Solidificazione dei metalli e delle leghe metalliche PDF

Corso di Metallurgia Solidificazione dei metalli e delle leghe metalliche Solidi: ottenuti per raffreddamento dei liquidi. Il processo è denominato solidificazione. Durante il raffreddamento, gli atomi del liquido si avvicinano e le forze di attrazione tra di essi diventano sempre più forti. Il...

Corso di Metallurgia Solidificazione dei metalli e delle leghe metalliche Solidi: ottenuti per raffreddamento dei liquidi. Il processo è denominato solidificazione. Durante il raffreddamento, gli atomi del liquido si avvicinano e le forze di attrazione tra di essi diventano sempre più forti. Il moto casuale degli atomi si arresta e si forma un solido. 2 La solidificazione come ogni passaggio di fase (solido, liquido, gas) dipende dalla temperatura e dalla pressione. Nella maggior parte dei processi industriali che coinvolgono solidificazione di leghe metalliche si opera a pressione atmosferica. 3 I prodotti della solidificazione di interesse metallurgico posso essere divisi in tre gruppi: - Getti - Lingotti - Semiprodotti da colata continua I getti vengono posti in esercizio al termine della solidificazione e dopo eventuale trattamento termico. Prevedono l’utilizzo di una forma che riproduce quella del pezzo finito. I lingotti vengono trasformati con operazioni di deformazione plastica per forgiatura. Hanno forme semplici e pesi elevati. I semiprodotti da colata continua sono la materia prima per successive operazioni di laminazione, trafilatura, stampaggio, estrusione, ecc. Sono la materia prima per la realizzazione di prodotti lunghi. 4  GETTI finali Esempio di getto I getti vengono spesso utilizzati senza ulteriori modifiche della microstruttura né per deformazione né per trattamento termico 5  LINGOTTI Lingotti (semiprodotti di grande tonnellaggio per realizzare pezzi di grandi dimensioni attraverso operazioni di deformazione plastica a caldo). Lingotto Riempimento poligonale di lingottiere (strippaggio) I lingotti dopo la deformazione plastica danno luogo ai forgiati che prima della messa in esercizio subiscono un trattamento termico. Entrambe queste operazioni modificano e migliorano la microstruttura iniziale di solidificazione, che dunque ha una forte influenza sul risultato finale. 6  SEMIPRODOTTI DA COLATA CONTINUA Billette Colata continua Laminazione Le operazioni di deformazione plastica a caldo modificano la microstruttura e migliorano le caratteristiche meccaniche 7  SEMIPRODOTTI DA COLATA CONTINUA Dai blumi: profilati strutturali (i.e., Dalle billette si ottengono i prodotti lunghi laminati mercantili), rotaie, barre (es. tondino, vergella, fili), dalle bramme i prodotti piani (es. lamiere, nastri, coil). bramme (o slebi): sezione rettangolare, billette: sezione in genere quadrata. 8 SEMIPRODOTTI DA COLATA CONTINUA estrusi laminati 9 10 11 12 13 14 15 sotto-raffreddamento 16 17 - In questo caso, il metallo stesso fornirà atomi per formare i nuclei. - Il metallo, quando sotto-raffreddato in modo significativo, ha molti atomi che si muovono lentamente, che si legano tra loro per formare gli embrioni e poi i nuclei di cristallizzazione. - Un gruppo di atomi al di sotto della dimensione critica (necessaria ad innescare la solidificazione) è detto embrione. - Se i gruppi di atomi raggiungono la dimensione critica, crescono formando i cristalli, mentre gli altri si dissolvono. - I gruppi di atomi al di sopra della dimensione critica sono chiamati nuclei (i.e., embrioni stabili). 18 Nella nucleazione omogenea sono coinvolte due tipi di energie: - variazione di energia libera di volume, GV; - variazione di energia libera di superficie, GS. GV (energia di volume) GS (energia di superficie) - Variazione di energia libera per - γ: energia libera specifica di unità di volume tra liquido e solido superficie - È un’aliquota negativa in quanto - È un’aliquota positiva in quanto emessa dal sistema nella richiesta dal sistema per formare trasformazione da liquido a solido una nuova superficie solida - La variazione di energia libera di - La variazione di energia libera volume per un nucleo sferico di di superficie per un nucleo raggio r è dato da: sferico di raggio r è dato da: GV = -(4/3)πr3 GV GS = +4πr2 γ 19 La variazione di energia libera totale è data da: GT = -(4/3)πr3 GV + 4πr2 γ Il raggio critico r* per innescare la nucleazione corrisponde al massimo della curva della variazione di energia GT → d(ΔGT)/dr = 0. 2γ r* = GS - Se r > r* → l’energia libera totale si riduce al crescere dei cristalli - Se r < r* → l’energia libera totale si riduce con la ridissoluzione dei cristalli 20 All’aumentare del sotto-raffreddamento T, aumenta la variazione di energia di volume GV, mentre l’energia γ resta circa costante → si riduce il raggio critico r*, cioè serve un numero minore di atomi per la formazione di un nucleo di solidificazione. Il raggio critico r* è correlato al sotto-raffreddamento secondo la relazione: 2γ · Tm r* = Hf · T dove: ΔHf = calore latente di fusione, Tm = temperatura media di equilibrio. 21 La nucleazione eterogenea è molto più frequente a livello di processi industriali rispetto a quella omogenea. 22 23  Struttura dendritica Passaggio da solidificazione piana, a cellulare, a dendritica. 24  Struttura dendritica Il tipo di crescita (cellulare o dendritica) dipende dal livello di sotto- raffreddamento. In genere, nei processi industriali il sotto-raffreddamento è sufficientemente elevato da favorire la crescita dendritica. 25  Esempi di strutture dendritiche nei getti Microstruttura osservabile Immagine al microscopio al microscopio ottico elettronico a scansione SEM 26 Metallo solidificato: in un grano una o più dendriti (ugualmente orientate). 27 28 29 Il tempo di solidificazione dipende da molti fattori (quantità di metallo liquido, geometria del pezzo, materiale della forma/stampo, etc.) e ha conseguenze importanti sulla microstruttura finale del pezzo e quindi anche sulle sue caratteristiche meccaniche. A seconda della posizione nel getto considerata, si potranno formare microstrutture diverse con proprietà diverse. 30 Cosa abbiamo imparato - La solidificazione porta ad un maggior ordine degli atomi rispetto al metallo liquido (reticolo cristallino) - La solidificazione coinvolge in sequenza la nucleazione e l’accrescimento - La solidificazione nei processi industriali avviene sempre in presenza di un sotto-raffreddamento - Il sotto-raffreddamento è la condizione che favorisce la formazione di strutture dendritiche - La dimensione ed il numero delle dendriti dipende dalla cinetica di raffreddamento (maggiore è la velocità di raffreddamento minori saranno le dimensioni delle dendriti) - Al termine della solidificazione si formeranno i grani cristallini all’interno dei quali è presente la struttura dendritica (spesso non più visibile) - La dimensione delle dendriti e quindi dei grani ha effetto sulle caratteristiche meccaniche dei getti e dei semiprodotti ottenuti per solidificazione (lingotti e semiprodotti da colata continua). 31