CAPITOLO 9 Materiali metallici ESERCIZI CON SOLUZIONE SVOLTA Problemi di conoscenza e comprensione 9.4 (a) Una trasformazione isoterma è una trasformazione che avviene a temperatura costante. Per l acciaio al solo carbonio eutettoide allo stato solido, la trasformazione isoterma viene raggiunta per tempra di campioni austenitici a 723 C o maggiore in bagno di sale mantenuto ad una specifica temperatura sotto al punto eutettoide a 723 C. (b) Questo diagramma di trasformazione isoterma per acciai al solo carbonio possono essere costruiti sperimentalmente utilizzando un piccolo numero di campioni. I campioni vengono dapprima austenitizzati in un forno, ad una temperatura superiore a 723 C e poi vengono raffreddati rapidamente in un bagno di sali fusi alla temperatura desiderata, inferiore a 723 C. I singoli campioni vengono successivamente rimossi a diversi intervalli di tempo di trasformazione e raffreddati velocemente in acqua a temperatura ambiente. La microstruttura ottenuta ad ogni intervallo di tempo di trasformazione può essere così esaminata. Infine, l intero processo viene ripetuto per diverse temperature di trasformazione e i risultati sono riportati nel diagramma. 9.11 (a) Il trattamento termico rafforza una lega induribile per precipitazione mediante formazione di una distribuzione fine e dispersa di precipitati in una matrice metallica deformabile. La presenza dei precipitati rinforza la lega ostacolando il movimento delle dislocazioni. (b) Il diagramma di fase binario deve avere una soluzione solida terminale per la quale la solubilità solida diminuisce al diminuire della temperatura. (c) I tra stadi principali del trattamento termico sono: trattamento termico di solubilizzazione, tempra e invecchiamento. (d) Durante la solubilizzazione, la lega induribile per precipitazione deve essere riscaldata a una temperatura compresa tra le temperature di solvus e quella di solidus. (e) Dopo il trattamento termico e la tempra, la lega è relativamente fragile perché la sua microstruttura è costituita da una soluzione solida supersatura senza precipitati. Il processo di invecchiamento permette che questa fase ad alta energia ed instabile si decomponga in fasi metastabili e di equilibrio che hanno minore nergia e una matrice di precipitato finemente disperso.
9.14 (a) L alluminio è un materiale tecnologico estremamente utile per la sua bassa densità (2.70 g/cm 3 ), buona resistenza alla corrosione, buona resistenza meccanica quando legato, alta conducibilità termica ed elettrica e basso costo. (b) L ossido di alluminio è estratto da minerale di bauxite mediante processo Bayer, si fa reagire la bauxite con idrossido di sodio caldo per convertire l alluminio nel minerale in alluminato di sodio. Successivamente, il materiale insolubile viene separato e viene fatto precipitare idrossido di alluminio dalla soluzione di alluminato, che viene raccolto e calcinato. (c) L alluminio è estratto da ossido di alluminio puro per dissoluzione dell ossido in criolite fusa e sottoposto a elettrolisi in una cella elettrolitica che ha anodo e catodo in carbonio. L alluminio metallico liquido formato viene periodicamente rimosso dalla cella. (d) Le leghe di alluminio per deformazione plastica vengono classificate in base ai maggiori elementi di lega contenuti e utilizzando un sistema di designazione a quattro cifre. La prima cifra identifica la classe della lega, ossia gli specifici elementi di lega. La seconda cifra indica la modifica rispetto alla lega originale della classe o i limiti per le impurezze. Le ultime due cifre identificano la lega di alluminio o specificano la purezza dell alluminio (ci si riferisca alla Tabella 9.7). (e) La designazione di base del trattamento delle leghe di alluminio sono: F (come fabbricato), O (ricotto e ricristallizzato), H (incrudito) e T (trattato termicamente). 9.17 (a) Un acciaio deve contenere almeno 12% di cromo per essere inossidabile. (b) Un film superficiale di ossido di cromo protegge gli acciai inossidabili da alcuni ambienti corrosivi. (c) I quattro principali tipi di acciai inossidabili sono ferritici, martensitici, austenitici e induriti per precipitazione. 9.18 (a) Gli acciai inossidabili ferritici sono essenzialmente leghe ferro-cromo contenenti approssimativamente 12-30% di cromo. (b) Gli acciai inossidabili ferritici sono considerati non trattabili termicamente perché sono tutti monofase, leghe di tipo ferro-α la cui struttura cristallina non cambia sotto le normali condizioni di trattamento termico. (c) Gli acciai inossidabili ferritici sono usati principalmente come materiali di costruzione quando è richiesta una buona resistenza a corrosione e/o al calore. Esempi includono cappe, attrezzi da ristorante e camere di combustione. 9.19 (a) Le ghise sono una famiglia di leghe ferrose che possono essere fuse nella forma desiderata oppure lavorate allo stato solido. (b) Queste leghe tipicamente contengono 2-4% C e 1-3% Si. Ulteriori elementi di lega possono essere presenti per controllare o variare specifiche proprietà. (c) Le ghise sono facilmente fuse e altamente fluide, non formano film superficiali non desiderati o eccessivi ritiri; di conseguenza, si ottengono eccellenti ghise da fuso. Possiedono anche un ampio intervallo di valori di resistenza meccanica e di durezza e possono essere legati per ottenere maggiore resistenza a usura e abrasione. In generale, sono facilmente lavorabili alle macchine utensili. (d) Le loro applicazioni includono blocchi dei motori a cilindri e scatole del cambio, bielle, rivestimenti di valvole e pompe, rulli e pignoni. (e) I quattro principali tipi di ghise sono bianca, grigia, duttile e malleabile. 9.21 (a) A 100, la microstruttura della ghisa grigia classe 30, in condizione di grezzo, mostra schegge di grafite in una matrice chiara e scura che rappresenta ferrite e perlite libera, rispettivamente. (b) La superficie di frattura di una ghisa grigia appare grigia per la grafite esposta. (c) Applicazioni della ghisa grigia includono blocchi di cilindri, teste di cilindri, placche di innesti, scatole del cambio e getti di motori diesel.
9.22 (a) Nelle ghise duttili, il contenuto di carbonio e silicio è compreso, rispettivamente, tra 3.0 e 4.0% e tra 1.8 e 2.8%. (b) A 100, la microstruttura di una ghisa duttile di grado 80-55-06 è costituita da una matrice perlitica contenente noduli di grafite nera all interno di involucri di ferrite libera. (c) Assomiglia alla struttura di un occhio di bue. (d) Le ghise duttili sono, in generale, più duttili delle ghise grigie perché i loro noduli di grafite sferici sono circondati da regioni di matrice relativamente duttile che permettono una significativa deformazione senza frattura. Al contrario, le ghise grigie sono composte da una rete di interlacciamento di schegge di grafite che possono essere facilmente fratturate. (e) Le applicazioni delle ghise duttili comprendono rivestimenti di valvole e pompe, alberi a gomiti, cambi, rulli, pignoni e guide. 9.23 (a) Nelle ghise malleabili, il contenuto di carbonio e silicio varia, rispettivamente, tra 2.0 e 2.6% e da 11 a 1.6%. (b) A 100, la microstruttura della ghisa ferritica malleabile (grado M3210) è composta da aggregati nodosi irregolari di grafite, detto carbonio temprato, in una matrice ferritica. (c) Le ghise malleabili sono prodotte sottoponendo le ghise bianche a un processo di trattamento termico a due stadi. Prima, durante la grafitizzazione, la ghisa bianca viene riscaldata sopra la temperatura eutettoide e mantenuta per 3-20 ore per trasformare il carburo di ferro nella ghisa bianca in carbonio temprato (grafite) e austenite. Successivamente, l austenite viene trasformata in una matrice ferritica, perlitica o martensitica a seconda dello specifico schema di raffreddamento applicato. (d) Le proprietà vantaggiose delle ghise malleabili sono tenacità, moderata resistenza meccanica, uniformità della struttura e facilità di lavorazione e di fusione. (e) Applicazioni per le ghise malleabili comprendono servizi tecnologici generali che richiedono buona lavorabilità alle macchine utensili o strette tolleranze dimensionali e parti che richiedono alta resistenza meccanica come bielle e bride di articolazione universali. 9.25 (a) Il titanio e le sue leghe sono di particolare importanza ingegneristica per le applicazioni aerospaziali per il loro rapporto tra elevata resistenza meccanica e peso. (b) Il titanio è un metallo molto costoso per la difficoltà d estrazione allo stato puro dai suoi composti. (c) A 883 C il titanio si trasforma da struttura cristallina EC (fase alfa) e struttura CCC (fase beta). (d) Alluminio e ossigeno sono elementi stabilizzanti della fase alfa per il titanio. (e) Vanadio e molibdeno sono elementi stabilizzanti della fase beta per il titanio. (f) Ti-6Al-4V è la lega di titanio più importante perché combina elevata resistenza meccanica con la lavorabilità. (g) Applicazioni per il titanio e le sue leghe comprendono applicazioni chimiche e marine, cellule e parti di motori di aerei, forgiati da saldare e parti metalliche in lastra. 9.27 (a) Le superleghe a base di nichel sono eccezionali nella loro capacità di resistere ad elevate temperature e condizioni ad elevata ossidazione senza mostrare creep significativo. (b) La composizione di base della maggior parte delle leghe a base di nichel è 50-60% nichel, 15-20% cromo e 15-20% cobalto. (c) Le tre principali fasi presenti nelle superleghe a base di nichel sono: una matrice di austenite gamma, una fase precipitata di Ni 3 Al e Ni 3 Ti detta gamma primaria e particelle di carburo. 9.28 (a) Leghe che, se deformate, possono recuperare la loro forma originale quando soggetti ad un appropriato processo di trattamento termico. (b) Attuatori, termostati, caffettiere, dispositivi per assorbimento di vibrazioni e applicazioni biomediche come gli stenti coronarici. (c) Prodotte mediante tecniche di formatura a freddo o a caldo. La lega è trattata termicamente a circa 500 C in una forma specifica. Poi il materiale
viene raffreddato variando la sua struttura twinned (o termoelastica) a piani deformati a taglio. Se riscaldata, ritornerà alla sua forma originale. (d) Ci si riferisca alle Figure 9.68, 9.69 e 9.70. Problemi di applicazioni e analisi 9.30 Quando un acciaio al carbonio con 0.4% C viene raffreddato lentamente dalla regione austenitca ad una temperatura appena sopra la temperatura superiore di trasformazione, si nucleerà ferrite pro eutettica e crescerà continuamente finché non venga raggiunta la temperatura eutettoide pari a 723 C. A questo punto, approssimativamente 50% di austenite sarà trasformata in ferrite pro eutettica mentre la rimanente austenite avrà un maggiore contenuto di carbonio pari a 0.8%. Un ulteriore lento raffreddamento provocherà la trasformazione della rimanente austenite in perlite (ferrite eutettoide e cementite) mediante la reazione eutettica a 723 C. 9.57 Dalla Fig. 9.37, per una durezza 35RC sulla curva dell AISI 8640, si legge 14.5 mm come la distanza dalla fine di tempra. Dalla Fig. 9.40 (i) e (ii), si legge che la velocità di raffreddamento è circa 12 C/sec. Figura 9.40
Figura 9.38 9.59 Distanza da Fig. 9.40(i) Durezza da Fig. 9.38 S 1.75 mm 53.0 RC ¾ R 4.0 mm 53.0 RC ½ R 5.75 mm 52.5 RC C 7.5 mm 52.5 RC ½ R 5.75 mm 52.5 RC ¾ R 4.0 mm 53.0 RC S 1.75 mm 53.0 RC
9.70 Questo è un risultato diretto delle elevate velocità di diffusione del carbonio ad alte temperature. Poiché la velocità di diffusione del carbonio è maggiore nella regione bainitica superiore, le regioni di cementite saranno allargate. 9.71 La Figura 9.23 mostra che la curva ad S che rappresenta l inizio della trasformazione isoterma dell austenite inizia a 723 C per l acciaio eutettoide. Per l acciaio ipereutettoide, la curva di inizio partirà appena sotto 900 C che rappresenta la formazione di cementite pro eutettoide. 723 C 900 C Fe 3 C + γ 723 C eutettoide ipereutettoide Al contrario, per un acciaio ipoeutettoide, la curva di partenza inizierà al di sopra di 723 C che rappresenta la formazione di proeutteoide α.
Proeutettoide α 800 C 723 C α+ γ ipoeutettoide 9.72 Se la curva di raffreddamento per il centro del provino è spostata verso destra, intersecando la curva ad S, una parte di austenite sulla linea centrale del provino si trasformerà in perlite. Poiché la curva di raffreddamento della superficie non è spostata, la superficie si trasformerà completamente in martensite. 9.74 Acciaio inossidabile ferritico: 17-25% in peso di Cr 0.012-0.20% in peso di C Acciaio inossidabile martensitico: 12-17% in peso di Cr 0.15-1.1% in peso di C Acciaio inossidabile austenitico: 17-19% in peso di Cr 7-10% in peso di Ni, piccole quantità di Ti e C Il confronto mostra che gli acciai ferritici e austenitici hanno una percentuale bassa o nulla di C. In tutti gli acciai inossidabili, il principale elemento è 12-25% in peso di Cr. Ni è l elemento che determina il mantenimento della struttura CFC nell acciaio inossidabile austenitico. (a) L acciaio austenitico è più resistente alla corrosione perché non contiene una quantità significativa di carbonio. Si discuterà questo aspetto più in dettaglio nel Capitolo 14. (b) L acciaio inossidabile martensitico può essere trattato termicamente per aumentare la resistenza meccanica rispetto a quello ferritico o austenitico perché contiene una percentuale in peso significativa di carbonio. Si può formare microstruttura martensitica. Problemi di sintesi e di valutazione 9.75 Composizioni: 4140: 0.4C, 1.0Cr, 0.9Mn, 0.2Mo 4340: 0.4C, 0.8Cr, 0.9Mn, 0.2Mo, 1.83Ni Si noti che entrambi i metalli hanno quantità simili di C, Cr, Mn e Mo. La sola differenza è che l acciaio 4340 contiene 1.83% in peso di Ni e l acciaio 4140 non contiene Ni. Il nichel aiuta ad aumentare la durezza dell acciaio 4340. Quindi, il meccanismo di rafforzamento mediante tempra può avvenire a velocità di raffreddamento minori. Questo porterà anche ad un rafforzamento più uniforme del componente. Il carrello di atterraggio necessita un rafforzamento uniforme. Le ruote di forza richiedono una combinazione di tenacità (interiore) e durezza (superficie). Quindi, l acciaio 4340, per la sua migliore durezza, sarà la scelta migliore per il carrello di atterraggio.
9.78 (a) Se la velocità di raffreddamento è bassa tra 870 e 600 C, i carburi di cromo si formano e precipitano ai bordi di grano. Come risultato, l effetto protettivo del cromo ai bordi di grano sarà minore (dal momento che il cromo è bloccato nei carburi) e renderà l acciaio più suscettibile a corrosione. Questa è la ragione che l acciaio austenitico contiene una bassa quantità di carbonio (< 0.03% in peso). (b) Aggiungendo elementi di lega che formano carburi più facilmente del cromo (ad esempio il niobio). 9.79 Entrambi i metalli allo stato di tempra possono essere usati per ruote di forza di accoppiamento. Le ruote devono avere un alta durezza superficiale e sub superficiale per la protezione da pitting e rottura. Per questo scopo l acciaio 4140 con uno sforzo di snervamento di 1434 MPa e uno sforzo a rottura di 1551 MPa è preferibile rispetto ad una ghisa duttile con uno sforzo di snervamento di 621 MPa e uno sforzo a rottura di 827 MPa. Si noti che gli sforzi tra le ruote di accoppiamento possono raggiungere livelli molto alti e possono essere necessari trattamenti di indurimento superficiale. 9.81 (a) Il processo di tempra è un processo energetico con severe variazioni termiche nel componente. Questo cambierà le tolleranze dimensionali del componente. Anche piccole variazioni locali nella dimensione porteranno ad una mancanza di accoppiamento tra i filetti. (b) Il migliore approccio sarebbe di trattare termicamente il cilindro per ottenere una durezza appropriata e poi filettarlo. Sarebbe necessario un utensile molto duro, ma questo può essere fatto.