METALLI -
Acciai e Ghise
1
Metalli
Da W.F. Smith”Sscienza e tecnologia dei materiali”, McGraw-Hill.
Metalli
3
Leghe Metalliche
Leghe Metalliche
5
Leghe Metalliche
Leghe Metalliche
7
2 %
Leghe Metalliche
Il nucleo terrestre è prevalentemente composto da Fe e Ni e la presenza di ferro nelle meteoriti suggerisce che questo elemento sia abbondante in tutto il sistema solare.
I minerali principali sono l’ematite Fe2O3, la magnetite Fe3O4, la limonite FeO(OH), la siderite FeCO3 e la pirite FeS2.
L’estrazione del ferro ha giocato un ruolo importante nello sviluppo della civiltà moderna.
L’età del ferro cominciò quando l’uomo trovò come usare il carbone da legno, per estrarre il ferro dai minerali e come usarlo per fare utensili. La rivoluzione industriale cominciò quando nel 1773 in Inghilterra si sviluppò un processo che usava carbon coke invece di carbone da legna.
Il ferro viene estratto dai suoi ossidi negli altiforni che sono costituiti da forni alti fino a 40 m quasi cilindrici (diametro ca. 15 m) rivestiti con mattoni refrattari che lavorano in continuo Il ferro e’ utilizzato in quantità maggiori di ogni altro metallo e la produzione di acciaio è di grandissima importanza per tutto il mondo.
Tutte le leghe Fe/C contenenti meno del 2% di C vengono chiamate acciaio; se il contenuto di C è compreso tra il 2 e il 4.3% si ha la ghisa.
Il ferro puro è di colore argenteo, non è molto duro ed è piuttosto reattivo.
Il metallo finemente diviso è piuttosto piroforico. L’aria secca ha scarso effetto sul Fe massivo, ma l’aria umida ossida piuttosto rapidamente il metallo ad ossido di ferro idrato
(ruggine), che forma uno strato non-aderente, che si stacca in scaglie, esponendo nuovamente il metallo all’attacco dell’aria umida.
Ferro
9
Ferro
Il Ferro puro, oltre alla fusione, presenta due trasformazioni di fase allo stato solido.
Le temperature corrispondenti sono indicate con A3 ed A4.
A 770°C il ferro da ferromagnetico diventa paramagnetico senza cambiare forma cristallina (punto di Curie)
11
Elementi di Lega
Ferro
Ferro
13
Metallurgia Estrattiva
Acciaio
15
Acciaio
Tour Eifell: 1889
Produzione Acciaio e Ghisa
17
Altoforno
Altoforno
19
•La ghisa grezza e il 30% di rottame di acciaio viene caricata in un convertitore con
rivestimento refrattario nel quale è inserita una lancia per ossigeno
•L’ossigeno reagisce con il bagno liquido per formare ossido di ferro FeO + C Fe + CO
•Vengono aggiunte addensanti di scorie
•Il contenuto di carbonio
e di altre impurità viene abbassato
•L’acciaio fuso viene colato continuamente e formato in differenti forme
Convertitore
Categorie di Acciai
21
Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe
3C)
Diagramma Fe-C (sistema stabile)
Per analizzare processi di raffreddamento delle ghise grigie (o grafitiche).
Diagramma Fe-Fe3C (sistema metastabile) Per analizzare processi di raffreddamento delle ghise bianche (o cementitiche).
23
Diagramma di stato Fe-Fe
3C
Diagramma di stato Fe-Fe
3C
Ferrite α + Cementite
Austenite + Cementite
Ferrite α
Austenite +
Liquido Liquido +
Cementite Ferrite δ
Austenit e
Ferrite δ + Liquido
Ferrite δ + Austenite
Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe
3C)
25
Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe
3C)
Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe
3C)
27
massima solubilità del C: 2.1% a 1148°C.
Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe
3C)
Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe
3C)
29
Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe
3C)
Stutture eutettiche
31
Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe
3C)
Diagramma di stato Fe-C (Fe-Fe
3C)
Struttura peritettoidica: Austenite γ
Soluzione solida interstiziale di C nel ferro γ. 33
Diagramma di stato Fe-Fe
3C semplificato
Diagramma di stato Fe-Fe
3C semplificato
35
Gli acciai e le ghise convenzionalmente sono due diversi materiali ferrosi individuabili dalla linea tratteggiata rossa che corrisponde per un sistema binario alla composizione di 2.11% in C. Le ghise formano durante la solidificazione una fase grafitica o cementitica.
Diagramma di stato Fe-Fe
3C semplificato
Diagramma di stato Fe-Fe
3C semplificato
37
Raffreddamento acciaio
eutettoidico
Raffreddamento acciaio ipoeutettoidico
(Da W.F. Smith ”Structure and properties of engineering alloys,”
McGraw-Hill.) 39
Raffreddamento acciaio ipereutettoidico
(Da W.F. Smith”Structure and properties of engineering alloys”,
40
Raffreddamento acciai
Influenza tenore di C sulla microstruttura
41
Trattamenti termici degli acciai
Trattamenti termici degli acciai
43
Decomposizione Isotermica dell’Austenite
Acciaio al carbonio ipoeutettoidico
A1: austenite → perlite A3: austenite → ferrite α
Trasformazioni Bainitiche
Se la temperatura di raffreddamento veloce è compresa tra 550°C e 250°C, si forma una struttura intermedia detta bainite
La bainite contiene una struttura eutettoidica non lamellare di ferrite α e cementite Bainite superiore tra 550°C e 350°C
Bainite inferiore tra 350°C e 250°C
45
• Martensite: fase metastabile composta da una soluzione solida supersatura di C nel ferro CCC o ferro tetragonale CCC
• Causata dal raffreddamento rapido di acciaio austenitico a temperatura ambiente (tempra)
Ms temperatura di martensite start Mf temperatura di martensite finish
•Martensite aciculare: meno di 0.6% C, composta da domini ad aghetti con orientamenti diversi
•Martensite a placchette: più di 0.6% C, hanno una struttura fine con presenza di geminati
Trasformazioni Martensitiche
(Da A. R. Marder G. Krauss,
47
Trasformazioni Martensitiche
(Da E. R. Parker e V. F. Zackay,” Strong and ductile Stells,”
Sci. Am., november 1968, p. 36.)
Reticolo tetragonale a corpo centrato con carbonio interstiziale
Diagrammi TTT
Diagramma CCT
49
Trattamenti Termici degli
Acciai
Trattamenti Termici degli Acciai
RICOTTURA
51
Temperatura eutettoidica:
Perlite grossolana
Perlite fine Martensite e Perlite
Martensite
Trattamenti Termici degli
Acciai
Trattamenti Termici degli Acciai
53
Elevata tenacità
Trattamenti Termici degli
Acciai
Trattamenti Termo-Chimici degli Acciai per l’indurimento della superificie
55
Classificazione degli acciai
Designazione alfa numerica UNI EN 10027
Classificazione degli acciai
Designazione alfa numerica UNI EN 10027
57
Per superare i limiti degli acciai al carbonio sono stati sviluppati gli acciai legati contenenti elementi di lega per migliorare le proprietà.
Acciai Legati
GHISE
• Proprietà generali: contiene 2-4% C e 1-3% Si
• Facilmente fusibili, molto fluide, basso ritiro, facilmente lavorabili alle macchine utensili
• Bassa resistenza all’impatto e duttilità
• Tipi di ghise:
ghisa bianca
ghisa grigia
ghisa sferoidale
ghisa malleabile
59
GHISA
Iron Bridge (Regno Unito): primo ponte in ghisa 1779
• La maggior parte del carbonio forma carburo di ferro anziché grafite durante la solidificazione
• La superficie di frattura appare bianca e cristallina
• Basso contenuto di carbonio (2.5 – 3%) e di silicio (0.5 – 1.5%)
• Eccellente resistenza all’usura
Carburo di ferro Perlite
GHISA Bianca
Per Concessione della Central Foundry 61
GHISA Grigia
• Il carbonio eccede il contenuto che può essere disciolto nell’austenite e precipita come lamelle di grafite
• La superficie di frattura appare grigia
• Eccellente lavorabilità alle macchine utensili, durezza e resistenza all’usura, e capacità di smorzamento delle vibrazioni.
• 2.5 – 4% C e 1 – 3% Si (promuove la formazione di grafite)
Lamelle di grafite
GHISA Sferoidale
• Ha i vantaggi di ottenimento delle ghise e i vantaggi tecnologici dell’acciaio.
• Buona fluidità, colabilità, lavorabilità e resistenza all’usura
• Elevata resistenza meccanica, tenacità, duttilità e temprabilità (dovuta agli sferoidi di grafite)
• 3-4% C e 1.8 – 2.8 % Si, basse impurezze
• Microstruttura tipo occhio di bue
(Da Metals Hanbook, vol.7, 8° ed., America Society for Metals, 1972, p 88.) 63
GHISA Malleabile
• 2-2.6 % C e 1.1 – 1.6% Si
• La ghisa bianca viene riscaldata in un forno di
malleabilizzazione per trasformare i carburi in grafite
• Si formano noduli di grafite irregolari
• Buona colabilità, lavorazione alle macchine utensili, media resistenza meccanica, tenacità e uniformità
(Da Metals Hanbook, vol.7, 8° ed., America Society for Metals, 1972, p 95.)
65
Metalli
Au 6000 BC Cu 4200 BC Ag 4000 BC Pb 3500 BC Sn 1750 BC Fe 1500 BC
Hg 750 BC
Zn 1500
Ni 1751
Mg 1755
Al 1825
Ti prima tecnica di produzione: 1940
Metalli
Ferro Allumini o
Magnesio Nichel Ram e
Titani
Simbolo Fe Al Mg Ni Cu oTi
Numero atomico 26 13 12 28 29 22
Peso atomico 55.85 26.98 24.31 58.71 63.54 47.90
Densità (g/cm3) 7.87 2.70 1.74 8.90 8.96 4.51
Temperatura di fusione (°C)
1536 660 650 1453 1083 1668
Resistività a 20°C (µΩ⋅
cm)
10.1 2.67 160 6.9 1.694 54
Conducibilità termica (W/mK)
78.2 238 7.8 88.5 397 21.6
Modulo elastico E (MPa)
205 66.6 45 210 117 105
Carico di rottura R 400 55-91 185-232 310- 216 365
67
Alluminio
Numero atomico Z: 13
Massa Atomica: 26.981538 g/mol Densità: 2.70 g/cm3
Punto fusione: 660°C
L’alluminio è il metallo più abbondante sulla crosta terrestre (8.3% in peso) ed è il terzo elemento più abbondante dopo ossigeno e silicio.
Non si trova libero in natura; il suo minerale più importante dal punto di vista commerciale è la bauxite Al2O3·xH2O (x = 1÷3).
Le riserve sono immense e distribuite su una grande fascia geografica nelle regioni tropicali e subtropicali in grandi giacimenti a cielo aperto (Australia, Guinea, Brasile, Giamaica).
È leggero, non tossico, ha una alta conducibilità termica ed elettrica, una eccellente resistenza alla corrosione e non è magnetico. È malleabile (secondo solo all’oro) e duttile; lui e le sue leghe possono essere facilmente ottenuti in tutte le forme possibili.
La sua capacità di resistere alla corrosione è legata alla formazione di un sottile, aderente ed inerte strato di ossido che lo protegge da ulteriore ossidazione, permettendogli di conservare le eccellenti proprietà meccaniche.
Alluminio
69
L’alluminio puro è tenero e fragile ma diventa molto più resistente quando vengono fatte delle leghe con altri metalli quali rame, magnesio, silicio, manganese ecc..
Ci sono molti usi dell’alluminio e delle sue leghe:
•Come metalli strutturali per aerei, navi, automobili e scambiatori di calore.
•Negli edifici (porte, finestre ecc.).
•Contenitori come lattine per bibite, tubi per dentifrici, fogli di alluminio.
•Utensili da cucina.
•Cavi elettrici: l’alluminio puro conduce per unità di volume circa due terzi della corrente elettrica condotta dal rame, ma esso ha soltanto un terzo della densità del rame (Al, 2.70 g/cm3; Cu, 8.92 g/cm3).
Alluminio
• 99% Al + Fe + Si + 0.12% Cu
Carico di rottura = 90 MPa utilizzata per produrre lamiere
• il manganese è il principale elemento di lega
Al + Fe + Si + 0.12% Cu + 1.25% Mn Carico di rottura = 110 MPa
usata per impieghi generali
• Al + fino a 5% Mg
Al + 25%Mg + 0.2% Cr Carico di rottura = 193 MPa
Alluminio: leghe
Semilavorati senza trattamento termico
71
Alluminio: leghe
Semilavorati - trattamento termico
• Al + Cu + Mg
Al + 4.5% Cu + 1.5% Mg + 0.6%Mn Carico di rottura = 442 MPa
applicazioni strutturali aeronautiche
• Al + Mg + Si
Al + 1% Mg + 0.6%Si + 0.3% Cu + 0.2% Cr Carico di rottura = 290 Mpa
applicazioni strutturali generali
• Al + Zn + Mg + Cu
Al + 5.6% Zn + 2.5% Mg + 1.6% Cu + 0.25% Cr Carico di rottura = 504 MPa
applicazioni strutturali aeronautiche
Alluminio: leghe
In Getto• Al + Si + Cu + Mg
Al + 5% Si + 1.2% Cu + 0.5% Mg Carico di rottura = 220-285 MPa
accessori aeronautici, motori
• Al + Si + Mg
Al + 7% Si + 0.3% Mg
Carico di rottura = 207-229 MPa
cerchioni autocarri, scatole di differenziale
• Al + Si + Cu + Mg
Al + 9.5% Si + 3% Cu + 1% Mg Carico di rottura = 504 MPa
applicazioni strutturali aeronautiche
73
Numero atomico Z: 12 Massa Atomica: 24.31 g/mol Densità: 1.74 g/cm3
Punto fusione :650°C
E’ il più leggero metallo da costruzione, ha un’eccellente lavorabilità meccanica a caldo e buone caratteristiche di stabilità alla corrosione.
E’ più costoso di Al, ma è presente sulla terra in quantità inesauribile facilmente disponibile (nel mare).
I composti di Mg, soprattutto l’ossido di magnesio, sono usati come materiale refrattario nelle fornaci per la produzione di acciaio, metalli non ferrosi, vetro e cemento: resiste ad elevate temperature (1600-1800°C) senza fondere, disgregarsi o deformarsi.
L’utilizzo principale del Mg è come additivo nelle leghe con l’alluminio, che sono utilizzate soprattutto nelle lattine per le bevande e per alcuni componenti strutturali di automobili e velivoli.
Il magnesio, è spesso usato per la produzione dei cerchioni per le ruote delle auto
“cerchi in lega”. Combinato in lega, è usato per le costruzioni elicotteristiche, aeronautiche e missilistiche. Zn e Al ne aumentano la resistenza meccanica.
Magnesio
Nichel
Numero atomico Z: 28 Massa Atomica: 58.71 g/mol Densità: 8.90 g/cm3
Punto fusione: 1453°C
Il nichel non è molto abbondante, ma viene prodotto in grandi quantità ed è molto usato nella preparazione delle leghe, sia con il ferro che con altri metalli.
E’ caratterizzato da una buona resistenza all’ossidazione ed alla corrosione, per cui viene usato per i rivestimenti di parti soggette ad ambienti aggressivi.
E’ facilmente lavorabile e saldabile è duttile e tenace anche a basse temperature ed è resistente al calore.
75
Rame
Numero atomico Z: 29 Massa Atomica: 63.54 g/mol Densità: 8.96 g/cm3
Punto fusione: 1083°C
Il Cu possiede una gamma di proprietà che nel loro insieme nessun altro materiale di uso industriale può vantare:
• elevata conduttività elettrica e termica
•facilità di formatura ed elevata deformabilità sia a caldo che a freddo
•facilità di entrare in lega con altri metalli
•eccellenti caratteristiche meccaniche che vengono conservate anche a bassissime temperature
•buona resistenza alla corrosione in moltissimi ambienti
•facilità di elettrodeposizione
•facilità di giunzione per saldatura
•disponibilità alle colorazioni decorative
Il Cu, dopo Fe e Al, è il metallo più importante dal punto di vista tecnologico;
la sua produzione si aggira sui 10 milioni di tonnellate/anno.
Rame
Oltre metà della produzione del rame è dedicata alla fabbricazione di conduttori elettrici, mentre il restante è essenzialmente impiegato nella fabbricazione di leghe.
Le leghe più importanti del rame sono:
• bronzi (in passato: Cu ≥ 70%, Sn ≤ 30%. Adesso: Cu ≥ 70%, altro ≤ 30%. )
• ottoni (60÷85% Cu, 15÷40% Zn)
• leghe da conio (95% Cu, 4% Sn, 1% Zn)
• costantane (50-60% Cu, 40-50% Ni, ≈1% Mn) usate per costruire apparecchiature elettriche da misura in quanto la sua resistenza elettrica rimane costante in un ampio campo di temperature.
77
Titanio
Gioca un ruolo fondamentale come materiale grazie alle seguenti proprietà:
•Eccellente resistenza alla corrosione.
•Alta conducibilità termica ed elettrica.
•Ottimo rapporto resistenza/peso; più resistente e più leggero dell’acciaio.
Il Ti ha una resistenza (662-862 MPa) che è tre volte quella dell’acciaio pur pesando solo il 42% di quest’ultimo e ciò lo rende il materiale ideale come componente per leghe impiegate nella costruzione di aerei, missili e veicoli aereo- spaziali. E’ inoltre capace di sostenere alte temperature (p.f. 1667 °C).
E’ chimicamente inerte e grazie alla sua eccellente bio-compatibilità viene usato come materiale per protesi mediche e in gioielleria.
Il Ti raramente si trova in natura allo stato elementare, i minerali più importanti sono l’ilmenite FeTiO3 ed il rutilo TiO2.
Numero atomico Z: 22 Massa Atomica: 47.90 g/mol Densità 4.51 g/cm3
Punto fusione 1668°C
