Affinamento del grano e leghe nanostrutturate

Affinamento del grano

• La riduzione della dimensione del grano aumenta sia la resistenza meccanica che la duttilità della lega, in termini di tenacità all'impatto.
• È possibile modificare la dimensione del grano attraverso due metodi:
  • Controllo della velocità di raffreddamento.
  • Deformazione plastica seguita da trattamento termico di ricristallizzazione.
• La maggior parte dei processi industriali porta ad un affinamento del grano fino a 2-10 micron.
• L'affinamento del grano può spingersi fino alla produzione di leghe nanostrutturate, con dimensioni del grano inferiori a 1 µm.

Raffreddamento

• Una velocità di raffreddamento elevata porta ad una minore dimensione del grano.
• Una velocità di raffreddamento minore porta ad una maggiore dimensione del grano.

Leghe nanostrutturate

• Possono presentare un aumento della resistenza meccanica, ma con un drastico calo della duttilità.

Rafforzamento per soluzione solida

• L'aggiunta di elementi di lega ad un metallo puro aumenta la sua resistenza meccanica in modo proporzionale alla quantità di elemento aggiunto.
• L'effetto è causato dalla distorsione elastica del reticolo indotta dall'elemento di lega.
• L'aumento del limite di snervamento e del limite di rottura della lega è spesso accompagnato da un calo della duttilità.

Rafforzamento per incrudimento

• La deformazione plastica a freddo, come trafilatura, coniatura e laminazione, incrementa la resistenza meccanica del materiale.
• L'incrudimento è misurato come percento di lavorazione (LF%).
• L'aumento della resistenza è causato dalla moltiplicazione delle dislocazioni presenti nel materiale.
• Una forte deformazione plastica a freddo aumenta la densità delle dislocazioni nel materiale.
• La moltiplicazione delle dislocazioni è spiegata dal meccanismo delle sorgenti di Frank-Read.
• La densità elevata di dislocazioni può portare a forze repulsive tra le dislocazioni dello stesso segno, ostacolando il loro movimento e incrementando la resistenza.

Rafforzamento da particelle deformabili

• Questo tipo di rafforzamento si basa sulla precipitazione di nanoparticelle coerenti (o semi-coerenti) di tipo intermetallico nella matrice.
• Le particelle coerenti inducono una deformazione elastica del reticolo, rallentando il moto delle dislocazioni.
• Le particelle possono essere attraversate dalle dislocazioni in movimento, ma ciò richiede uno sforzo di taglio maggiore.
• L'efficienza del rafforzamento è influenzata dalla dimensione delle particelle e dalla loro frazione volumetrica.

Rafforzamento da particelle indeformabili

• Le particelle indeformabili sono molto dure (es. ossidi) e incoerenti con la matrice.
• Non producono deformazione del reticolo, ma ostacolano il movimento delle dislocazioni.
• Le dislocazioni devono curvarsi tra una particella e l'altra per superare le particelle indeformabili, generando sorgenti di Frank-Read.
• Il modello di Orowan e Ashby può essere utilizzato per stimare l'incremento del limite di snervamento causato da una dispersione omogenea di particelle indeformabili.

Deformazione plastica per geminazione

• La deformazione nei metalli con struttura c.c.c. ed e.c. può avvenire anche attraverso la formazione di un geminato meccanico (geminazione).
• Questo processo richiede basse temperature e un'alta velocità di sollecitazione.

Deformazione Plastica per Scorrimento

• La deformazione plastica nei metalli avviene in genere per scorrimento.
• Lo scorrimento dei piani ad elevata densità atomica è prodotto dalla componente dello sforzo , definita sforzo di taglio indotto ’.
• Le dislocazioni si spostano sotto l’azione dello sforzo di taglio ’.
• Il moto delle dislocazioni è analogo al modo di locomozione di un bruco.
• La deformazione plastica è macroscopicamente omogenea e microscopicamente disomogenea.

Sforzo di Taglio Critico

• Nei cristalli singoli le dislocazioni cominciano a muoversi solo quando lo sforzo di taglio ’ supera un valore critico.
• Il valore minimo di s si ottiene quando il cristallo singolo è orientato in modo tale da verificare la condizione  =  = 45°, ed è pari a:  S = 2  critico.

Meccanismi di Rafforzamento

• Esistono diversi metodi per incrementare la resistenza allo snervamento di un metallo, detti meccanismi di rafforzamento.
• Tutti i diversi metodi consistono nel ridurre la mobilità delle dislocazioni, andando a porre degli ostacoli lungo il loro cammino.

Rafforzamento per Affinamento del Grano

• Affinamento del grano  aumento dell’estensione dei bordi di grano.
• I bordi di grano si comportano come barriere all’avanzamento delle dislocazioni per 2 ragioni:
  • separano due cristalli che hanno una diversa orientazione;
  • esiste uno stato di disordine in corrispondenza del bordo di grano.
• Un materiale a grano grossolano, avendo un maggior numero di dislocazioni impilate a parità di sforzo applicato, subirà effetti di concentrazione di sforzo maggiori → snerva prima (cioè per sforzi applicati più piccoli)!

Rafforzamento per Incrudimento

• L’aumento della resistenza che accompagna l’incrudimento è dovuto alla moltiplicazione delle dislocazioni presenti nel materiale.
• Un’intensa deformazione plastica a freddo (es. trafilatura, laminazione, etc.) comporta un aumento della densità delle dislocazioni fino a  = 1010 ÷ 1011 mm/mm3.

Rafforzamento da Particelle

• Il movimento delle dislocazioni è ostacolato dalla presenza di nano-particelle precipitate con opportuni trattamenti termici o disperse meccanicamente nella matrice.
• Quando la linea di dislocazione incontra un precipitato viene rallentata e per continuare ad avanzare serve aumentare lo sforzo di taglio, producendo l’incurvamento della linea di dislocazione.
• Esistono due tipologie di precipitati:
  • Particelle intermetalliche: se formate tra due metalli → gli atomi di un metallo diverso dal solvente si dispongono ordinatamente in posizioni ordinarie del reticolo.
  • Particelle interstiziali: se sono formate da un metallo e un non metallo → gli atomi si sistemano ordinatamente negli interstizi di un reticolo di un metallo base.
• È possibile classificare i precipitati in:
  • Coerenti: se hanno continuità cristallografica con la matrice.
  • Incoerenti: se non hanno continuità cristallografica con la matrice.

Questo quiz esplora i concetti di affinamento del grano nelle leghe e l'impatto della velocità di raffreddamento sulla dimensione del grano. Verranno esaminati anche i vantaggi e svantaggi delle leghe nanostrutturate. Testa le tue conoscenze su questi importanti processi metallurgici!