Deformazione plastica e meccanismi di rafforzamento PDF

Corso di Metallurgia Deformazione plastica e meccanismi di rafforzamento  Deformazione plastica per scorrimento - Applicando ad un metallo una forza F sufficientemente elevata, esso si deforma plasticamente → cambia forma in modo irreversibile. - La deformazione plastica nei met...

Corso di Metallurgia Deformazione plastica e meccanismi di rafforzamento  Deformazione plastica per scorrimento - Applicando ad un metallo una forza F sufficientemente elevata, esso si deforma plasticamente → cambia forma in modo irreversibile. - 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 ’. 2 - Lo slittamento dei piani atomici non è rigido, ma graduale. - Le dislocazioni si spostano sotto l’azione dello sforzo di taglio ’. Esempio: dislocazione a spigolo. Il semipiano in eccesso si muove ed emerge sulla superficie esterna del cristallo formando un gradino  deformazione permanente. Sforzo di Sforzo di Sforzo di taglio ’ taglio ’ taglio ’ Piano di Unità di slittamento Disloca scorrim zione a ento spigolo 3 - La deformazione plastica che avviene in questo modo è detta “per scorrimento” (“slip deformation”). Dislocazione Direzione del moto a spigolo Direzione Dislocazione del moto a vite 4 - Il moto delle dislocazioni è analogo al modo di locomozione di un di un bruco. - La deformazione plastica è macroscopicamente omogenea e microscopicamente disomogenea:   Piani di slittamento (elevata densità atomica) s  1 m Direzioni di slittamento (elevata densità atomica) 5 - Nei cristalli singoli le dislocazioni cominciano a muoversi solo quando lo sforzo di taglio ’ supera un valore critico. - Lo sforzo di taglio ’ che agisce sui piani ad elevata densità atomica, nella direzione di scorrimento preferenziale è calcolabile come segue:  ' = σ  cos  cos dove:  = angolo tra la normale al piano di scorrimento e la direzione della sollecitazione applicata;  = angolo tra la direzione di sollecitazione e quella di scorrimento. 6 - Tra tutti i sistemi di slittamento del cristallo, quello con ’ più elevato è il primo che comincia a scorrere, qualora sia verificata la condizione:  '   critico con critico = sforzo di taglio minimo per lo scorrimento dei piani atomici. Taglio critico di alcuni monocristalli Scorrimento di un cristallo singolo di zinco 7 - Lo sforzo di trazione  che è necessario applicare per indurre lo scorrimento è dunque pari a:  critico S  (cos  cos )max - 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 Esempio numerico. Ad un metallo monocristallino, avente uno sforzo di taglio critico di 6.2 MPa, viene applicato uno sforzo di trazione di 12 MPa. L’orientazione del cristallo rispetto allo sforzo applicato è tale per cui  = 60° e  = 35°. Il cristallo si deformerà plasticamente?  ' = σ  cos  cos = (12 MPa) (cos 60°) (cos 35°) = 4.91 MPa. Risposta: NO 8 - Nei materiali policristallini (i.e., metalli e leghe comuni) le direzioni di scorrimento variano da grano a grano. - I grani non possono deformarsi liberamente, anche se risultano favorevolmente orientati, essendo costretti dai grani adiacenti. - Perché si deformi un policristallo è richiesto uno sforzo superiore a quello necessario per un cristallo singolo dello stesso metallo. NB: si definisce snervamento di una lega policristallina lo sforzo necessario a propagare la deformazione plastica da un grano all’altro. Linee di scorrimento su rame Microstruttura prima e dopo policristallino deformazione plastica 9  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. - Questi ostacoli possono essere: 1) bordi di grano, 2) atomi in soluzione solida, Leghe monofasiche 3) altre dislocazioni, 4) particelle deformabili di una seconda fase, Leghe polifasiche 5) particelle indeformabili di una seconda fase. ATTENZIONE: ridurre la mobilità delle dislocazioni significa aumentare la resistenza, ma anche ridurre la duttilità della lega. 10  1) 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. Effetto del bordo grano Bordo grano NB: le dislocazioni si impilano contro il bordo di grano producendo effetti di concentrazione degli sforzi che si estendono nel grano adiacente. 11 - 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)! A parità di sforzo applicato, è più facile propagare la deformazione più difficile Condizione di snervamento in un policristallo 12 Limite di snervamento: come si misura? F Il limite di snervamento s si misura con la prova di trazione (da approfondire) → è lo sforzo che separa il campo delle deformazioni elastiche da quelle plastiche, ossia non più recuperabili una volta rimosso il carico applicato. F N.B: affinare il grano vuol dire poter aumentare il carico che porta alla deformazione plastica del materiale senza modificarne la composizione chimica. 13 14 - La riduzione della dimensione (i.e., affinamento) del grano migliora oltre alla resistenza meccanica, anche la duttilità della lega, in termini di tenacità all’impatto. - Si può modificare la dimensione del grano in 2 modi: controllo della velocità di raffreddamento; deformazione plastica + trattamento termico di ricristallizzazione. NB:  velox. di raffreddamento  velox. di raffreddamento (NB: a parità di temperatura di preriscaldo iniziale) 15 Affinamento del grano: fino a che punto spingersi? La maggior parte dei processi industriali arriva ad affinare il grano fino a 2-10 micron, tuttavia esistono processi particolari che consentono di produrre leghe nanostrutturate (d < 1 m). NB: nelle leghe nanostrutturate l’aumento della resistenza meccanica è accompagnato da un drastico calo della duttilità. 16  2) RAFFORZAMENTO PER SOLUZIONE SOLIDA - L’aggiunta di elementi di lega ad un metallo puro ne aumenta la resistenza meccanica in modo proporzionale alla quantità di elemento aggiunto. - L’effetto è conseguenza della distorsione elastica del reticolo indotta dall’elemento di lega. Effetto degli elementi di lega sulla costante reticolare del ferro  17 L’aumento del limite di snervamento e del limite di rottura della lega è in genere accompagnato da un progressivo calo della duttilità. Allungamento nto (MPa) snervame Limite di % Contenuto Contenuto di di nichel (% nichel (% in in peso) peso) Effetto dell’aggiunta di Ni sul Effetto dell’aggiunta di Ni sulla carico di snervamento del rame duttilità del rame 18 19  3) RAFFORZAMENTO PER INCRUDIMENTO Trafilatura Coniatura Laminazione a freddo 20 Il livello di deformazione plastica, e quindi di incrudimento, impartito al materiale è calcolabile come percento di lavorazione, LF%:  A − Ad  dove: A0 = area iniziale, LF% =  0  100  A0  Ad = area dopo deformazione. Effetto del LF% sul limite di rottura e sull’allungamento di diversi metalli La resistenza aumenta. La duttilità si riduce! 21 - L’aumento della resistenza che accompagna l’incrudimento è dovuto alla moltiplicazione delle dislocazioni presenti nel materiale. - In un metallo ottenuto a partire dallo stato fuso sono presenti dislocazioni con una certa densità  (104 ÷ 106 mm/mm3). - Un’intensa deformazione plastica a freddo (es. trafilatura, laminazione, etc.) comporta un aumento della densità delle dislocazioni fino a  = 1010 ÷ 1011 mm/mm3. Dislocazioni in una lega di Ti (50000X) 22 - La formazione delle sorgenti di Frank-Read è il meccanismo che spiega la moltiplicazione di dislocazioni multiple in piani di scorrimento (slip) del cristallo quando questo viene deformato. Forza di Forza di taglio curvatura Tensione minima per attivare una sorgente di Frank-Read. 23 Simulazione di una sorgente di Frank-Read 24 Sorgenti di Frank-Read viste al TEM 25 Un’elevata densità di dislocazioni (foresta di dislocazioni) causa delle forze repulsive tra le dislocazioni dello stesso segno che finiscono per ostacolarsi a vicenda anche all’interno dei grani. Foresta di Dislocazi dislocazioni oni della foresta già Piano di traslate slittamento Linea di disloca zione Interazione tra una linea di dislocazione e la “foresta” 26  4-5) 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. 27 - In generale, esistono due tipologie di precipitati: 1. Particelle intermetalliche: se formate tra due metalli → gli atomi di un metallo diverso dal solvente si dispongono ordinatamente in posizioni ordinarie del reticolo (es. CuAl2 in una lega Al-Cu). 2. Particelle interstiziali: se sono formate da un metallo e un non metallo (es. C, N, B) → gli atomi si sistemano ordinatamente negli interstizi di un reticolo di un metallo base (es. Mo2C, Fe2N, Al2O3 etc.). - Inoltre, è possibile classificare i precipitati in: 1. Coerenti: se hanno continuità cristallografica con la matrice; 2. Incoerenti: se non hanno continuità cristallografica con la matrice. Campo di deformazione attorno alla particella Incoerente Coerente 28 4) RAFFORZAMENTO DA PARTICELLE DEFORMABILI - Questo rafforzamento consiste nel precipitare nella matrice nano- particelle coerenti (o semi-coerenti), tipicamente di tipo intermetallico. - Essendo coerenti con la matrice producono nell’intorno una deformazione elastica del reticolo, che rallenta il moto delle dislocazioni (1° effetto di rafforzamento, detto ‘a distanza’). Dislocazione 29 - Le particelle sono dette deformabili, perché essendo coerenti possono essere attraversate dalle dislocazioni in moto nella matrice. - Tuttavia, perché ciò avvenga è necessario che lo sforzo di taglio aumenti (2° effetto di rafforzamento). - Dopo l’attraversamento le particelle risultano tagliate in 2 parti. - L’efficacia di questo rafforzamento dipende da 2 condizioni: le particelle devono essere molto piccole (≈ 530 nm), la loro frazione volumetrica deve essere elevata. 30 5) RAFFORZAMENTO DA PARTICELLE INDEFORMABILI - Si tratta di particelle molto dure (es. ossidi) incoerenti con la matrice. - Non producono deformazione del reticolo, ma rafforzano comunque la lega poiché non si lasciano attraversare dalle dislocazioni. - Per superarle, le dislocazioni devono piegarsi tra una particella e l’altra fino a generare delle sorgenti di Frank-Read. Meccanismo di Orowan 31 Il modello di Orowan e Ashby permette di stimare l’incremento del limite di snervamento prodotto da una dispersione omogenea di particelle indeformabili di forma idealmente sferica: dove: Lp = distanza media tra i centri delle particelle vicine (intersecate da un piano random), rp = raggio medio delle particelle (intersecate dal piano), b = modulo del vettore di Burger,  = modulo di taglio, ν = coefficiente di Poisson. 32  Deformazione plastica per geminazione - Nei metalli con struttura c.c.c. ed e.c. la deformazione può avvenire anche per formazione di un geminato meccanico → geminazione. - Sono necessarie condizioni particolari: bassa temperatura ed elevata velocità di sollecitazione (es. urto). Prima della deformazione Dopo Confronto tra deformazione per scorrimento e per geminazione Meccanismo di deformazione per geminazione 33  Che cosa abbiamo imparato? Possiamo modificare le caratteristiche meccaniche di un materiale metallico agendo: 1. Sulle condizioni di riscaldo e raffreddamento del pezzo in fase di produzione (rafforzamento per affinamento del grano) 2. Sulla composizione chimica (rafforzamento per soluzione solida) 3. Aumentando il numero dei difetti di linea in modo che si auto- blocchino anche all’interno della matrice metallica (rafforzamento per incrudimento) 4. Sfruttando i precipitati come particelle in grado di ostacolare il moto delle dislocazioni (rafforzamento da particelle deformabili o indeformabili). NB: i diversi tipi di rafforzamento hanno effetto diverso sulla duttilità della lega, che in genere viene comunque peggiorata. 34