra la lavorazione a freddo e caldo. Fondamenti sui materiali 50