MATERIALI METALLICI ( 80% Degli elementi )

PROPRIETA':descrivono le caratteristiche di ogni elemento e sono innumerevoli.
Lega leggera è detta così perchè il peso specifico è minore di quello dell'acciaio.Ogni materiale ha il suo peso specifico(peso di unità di volume).
Le proprietà si possono suddividere in
PROPRIETA' FISICHE:

Massa - Volume - Peso specifico - Massa specifica - Velocità-accelerazione - Spazio - Magnetismo - Conduttività termica - Temperatura di fusione - Dilatazione Termica - Cond. elettrica.

PROPRIETA' CHIMICHE:

è la capacità che ha una specie chimica di reagire con un altra specie chimica. (evaporazione-ossidazione...)

PROPRIETA' STRUTTURALI:

identifica come gli atomi si mettono in relazione con altri atomi. (legame metallico).Riguarda le possibili strutture atomiche che vengono formate coi legami e le loro possibili trasformazioni e caratteristiche.

PROPRIETA' TECNOLOGICHE:

(ci sono molte proprietà tecnologiche in quanto sono moltissime le lavorazioni possibili) riguardano la lavorabilità dei materiali, quanto i materiali si prestano a essere lavorati

PROPRIETA' MECCANICHE:

è la capacità dei materiali di resistere alle sollecitazioni.(carico di rottura-carico di snervamento)

COSTITUZIONE DELLA MATERIA

La materia è formata da atomi.
L'atomo è un aggregato formato da protoni, neutroni ed elettroni.
Il nucleo è formato da protoni e neutroni(il nucleo non si può scindere)
Attorno al nucleo ruotano in orbite gli elettroni(gli elettroni possono essere ceduti o acquisiti).
Gli atomi sono elettricamente neutri perchè per ogni protone(+) c'è un elettrone(-) e la somma è 0.
Se l'atomo acquista un elettrone ha carica negativa, se lo perde ha carica positiva,e diventa ione.
I metalli sono tutti allo stato ionico.
Gli atomi formano molecole tramite legami tra loro
LEGAME METALLICO

Il legame metallico ha una struttura spaziale ripetitiva(ordinata).
Gli atomi si dispongono in maniera ordinata(file, colonne...)
Generalmente nei metalli l'ultimo orbitale è incompleto.
Se l'orbitale è completo l'atomo è stabile,se è incompleto, l'atomo è instabile.


(disegno)

Forza di repulsione (Coulomb) è inversamente proporzionale alla distanza, ovvero più distanti sono gli atomi, minore è la forza di repulsione.
(formula)

Tutte le coppie tendono a respingersi, ma infine si completano le une con le altre.

RETICOLO METALLICO

(disegno )

Gli elettroni sono in movimento costante e c'è uno scambio continuo e questo scambio crea una nuvola elettronica
Gli elettroni hanno corrente perchè sono liberi e non sono di un solo atomo.(Per questo i metalli sono ottimi conduttori)

in realtà i metalli non hanno dei reticoli perfetti, ma presentano dei Difetti

DIFETTI DEL RETICOLO
Si verifica quando manca un atomo all'interno del reticolo. questo fa si che atomi vicini si spostino andando fuori allineamento;
Quando il difetto riguarda un intero piano di atomi mancante;
E' quando un atomo di una specie chimica diversa va ad inserirsi all'interno del reticolo;

ACCRESCIMENTO:

Man mano che il materiale si raffredda gli atomi iniziano a fermarsi e a formare un reticolo più grande e ha inizio il meccanismo di repulsione. Il nucleo cresce, poichè si aggiungono altri atomi.
Il reticolo non cresce all'infinito, sennò sarebbe un cristallo. La nucleazione avviene in più parti e ogni nucleo accresce finchè si scontrano tra loro e ogni grano non può più crescere.

(DISEGNO)

Bordo del grano, detta pellicola perché non è più un reticolo organizzato, ma sono tutti gli atomi che non sono organizzati e non ha le proprietà del grano.
Nella solidificazione la temperatura rimane costante o diminuisce.
E' costante quando si solidifica una sola specie chimica.
Se ci sono invece più specie atomiche può avere entrambi i comportamenti.

DIAGRAMMA DI RAFFREDDAMENTO:

è un diagramma che mostra la variazione della temperatura nel tempo durante la solidificazione

(DISEGNO)

Inizialmente la temperatura scende perché è allo stato liquido e gli atomi hanno energia e sbattono all'interno del contenitore e perdono energia.
Al punto A avviene la nucleazione e al B il materiale è solido perché nn c'è più liquido.
Il solido inizia a raffreddarsi scambiando la temperatura con quella dell'ambiente.
Il liquido si raffredda velocemnte e il solido lentamente.

(DISEGNO)

Nelle leghe il raffreddamento avviene a temperatura decrescente e non rimane costante.
Alcune leghe però possono mantenere una temperatura costante.
Ci sono delle leghe dette eutettiche che solidificano a temperatura costante.

RETICOLO METALLICO

-CELLA ELEMENTARE: E' una struttura più complessa che si identifica nel reticolo. Ci sono 3 tipi di cella:
-corpo cubico centrato (ccc)
-cubica a faccie centrate (cfc)
-esagonale compatto (ec)
C.C.C.: è il reticolo più semplice e si ottiene sommando un atomo per ogni vertice di un cubo più uno al centro.

(DISEGNO)

Il reticolo ccc garantisce durezza al materiale perché aumentano le forze di repulsione. I materiali con questa cella sono tendenzialmente duri
CFC: in questa cella c'è un atomo per faccia. Con questa struttura si favorisce la deformazione plastica in quanto c'è una maggior concentrazione lungo il piano di atomi e questo favorisce lo scorrimento dei piani atomici.

(DISEGNO)

Sono materiali facilmente deformabili.

EC: questo tipo di struttura garantisce la fragilità.

(DISEGNO)

SOLIDIFICAZIONE

Nell'acciaio gli atomi possono spostarsi senza dover essere allo stato liquido.
Cristallo- reticolo che si propaga.Diventa poi il grano tramite solidificazione.
Grano- L'acciaio è formato da grani che si propagano nel reticolo.
Il passaggio da CRISTALLO a GRANO avviene con la solidificazione.
Gli atomi in un acciaio allo stato liquido hanno un'elevata energia cinetica e quindi si muovono molto velocemente.Più si scalda e più energia si da agli atomi. Se si smette di scaldare il materiale inizia a cedere calore ed energia e gli atomi iniziano a rallentare.
La solidificazione si divide in:
1)NUCLEAZIONE: è quando gli atomi iniziano ad aggregarsi ed è la prima fase della solidificazione.
Gli atomi rallentano e si crea il primo nucleo del reticolo.

LEGHE METALLICHE

Le leghe sono l'unione di uno più elementi, nei quali almeno uno è un metallo.
Per formare le leghe si utilizza:

FERRO:

Il ferro è un atomo che presenta una particolarità:

STATI ALLOTROPICI

Il ferro a temperatura ambiente possiede cella elementare ccc finché la temperatura è inferiore a 910°. Ferro alfa

Il ferro oltre i 910° inizia a deformarsi e ha la cella elementare CFC. Ferro gamma T<1390°
Oltre i 1390° la struttura torna ccc fino alla temperatura di 1534° in cui inizia a fondere. Ferro beta
Il ferro possiede tre stati allotropici e due celle elementari.
Il ferro a 768° perde le proprietà magnetiche.


CARBONIO

La quantità massima di Carbonio che il ferro può ospitare è determinata dal tipo di cella elementare del ferro.
CFC ha maggiore disponibilità di assorbire il carbonio rispetto a CCC.
Il Carbonio fonde a una temperatura che è più del doppio di quella del ferro.
Il Carbonio ha tre possibili stati della materia:

DIAGRAMMA DI STATO

Si deve leggere come una mappa che ci dice come sarebbero le cose se tutto avvenisse in condizione di trasformazione estremamente lenta.
E' un diagramma dove rappresento le possibili trasformazioni di una lega metallica.
Per far questo devo prendere due o più metalli e la loro somma deve essere 100%.
I diagrammi a due componenti sono rappresentati su due coordinate:
DIAGRAMMA DI STATO DI UNA LEGA BINARIA COMPLETAMENTE MISCIBILE ALLO STATO LIQUIDO E SOLIDO

(SCHEMA)




COME SI COSTRUISCE IL DIAGRAMMA DI STATO

(SCHEMA) (SCHEMA)


1) Disegno il diagramma di stato e il diagramma di raffreddamento
2) Trovo la curva di raffreddamento di A puro e B puro e traccio i punti TFA E TFB nel diagramma di stato.
3) Disegno la curva di raffreddamento della lega
4) Traccio i punti della lega che corrispondono a due temperature che indicano l'inizio e la fine della solidificazione.
5) Traccio i punti inizio e fine solidificazione della lega nel diagramma di stato


(Grafico)

Nel diagramma di una lega eutettica le due curve coincidono. la temperatura di inizio e fine solidificazione è la stessa, perché le leghe eutettiche si solidificano a temperatura costante. La temperatura in E è la più bassa. La lega eutettica solidifica a temperatura più bassa di punto A e B. E' un vantaggio perché si deve scaldare meno e si consuma meno energia. Una lega eutettica è immiscibile allo stato solido. Cioè allo stato solido si trovano grani formati da A e B. Un grano è tutto di A e un altro tutto di B.

(Grafico)

Questo è un diagramma con parziale miscibilità. Alpha e Beta sono soluzioni solide, in cui Alpha è l'elemento base e Beta è l'alligante e viceversa in Beta B è materiale base e A è alligante. La soluzione solida è una lega completamente miscibile. Questi diagrammi valgono anche da stato solido a solido.
(Grafico)

CICLO TERMICO

Vuol dire sottoporre ad una variazione di temperatura di organi metallici. La temperatura massima del trattamento termico è tra 900°/950°, Invece i trattamenti minori hanno una temperatura tra 220°/230°. Tipicamente non sono sotto i 750°. Per fare un trattamento faccio un ciclo termico. Il ciclo termico è una variazione di temperatura. Il ciclo termico se fatto bene diventa un trattamento termico.
Il ciclo termico ha 3 fasi:
1°Fase: Riscaldamento
2°Fase: Permanenza
3°Fase: Raffreddamento

RISCALDAMENTO

Il materiale si riscalda subito esternamente e dopo un po' di tempo si riscalda all'interno. Questo è un problema perché ci sarebbe la differenza di dilatazione perché l'esterno si espande all'interno e si rischia la staccatura del materiale. Il riscaldamento dev'essere veloce, ma non tanto da distruggere il pezzo.

PERMANENZA

La permanenza deve durare quanto basta per garantire in tutto il pezzo la temperatura omogenea. Se si cala la temperatura il trattamento salta, perché si può trattare solo la parte scaldata. La durata deve essere tale da non rovinare il pezzo
.
RAFFREDDAMENTO

La velocità di raffreddamento è data dall'angolazione del segmento Beta. Il raffreddamento è la fase più delicata e in cui si può sbagliare facilmente. Può variare da pochi secondi a giorni. I liquidi danno la più grande velocità di raffreddamento. Il sistema più lento è quello di lasciare il pezzo in forno oppure tirarlo fuori e lasciarlo raffreddare con aria. Il materiale se raffreddato con l'acqua si rompe (Shock Termico) a causa della dilatazione termica differente. La parte esterna comprime la parte interna. E' lo stesso problema del risaldamento ma al contrario.

CICLO TERMICO SEMPLICE

Il ciclo termico è semplice quando ci sono 3 fasi. E' il ciclo usato nella maggioranza dei casi.

CICLO TERMICO COMPOSTO

Il ciclo termico è composto quando dopo il primo ciclo gliene si aggiunge un altro. Il secondo è a temperatura più bassa solitamente.

(Grafico)

CICLO TERMICO COMPLESSO

Il ciclo termico è complesso quando prevede variazioni di velocità e le soste intermedie. Si usa per portare alla stessa temperatura il pezzo ed evitare il problema.
(Grafico)



TRATTAMENTO TERMICO

Lo scopo del trattamento termico è quello di modificare in meglio le proprietà del materiale (proprietà strutturali, meccaniche, tecnologiche)
Ad esempio, può cambiare la durezza (proprietà tecnologiche)

Il trattamento termico interviene anche sui costituenti del materiale(grani a-b e anche alfa e beta, soluzioni solide). Col trattamento termico gli atomi passano da un grano all' altro, e il grano si ingrandisce o si riduce.
In un acciaio è meglio avere un grano fine invece che grosso e il trattamento serve a questo.

Alcuni trattamenti modificano le composizioni chimiche, cambiano le percentuali degli elementi aggiungendo o togliendo atomi.
Due trattamenti termici che modificano la composizione chimica sono:
-nitrurazione
-cementazione

Quando si fanno i trattamenti termici?
E' riferito alla vita dell'oggetto.
Preliminare: trattamenti fatti prima della lavorazione (ricottura: rende il materiale più lavorabile)
Intermedio: trattamento fatto durante il ciclo di lavoro (tempra)
Finale: è quando il trattamento lo si fa alla fine del ciclo di lavoro (nitrurazione: aumento durezza superficiale); in seguito non sono previste altre lavorazioni.

Per portare in tolleranza il pezzo si fa la rettifica. La rettifica si fa per avere superfici con bassa rugosità.

RICOTTURA (preliminare)

E' un trattamento preliminare che agevola la lavorazione. Il suo scopo è quello di eliminare le distorsioni interne.
La ricotture si può usare per cancellare gli effetti di un trattamento termico.
Può aumentare la dimensione dei grani e abbassare la resistenza.

(GRAFICO)

La ricottura si fa sapendo che il materiale arriva che deve essere trattato.
Il termine usato per il materiale deformato plasticamente è l'incrudimento.
Le superfici esterne essendo schiacciate diventano più dure di quelle esterne.
L'incrudimento determina l'incremento della durezza del materiale.
Se si lascia raffreddare in forno il grano è più grosso, in aria è più fine.

La laminazione causa incrudimento, quando il pezzo passa tra i rulli del laminatoio oppure l'incrudimento è dato dalla trafilatura o l'estrusione.

Durezza: resistenza alla penetrazione (prove: Brinell, Vickers, Rockwell)

TEMPRA

La tempra è un trattamento fondamentale perché indurisce il materiale, aumenta il carico di rottura (resistenza).
La tempra è un trattamento importante ma anche difficile da fare.

Austenizzazione: temperatura che deve raggiungere tutto il pezzo (Fe gamma)

(GRAFICO)

Nella tempra la permanenza deve durare il meno possibile, finchè arriva in temperatura il nucleo.

Raffreddamento: può essere lento, se la temperatura cambia di alcuni gradi all'ora
Velocità intermedia: qualche decina di gradi al minuto
Veloce: centinaia di gradi al secondo

La tempra subisce un raffreddamento veloce.

MEZZI DI RAFFREDDAMENTO:

-aria
-liquido(H2O, olio, bagni di sale)

Generalmente la tempra usa il raffreddamento ad olio.
Si raffredda velocemente perché cosi il ferro gamma riesce a mantenere il carbonio.
Si dice martensite poiché trattiene il carbonio nelle celle, se si lascia raffreddare lentamente il carbonio esce.

MARTENSITE

Ferro gamma sovrasaturo di carbonio
Lo scopo della tempra è ottenere la martensite.
Il difetto della tempra è che deforma il pezzo e serve rettificare.

BAINITE

La bainite è ferro alfa sovrasaturo di carbonio.
E' meno duro della martensite e si ottiene raffreddando più lentamente.
Raffreddando più lentamente è più facile e c'è meno rischio che si rompa il pezzo.

VELOCITA' CRITICA

E' un fattore discriminante che determina il risultato della tempra che può essere martensite o bainite.
La velocità critica è la velocità di raffreddamento che permette di fare la tempra.
Per fare la tempra bisogna essere più veloci della velocità critica: martensite
Se si supera la velocità critica si ha bainite (più lento della velocità).

Esistono degli acciai autotempranti in cui la velocità critica è bassissima, quindi si possono raffreddare e temprare anche in aria.

ATTITUDINE ALLA TEMPRA

L'attitudine alla tempra di un materiale è la capacità del materiale di essere temprato.

(GRAFICO)

Si usa di più la prova Rockwell perché è più veloce delle prove Brinell e Vickers perchè la misura si legge direttamente sulla scala dello strumento senza dover fare calcoli.
Per fare la prova di durezza bisogna tagliare il pezzo, ma è un'operazione difficile e deleteria, perché tagliando il pezzo si riscalderebbe e rovinerebbe il trattamento.

(GRAFICO)

Più la curva e dritta e migliore è l'acciaio per la tempra.
Alla curva più bassa potrebbe esserci un errore nella tempra o potrebbe essere anche il materiale che non va bene, o un errore dell'operatore nel ciclo termico.

PROVA JOMINY

Invece di tagliare il pezzo lo si fresa. Poi si mette in forno e in seguito si fredda con un getto d'acqua lungo la faccia inferiore e poi il raffreddamento sale fino a raffreddare la parte fresata.
E' un modo più veloce e pratico per testare la temprabilità dell'acciaio, perché la fresatura è molto più controllabile del taglio.

(GRAFICO)

RINVENIMENTO

E' un trattamento termico che segue la tempra. Si fa ad una temperatura relativamente bassa dai 220 ai 350°C circa.
Si fa spesso questo processo di tempra e rinvenimento abbinati, e prende il nome di BONIFICA.
La bonifica è un ciclo termico composto.
Il rinvenimento serve per far trasformare l'austenite rimasta in martensite, poiché nella tempra il raffreddamento è cosi veloce che non tutta l'austenite diventa martensite.
A seconda della temperatura del trattamento (rinvenimento) le proprietà meccaniche e tecnologiche vengono modificate.
Per misurare la tenacità si usa il pendolo di Sharpy.
Ogni acciaio ha un diagramma di caratteristiche di rinvenimento.
In base alla temperatura indica dove migliora o peggiora.

(GRAFICO)

CEMENTAZIONE

La cementazione insieme alla nitrurazione rientra nei trattamenti termochimici.
Trattamento termochimico = si sfrutta la temperatura per cambiare la composizione chimica.
Cambiare la composizione chimica significa aggiungere qualcosa.
Lo scopo della cementazione è aumentare il tenore del carbonio.
L'acciaio all'aumentare del tenore del carbonio diventa più duro.
Importante è l'usura sulla superficie. Se il pezzo si usura non è più in misura e c'è rischio che danneggi tutto l'impianto.
Per aumentare il tenore del carbonio si mette il pezzo in un ambiente ricco di carbonio.
Per far si che gli atomi entrino nell'acciaio basta aumentare la temperatura, 850/900°C, il pezzo diventa avido di carbonio. Il carbonio a queste temperature si attacca alla superficie.
Man mano che passa il tempo ne entrano meno perchè diminuiscono le vacanze nel reticolo.
Il processo è lento e si riempie solo la superficie. la profondità massima è 2mm, ma l'effetto si ha nei primi decimi.
La cementazione dura generalmente 4/5 ore, massimo fino a 7/8.


PROFONDITA' DI PENETRAZIONE

Per stimare la profondità di penetrazione si usa la formula: (FORMULA)

(GRAFICO)

Il grafico mostra che all'inizio la profondità di penetrazione nella cementazione, è veloce e poi rallenta.
Il grafico mostra la variazione della profondità di cementazione nel tempo.

NITRURAZIONE

La nitrurazione è un altro trattamento termochimico. Nella nitrurazione non si usa il carbonio, ma l'azoto.
Il pezzo viene messo in un'atmosfera ricca di azoto. L'azoto è più piccolo del carbonio e può entrare meglio nel reticolo.
Il problema è che l'azoto è lento e si muove poco, ci vogliono fino a 60 ore in forno per questo processo.
La nitrurazione generalmente è sui 550°C. A questa temperatura l'acciaio non subisce nulla, nessun difetto, nessuna deformazione ecc ma aspetta
solo che l'azoto entri.
L'effetto di indurimento della nitrurazione è circa il doppio della cementazione.
La nitrurazione arriva fino a 2-3 decimi di millimetro.
Si ottiene un'elevata durezza ma solo superficialmente.
Essendo un procedimento costoso, si fa ad organi che subiscono un'elevata sollecitazione.
Si può formare della coltre bianca di qualche micron che si può togliere.

TRATTAMENTI TERMICI:

1- Volume (Tempra, ricottura, rinvenimento)
2- Superficie (Cementazione, nitrurazione)

Sul volume non si può intervenire per far si che venga trattato solo in parte.
Invece sulla superficie si può intervenire e scegliere quale parte trattare, basta isolare la zona da non trattare o si può usare il laser con un
sistema localizzato.
Oltre al laser si può usare anche il plasma o campo magnetico.


Categorie
CategoriaScuola CategoriaIpsia CategoriaTecnologiaMeccanica
There are no comments on this page.
Valid XHTML :: Valid CSS: :: Powered by WikkaWiki