Meccanismi di Rafforzamento delle Leghe Metalliche PDF

CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO DELLE LEGHE METALLICHE Si ricorda che il presente materiale è per uso esclusivamente didattico, è proprietà del docente e si intende fruibile soltanto all...

CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO DELLE LEGHE METALLICHE Si ricorda che il presente materiale è per uso esclusivamente didattico, è proprietà del docente e si intende fruibile soltanto all'interno delle piattaforme di UNIBS. Pertanto, ne è vietata la circolazione e la diffusione anche parziale, al di fuori degli usi e delle modalità previste dalle norme interne sulla didattica a distanza. UNIBS non si assume alcune responsabilità per l’uso improprio o non autorizzato dei contenuti in violazione delle suddette disposizioni. Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 1 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO In realtà per poter utilizzare un componente in condizioni di sicurezza è necessario imporre progettualmente che la sollecitazione di lavoro σa non superi la sollecitazione al limite elastico del materiale σe  tanto maggiore è σe e tanto minore è la sezione resistente del componente (maggiore leggerezza, minore ingombro e costo)  scopo dei meccanismi di rafforzamento Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 2 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO Il superamento del regime elastico implica il moto delle dislocazioni  Per rafforzare un materiale metallico, cioè aumentare la resistenza alla deformazione plastica, si collocano opportuni ostacoli sul cammino delle dislocazioni: F 1) altre dislocazioni F1 2) giunti intergranulari 3) atomi in soluzione solida 4) particelle deformabili di una seconda fase 5) particelle indeformabili di una seconda fase ∆L2 ∆L1 ∆L L’aumento di resistenza alla deformazione plastica non ha valore se è accompagnato da un’eccessiva diminuzione di altre importanti proprietà meccaniche (es. duttilità) Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 3 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO 1) RAFFORZAMENTO PER INCRUDIMENTO Gli ostacoli al movimento delle dislocazioni sono altre dislocazioni, ottenute sottoponendo il metallo ad intensa lavorazione plastica a freddo (il materiale viene incrudito) Tipiche tecnologie che consentono di ottenere un significativo grado di incrudimento degli acciai sono: Trafilatura Laminazione a freddo Stampaggio a freddo Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 4 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO Per quantificare l’entità dell’incrudimento si utilizza la riduzione di sezione del semilavorato LF%:  A − Ad  A0 = sezione trasversale iniziale LF% =  0  ⋅100  A0  Ad = sezione trasversale finale Effetto di LF% sulla resistenza a rottura, resistenza a snervamento e sulla duttilità di diversi materiali metallici Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 5 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO Effetto di LF% sulle caratteristiche resistenziali e di deformabilità di un acciaio tipo C15 a struttura perlitico-ferritica Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 6 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO Effetto di LF% sul comportamento sforzo-deformazione di un acciaio a basso tenore di C Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 7 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO L’effetto prodotto dall’incrudimento è evidente se, durante una prova di trazione, la prova viene interrotta dopo aver superato il limite di snervamento σy ed il carico viene rilasciato completamente Se poi il carico viene applicato di nuovo, il nuovo limite di snervamento del materiale diventa lo sforzo al quale era iniziato lo scarico σy’ (> σy) Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 8 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO L’indurimento prodotto dall’incrudimento è dovuto alla moltiplicazione delle dislocazioni  foresta di dislocazioni  aumentano le forze di repulsione tra le dislocazioni con lo stesso segno, che finiscono per ostacolarsi a vicenda Interazione tra una linea di dislocazione e la “foresta di dislocazioni” Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 9 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO E’ il metodo più semplice per rafforzare un materiale metallico ma non tutte le leghe si prestano allo scopo, particolarmente adatte ad incrudirsi sono: tra le leghe monofasiche quelle a bassa energia di difetti di impilamento (c.f.c. – es. acciai inossidabili austenitici) tra le leghe bifasiche quelle costituite da una fase tenera e da una fase dura in proporzioni pressoché identiche (es. acciaio eutettoide), la fase tenera è destinata ad incrudirsi, mentre quantità e distribuzione della fase dura devono garantire un efficace ostacolo alle dislocazioni L’incrudimento viene spesso utilizzato commercialmente per incrementare le proprietà meccaniche dei metalli durante il processo di fabbricazione I suoi effetti possono essere rimossi con un trattamento termico di ricottura Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 10 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO ES. ACCIAIO EUTETTOIDE usato per la fabbricazione (mediante trafilatura a freddo) di fili ad altissima resistenza, φ ∈ (50 µm ÷ 8 mm)  fili per funi, molle elicoidali, corde per strumenti musicali, … Laminazione a caldo  vergella  patentamento: austenitizzazione a ∼ 1000 °C, raffreddamento rapido in bagno di sali fusi a ∼ 550 °C con Effetto della riduzione di sezione mantenimento fino a completa per trafilatura a freddo sulla trasformazione dell’austenite in resistenza e sulla duttilità di un perlite fine (microstruttura più adatta filo di acciaio eutettoide di ad essere rafforzata per incrudimento) diametro φ = 3 ÷ 6 mm  trafilatura a freddo Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 11 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO 2) RAFFORZAMENTO PER AFFINAMENTO DEL GRANO Gli ostacoli al movimento delle dislocazioni sono i bordi grano Costituendo una regione di disordine atomico che separa due cristalli aventi una diversa orientazione sono attraversabili con difficoltà dalle dislocazioni Teoricamente valido per ogni materiale metallico, è molto efficace per i metalli con struttura c.c.c. (es. tra gli acciai da costruzione di uso generale è quello degli acciai saldabili, detti acciai dolci), per i quali è l’unico meccanismo in grado di aumentare sia la resistenza alla deformazione plastica sia la tenacità Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 12 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO RELAZIONE DI HALL- PETCH: mette in evidenza i diversi contributi dei vari meccanismi di rafforzamento sulla resistenza allo snervamento per un acciaio dolce Rs = (σ 0 r + σ 0 s + σ 0 p + σ 0 d ) + k ⋅ d −1/ 2 σ0 σ0 = σ0r + σ0s + σ0p + σ0d σ0r = resistenza intrinseca del reticolo σ0s = contributo degli atomi in soluzione solida σ0p = contributo dei precipitati σ0d = contributo delle dislocazioni d = dimensione del grano Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 13 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO Si può modificare la dimensione del grano in vari modi: controllo della vraffreddamento ↑ vraffreddamento ↓ vraffreddamento def. plastica + ricristallizzazione opportuni trattamenti termici Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 14 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO Se gli ostacoli sono: atomi in soluzione solida particelle deformabili (precipitati coerenti) particelle indeformabili (precipitati incoerenti e fasi disperse)  producono forze localizzate che si oppongono al moto delle dislocazioni Atomi di soluto e precipitati coerenti deformano elasticamente il reticolo  interagiscono anche a distanza con le dislocazioni  sono ostacoli anche se non stanno sul piano di slittamento Precipitati incoerenti e fasi disperse non deformano il reticolo Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 15 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO 3) RAFFORZAMENTO PER SOLUZIONE SOLIDA Gli ostacoli sono gli atomi di soluto  deformano elasticamente il reticolo del solvente  interagiscono con le dislocazioni ostacolandone il movimento Deformazioni elastiche provocate da atomi in Interazione elastica tra una soluzione solida sostituzionale (a, b) e interstiziale (c) dislocazione a spigolo e un atomo di soluto Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 16 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO L’aggiunta di elementi di lega ad un metallo puro ne aumenta le proprietà meccaniche Sono tanto più efficaci quanto: > è la differenza tra il loro diametro e quello del solvente, ma ciò corrisponde ad una < solubilità > è la loro concentrazione Incremento del carico unitario di snervamento inferiore del Fe in funzione della concentrazione di alcuni soluti sostituzionali Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 17 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO ES. LEGHE DEL CU Il Cu puro ha basse proprietà meccaniche (basso limite elastico) buona resistenza alla corrosione + buona deformabilità a freddo L’aggiunta di elementi di lega serve per rendere accettabili le proprietà meccaniche senza alterare le altre Effetto dell’aggiunta di Ni sul carico di rottura, di snervamento e sulla duttilità del Cu Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 18 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO 4) RAFFORZAMENTO DA PARTICELLE DEFORMABILI Gli ostacoli sono precipitati coerenti (c’è continuità fra i loro piani cristallini e quelli della matrice)  interagiscono con le dislocazioni ostacolandone il movimento: deformano sensibilmente il reticolo della matrice, producendo un’interazione elastica con le dislocazioni che le rallenta quando attraversano la zona deformata (τ necessario per far avanzare la dislocazione aumenta) zona del reticolo deformata per la presenza di un precipitato coerente Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 19 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO le particelle sono dette deformabili perché possono essere attraversate dalle dislocazioni quando una dislocazione attraversa una particella deformabile, il suo movimento viene rallentato e la particella viene “tagliata” Sono tanto più efficaci quanto: > è la loro frazione volumetrica < sono le loro dimensioni (< 10 ÷ 20 nm) Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 20 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO Rafforzamento per precipitazione di una fase coerente (tempra di soluzione + invecchiamento): Invecchiamento per precipitazione: Stadi del processo di invecchiamento diagramma di stato di una lega di una lega Al-Cu: invecchiabile e schema del a) dopo solubilizzazione, trattamento termico b) addensamento coerente (fase θ”) Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 21 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO 5) RAFFORZAMENTO DA PARTICELLE INDEFORMABILI Gli ostacoli sono precipitati incoerenti o fasi disperse  quelli che hanno R > Rc ≅ 4 nm non si lasciano attraversare dalle dislocazioni, che per superarle devono inflettersi tra una particella e l’altra (Meccanismo di Orowan): τ1 τ1 < τ2 < τ3 per superare le particelle si deve applicare uno τ2 sforzo crescente perché c’è un forte rallentamento delle dislocazioni nel compiere questa τ3 operazione anello di dislocazione Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 22 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO Sono tanto più efficaci quanto: > è la loro frazione volumetrica < sono le loro dimensioni (purché superiori a pochi nm) Rafforzamento per precipitazione di una fase incoerente (solubilizzazione + raffreddamento lento): solubilizzazione raffreddamento lento Indurimento per precipitazione di una seconda fase Precipitato incoerente Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 23 CORSO DI METALLURGIA I MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO Nella maggioranza dei materiali di uso comune agiscono più meccanismi di rafforzamento contemporaneamente  RAFFORZAMENTO MISTO (Es. Acciai microlegati normalizzati, Acciai temprati e rinvenuti…) Università degli Studi di Brescia © Prof. Michela Faccoli 24