Le lavorazioni plastiche utilizzano la proprietà di molti materiali metallici di deformarsi permanentemente allo stato solido qualora siano sottoposti all'azione di opportune forze esterne. Il grado di plasticità di un materiale è
influenzato dalla sua composizione chimica e dalla sua struttura, dai carichi unitari di snervamento e di rottura a trazione, dalla resistenza a compressione, dall'allungamento e dalla presenza di eventuali incrudimenti.
I suddetti fattori variano con la temperatura, un aumento della quale migliora notevolmente la deformabilità. Le lavorazioni mediante deformazioni plastiche si possono compiere sia a caldo che a freddo; queste ultime
richiedono, a parità di condizione, un maggiore sforzo ma conferiscono al pezzo una maggiore precisione di forma e di dimensioni.
Mediate lavorazioni plastiche si possono eseguire principalmente operazioni di laminazione, trafilatura, fucinatura, stampaggio, tranciatura, piegatura ed altre. Le principali lavorazioni plastiche per ottenere manufatti dai
semilavorati sono riportate negli schemi accanto:A CALDOA MANOFUCINATURA LIBERAA MACCHINAFUCINATURA LIBERA AL MAGLIO O ALLA PRESSASTAMPAGGIO
ELETTROSTAMPAGGIOESTRUSIONEA FREDDOA MANOPIEGATURAPUNZONATURASAGOMATURAECC.A MACCHINATRANCIATURAPIEGATURAPUNZONATURAESTRUSIONEIMBUTITURACon questo procedimento i prodotti acquistano la loro forma e le dimensioni definitive mediante deformazioni plastiche a caldo partendo normalmente da un semilavorato, generalmente seguite da lavorazione all'utensile. Le operazioni di laminazione a caldo e di forgiatura deformano i metalli attraverso trattamento termico, le cui temperature possono essere superiori a quelle di cristallizzazione. Questo tipo di lavorazione a caldo è importante nei processi di fabbricazione poiché permette una maggiore deformazione plastica.
E' più difficile controllare le esatte dimensioni nella lavorazione a caldo e ne consegue che nella maggior parte dei casi l'ultimo stage di lavorazione avviene a basse temperature. Come abbiamo visto nello schema, il processo di lavorazione a caldo, sia a mano che a macchina, comprende diverse tecniche quali la fucinatura (libera, al maglio o alla pressa), lo stampaggio e l' elettrostampaggio.
Lavorazione a freddo
Il principio di indurimento per deformazione può essere compreso considerando il test di trazione, introdotto nel capitolo 6.
Se il provino è teso (Figura1 <javascript:Figura1()>) al di la del punto di cedimento, le dislocazioni si muovono. Quando lo sforzo applicato è rilasciato (Figura2 <javascript:Figura2()>) il campione si contrae per recuperare la porzione elastica dello sforzo, ma restano tutti i grovigli, le moltiplicazioni e le ostruzioni accadute alle dislocazioni. Ciò rende più difficile iniziare a muovere tali dislocazioni se in seguito viene nuovamente allungato il campione (Figura3 <javascript:Figura3()>), in modo tale che il cedimento non accade finché non viene raggiunto il massimo sforzo applicato precedentemente. Questo procedimento può essere ripetuto (Figura4 <javascript:Figura4()>) per produrre elevati sforzi di cedimento. Come sempre viene ridotta la duttilità (Figura5 <javascript:Figura5()>), in modo tale che alla fine il campione si romperà con piccole deformazioni plastiche.
Una delle lavorazioni plastiche a freddo più importanti è quella delle lamiere che danno origine ad una numerosa serie di prodotti quasi sempre impiegati senza subire ulteriori lavorazioni. Il più comune gruppo di lavorazioni è quello comprendente la tranciatura, punzonatura, piegatura, estrusione ed altre.
Tranciatura e punzonatura
Sono due lavorazioni consistenti nel sollecitare una lamiera tra due taglienti sagomati (punzone e matrice ) fino a generare una frattura che riproduce la forma dei taglienti stessi. Le operazioni di tranciatura e di punzonatura sono essenzialmente le stesse in quanto l'unica differenza riguarda la destinazione dei pezzi separati. Infatti nella punzonatura la lamiera è il prodotto ed il pezzo tagliato via rappresenta lo sfrido, mentre nella tranciatura i pezzi tagliati sono il prodotto ed il rimanente di lamiera è lo sfrido. Ne consegue che punzonare significa praticare dei fori (rotondi, ovali, quadrati, rettangolari o di qualsiasi forma) in una lamiera mentre tranciare significa produrre dei pezzi di lamiera di forma e dimensioni prestabilite.
Se si tratta di eseguire una punzonatura la matrice deve avere le dimensioni richieste mentre il punzone deve essere più piccolo del giuoco desiderato; se si tratta di eseguire una tranciatura il punzone deve essere delle dimensioni richieste mentre la matrice deve essere maggiorata del giuoco.
Gli stampi per tranciare possono essere di due tipi: ad utensili piatti e paralleli e ad utensili ad angolo.
Per assicurare un regolare e prolungato funzionamento di un'attrezzatura per la tranciatura delle lamiere occorre che tra il punzone e la matrice esista un giuoco, misurato sul raggio uguale lungo tutto il perimetro di taglio, la cui entità dipende dalla qualità della lamiera e dallo spessore del materiale da tranciare.
Lo sforzo richiesto dalla recisione varia progressivamente durante la corsa di lavoro in quanto il materiale, durante la prima fase, è sollecitato a compressione subendo di conseguenza una deformazione plastica. Nella seconda fase,
quando lo sforzo lungo il profilo della matrice raggiunge il carico di rottura al taglio, si ha il distacco del pezzo che cade nell'interno della matrice.
Piegatura
E' un procedimento di deformazione plastica che consente di ottenere elementi a sezione aperta o chiusa, sviluppati essenzialmente in direzione della lunghezza.
La piegatura consiste nel sottoporre la lamiera ad una sollecitazione di flessione con carico superiore al limite di deformazione permanente del materiale, in modo da costringerlo ad assumere la forma prefissata nel campo delle deformazioni plastiche.
Dopo la piegatura si manifesta la raddrizzatura dovuta ai carichi di trazione e di compressione che attorno all’asse neutro non hanno superato il limite elastico.
La piegatura può essere eseguita sostituendo alla matrice metallica un cuscinetto di gomma poliuretanica. I vantaggi sono evidenti: diminuzione dei costi, possibilità di piegare le lamiere in forme e dimensioni diverse con la semplice sostituzione del punzone, possibilità di piegare lamiere lucidate, placcate o rivestite senza che il cuscinetto determini graffiature, deformazioni a spigoli netti. (Fig. 4.85 <javascript:Macchina6()>)
Estrusione
E' una lavorazione che consiste nel forzare, mediante compressione, un massello metallico, posto in una matrice, a fluire attraverso un’apertura della forma e delle dimensioni del prodotto che si vuole ottenere. La forza di
compressione occorrente per l'estrusione viene generalmente esercitata per mezzo di una pressa idraulica. Con questo procedimento si costruiscono profilati estrusi di varia forma, che permettono di risolvere numerosi problemi strutturali in modo pratico ed economico mediante l’ottenimento della sezione più idonea dal punto di vista del momento di inerzia e del raggio giratorio, concentrando il materiale dove è più necessario.
La difficoltà di realizzazione di un profilato dipende dalla sua forma e dalla estrudibilità della lega usata; per quanto riguarda la forma, la difficoltà cresce passando dalle sezioni chiuse o tubolari.
Deformazione nella lavorazione a freddo
Per le lavorazioni di laminazione e trafilatura, la quantità di deformazione si calcola con le seguenti formule:
Deformazione per laminazione <javascript:Figura7()>=(Spessore iniziale-Spessore finale)/Spessore inizialeDeformazione per trafilatura <javascript:Figura8()>=[(Diametro iniziale)²-(Diametro finale)²]/(Diametro iniziale)²Lo sforzo di taglio e la forza di tensione dei metalli aumentano con l'aumentare del lavoro a freddo, mentre la duttilità diminuisce.
Lavoro a Freddo <javascript:Figura6()>
Lavorazione a caldo La Fucinatura
E' l'operazione con la quale si ottiene un prodotto fucinato per successive deformazioni essenzialmente da sforzi di compressione alla temperatura opportuna, tale cioè da conseguire buona plasticità a caldo e struttura fine ed omogenea a freddo. Gli sforzi di compressione sono provocati dai magli o dalle presse mentre il massello è liberamente mosso dall'operatore a mano o con manipolatori come mostrato in Figura 4.37
<javascript:Macchina1()> (esemplare di manipolatore idraulico).
Il ciclo di lavorazione si compie con una successione di fasi programmate che iniziano con il taglio a freddo del massello e terminano dopo diversi trattamenti fino all'estrusione. L'esito della fucinatura dipende dal rapporto di riduzione con la quale si ottiene l'invariabilità di volume tra la forma iniziale e quella finale.
Il controllo della percentuale di deformazione e il trattamento termico del metallo può far ottenere alcuni effetti della deformazione, come ad esempio un migliore orientamento dei grani, una struttura a grani fini e una controllata densità delle dislocazioni.
Lo stampaggio
I prodotti stampati sono ottenuti mediante applicazione di una pressione tramite stampi o matrici chiuse delimitanti uno spazio corrispondente alla forma che deve essere impartita al pezzo; la massa di materiale, opportunamente riscaldata, è pertanto completamente contenuta nella matrice ed assume la forma finale in uno o più stadi. La sollecitazione di compressione viene di regola applicata mediante una pressa o un maglio.
Gli stampi o le matrici servono per regolare la deformazione plastica di uno spezzone, affinché assuma la forma finale del pezzo che si desidera ottenere. Secondo il modo di operare gli stampi si classificano in aperti, ad estrusione, semichiusi e chiusi. I requisiti essenziali degli acciai per stampi sono la durezza sufficiente accoppiata a buona tenacità, la resistenza all'usura e alla corrosione alle alte temperature, la bassa sensibilità agli sbalzi di temperatura e l'indeformabilità ai trattamenti termici.
Durante la lavorazione gli stampi subiscono un trattamento di bonifica e di protezione superficiale per acquisire le proprietà richieste il cui valore ottimale è giudicato dal numero di pezzi stampati fino al momento del disuso.
L' elettrostampaggio
E' un particolare metodo di deformazione plastica a caldo che consente di far assumere al pezzo metallico la forma desiderata dopo che lo spezzone, introdotto freddo nella cavità del semistampo inferiore fisso, è stato
elettricamente riscaldato prima della chiusura dello stampo.
I vantaggi, oltre quelli già noti dello stampaggio tradizionale, riguardano la possibilità di impiegare materiali
difficilmente stampabili a freddo, e la maggior durata degli stampi per effetto della uniforme temperatura del metallo. Molti di questi processi di lavorazione a caldo prevedono l'uso di macchine particolari quali i magli e le presse. Il maglio agisce violentemente e velocemente mediante azioni dinamiche successive che provocano una serie di urti di brevissima durata. Ne consegue che la deformazione tende a concentrarsi in superficie lasciando invariato il cuore del massello (Fig. 4.44 <javascript:Macchina2()> - 4.45 <javascript:Macchina3()>).
La pressa invece agisce potentemente e lentamente, mediante un'azione di compressione, da considerarsi statica, e che ha un effetto praticamente uniforme su tutta la massa del pezzo (Fig. 4.49 <javascript:Macchina4()> - 4.50 <javascript:Macchina5()>).
Per questo i vantaggi della pressa rispetto al maglio sono rappresentati dalla maggiore uniformità del lavoro e dal maggiore rendimento. Inoltre con questo tipo di macchina la deformazione non avvenendo per urto, conferisce una maggiore omogeneità al prodotto, e minori pericoli di rottura e di usura della macchina stessa.
11-1-1 Coefficiente di incrudimento
Con la deformazione plastica aumenta la densità delle dislocazioni, il che rende sempre più difficile il loro libero cammino medio "dx" e la loro produzione, con conseguente aumento di s y.
Il metallo diventa più duro ovvero subisce l’incrudimento (work hardening). Il coefficiente di incrudimento k è un indice di comportamento del materiale quando viene sollecitato con flangia bloccata, n invece rappresenta il modulo di incrudimento della relazione s i= k× e i caratteristica del tratto plastico nella curva di trazione. Lo si determina fra il 14% ed il 20% come pendenza della retta in cui si trasforma la curva di trazione riportata nel piano lg(s )-lg(e ). Con s i si intende il carico unitario al tempo generico ti riferito alla sezione effettiva in quell’istante: Ai=A0× l0/li dove A0 è la sezione iniziale della provetta e l0 è la lunghezza iniziale del tratto utile, quindi s i = Pi× l0/(Ai× li); la deformazione e i = lg li/l0. Se Pi-1 ed li-1 ed li sono i carichi ed gli allungamenti di due punti, della curva di trazione il modulo è:
Dal grafico accanto si vede che al diminuire della temperatura il modulo di incrudimento per un acciaio C10 (0,1% di carbonio) prima aumenta fino a -30°C poi diminuisce (vedi figura). Con l’aumento di e , n diminuisce specie alle basse temperature. I lavori più elevati di incrudimento si ottengono con la trafilatura, la laminazione e la forgiatura, eseguite a freddo; con la trazione si ha strizione e rottura localizzata, prima di un ulteriore possibile incrudimento nel resto del campione. L’incrudibilità è la capacità del materiale di aumentare la sua resistenza al crescere della deformazione: essa può esprimersi come ds /de , cioè come tangente della curva s -e nel punto considerato della deformazione. Sono diversi i meccanismi di scorrimento e di incrudimento che intervengono sia nel monocristallo
che nel policristallo. I° Stadio (scorrimento facile): Esso
interessa solo i monocristalli: Le linee esterne di scorrimento sono ben visibili e lunghe: nel monocristallo esagonale compatto, anche senza incrudimento; nei monocristalli cfc e ccc, con basso incrudimento.
II° Stadio (incrudimento lineare): nel monocristallo cfc e ccc si verifica alla fine del primo stadio, la densità delle
dislocazioni cresce fino a tre ordini di grandezza. Macroscopicamente una grandezza peculiare del II° stadio è il fatto che lo scorrimento è atermico, in quanto i meccanismi coinvolti non sono attivabili termicamente.
III° Stadio (incrudimento parabolico): l’incrudimento continua ad aumentare, il cammino medio "dx" delle
dislocazioni si riduce e lo scorrimento diviene sensibile alla temperatura e alla velocità di deformazione. Ai meccanismi atermici del II° stadio si sovrappongono quelli termicamente. attivati di riassetto dinamico del III° stadio: soprattutto l’annichilazione di difetti puntuali e lineari di segno opposto e la disposizione delle dislocazioni sotto forma di celle o pareti di dislocazioni.
Nei policristalli i micromeccanismi di incrudimento, sono identici ma il processo si differenzia nella cinetica per tre aspetti:
1) il singolo grano deve deformarsi compatibilmente con i grani adiacenti orientati a caso: il grano comincia
a deformarsi al II° stadio;
2) il bordo di grano come ostacolo al cammino delle dislocazioni comporta l’aumento di densità di
dislocazioni, che in parte si ridistribuiscono statisticamente ed in parte creano impilaggi al bordo del grano;
3) durante la deformazione cambia la tessitura del policristallo: cioè lo scorrimento lungo sistemi
preferenziali porta i singoli grani ad assumere una isorientazione dopo la deformazione, con tendenza alla scomparsa del bordo di grano nel materiale deformato.
Nel caso di deformazione per trafilatura o laminazione, per e >0,5 può intervenire un IV° stadio di incrudimento, dove questo riassume l’andamento lineare con valore molto più basso rispetto al II° stadio.
Già nel 1928 Taylor analizzò l’incrudimento, ipotizzando le interazioni elastiche tra dislocazioni che predominano essenzialmente nel terzo stadio. Taylor dimostrò la relazione di tipo parabolico esistente tra sollecitazione e deformazione, evidenziate nelle curve sperimentali di trazione.