9° Leghe metalliche slides

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GLI ELEMENTI NEGLI ACCIAI
Negli acciai, normalmente, oltre al carbonio sono presenti tre
categorie di elementi:
1. Impurezze
2. Aggiunte standard
3. Elementi di lega.
IMPUREZZE.
ZOLFO E FOSFORO. Lo zolfo comporta l’insorgere della cosìdetta
“fragilità a caldo”, il fosforo può comportare “fragilità a freddo”.
IDROGENO. L’idrogeno è sempre e comunque dannoso.
OSSIGENO. E’ quasi sempre presente sotto forma di ossidi. Poco
dannoso.
AZOTO. Aumenta la resistenza del materiale, diminuendone tenacità e
duttilità; in certi casi viene perciò aggiunto di proposito. L’azoto è
causa del fenomeno dell’invecchiamento per deformazione, e
quindi deve essere controllato nei materiali che devono subire
deformazione a freddo.
AGGIUNTE STANDARD.
MANGANESE.
Si trova in tutti gli acciai, con pochissime eccezioni. Il motivo per cui viene
aggiunto è la sua capacità di formare solfuri. Tipici tenori 0.3  0.5 % (non è
considerato elemento di lega per tenori inferiori all’1 %).
MICROALLIGANTI.
Lo scopo principale dei microalliganti (Nb, Ti, Ta) è sostanzialmente quello
di limitare l’accrescimento del grano. (formazione carburi e nitruri fini stabili
ad alta T). I più frequenti sono Nb e Ti.
SILICIO E ALLUMINIO.
Servono essenzialmente ad eliminare l’ossigeno libero (sono utilizzati negli
acciai calmati): Hanno un’elevata affinità con l’ossigeno e formano ossidi
molto fini e altofondenti. Per questi scopi il Si ha tenori all’incirca dello 0.3
% e l’Al dello 0.06 %.
ELEMENTI DI LEGA
L’aggiunta di elementi di lega agli acciai hanno come fine quello di
incrementarne i limiti resistenziali (sS e sR maggiori) senza
decrementare troppo la tenacità. Questo risultato è strettamente legato
ai trattamenti termici prima visti: la presenza degli elementi di lega
permette di realizzare trattamenti termici che altrimenti non sarebbe
possibile realizzare e comunque fanno sì che i risultati siano molto più
soddisfacenti, in particolare per pezzi di elevato spessore. In linea di
massima, quindi, gli elementi di lega migliorano la trattabilità del pezzo.
Gli elementi di lega possono poi ordinarsi in base all’AFFINITA’ PER IL
CARBONIO’, ovvero alla loro tendenza a FORMARE CARBURI.
N
Co
Al
Si
Fe
Mn
Cr
Mo
V
Ta
Nb
Ti
CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI AL CARBONIO (UNI EU 27/77)
Primo gruppo: acciai designati in base alle loro caratteristiche meccaniche
(sottogruppo I.1), ed in base all’impiego (sottogruppo I.2). Per questi
acciai non è garantita la composizione chimica, ma solo le caratteristiche
meccaniche o proprietà particolari che ne determinano l’impiego.
Sottogruppo 1.1 Fe 410 Pb acciaio con R = 410 MPa contenente Pb in
bassi tenori;
Sottogruppo 1.2 Fe P 03 acciaio in lamiera sottile per imbutitura, grado di
qualità 03.
Secondo gruppo: acciai designati in base alla loro composizione chimica. Messi in
opera dopo un opportuno trattamento termico che ne esalta alcune caratteristiche.
Due sottogruppi: acciai non legati (II.1) e acciai debolmente legati e acciai legati
(II. 2).
Acciai non legati (II.1) C 40 S acciaio non legato da trattamento termico con
tenore medio di carbonio 0,4 % e con tenore minimo garantito di zolfo.
sottogruppo II.2 :
Acciai debolmente legati (II.2): tenore di ogni elemento di lega è < 5 %
18 Ni Cr 16 tenore medio di carbonio 0,18 %, tenore di nichel di circa il 4 % e con
tenore di cromo inferiore e imprecisato.
Acciai legati (II.2): X 10 CrNi 18 8 – acciaio legato, con tenore medio di carbonio
0,1 %, tenore di cromo di circa il 18 % e tenore di nichel di circa l’8 %.
Acciai da Costruzione per uso generale
Impiego in costruzioni civili e a livello di produzione globale sono sicuramente la
categoria di acciai più importante (80 % produzione totale. Messi in opera senza
trattamenti termici (o, al più, dopo normalizzazione) e poco costosi. Viene di
norma richiesto limite di snervamento specifico.
Bassa concentrazione di carbonio, solitamente inferiore a 0,15 % a causa di una
caratteristica particolarmente importante per tali acciai: la saldabilità.
Durante la saldatura si raggiungono elevate temperature, tali da portare il
materiale in campo austenitico. E’ fondamentale allora che si limiti la formazione
di martensite durante il raffreddamento, fase troppo fragile per le applicazioni
richieste (WELD DECAY). La formazione di martensite è determinata
principalmente dalla chimica del materiale. Si utilizza allora un parametro, detto
“carbonio equivalente”, il controllo del quale garantisce la saldabilità in
sicurezza del metallo.
C eq  % C 
% Mn
6

% Cr  % Mo  % V
5

% Ni  % Cu
15
< 0,45%
ACCIAI MICROLEGATI
Una particolare tipologia di tali acciai che sta assumendo recentemente
grande importanza è quella degli acciai microlegati, i quali contengono
elementi come Ti, V e Nb che permettono un controllo delle dimensioni
dei grani, promovendo pertanto un tipo di rafforzamento basato su ridotte
dimensioni dei grani.
Acciai da bonifica
Bonifica = tempra + rinvenimento (550°C650°C).
Gli acciai da bonifica ( Es: C40) hanno il migliore compromesso tra resistenza
meccanica e tenacità; valori indicativi:
MPa.
sS = 500  1000 MPa e sR = 600  1500
Si possono aggiungere certi elementi di lega:
Carbonio: 0,25-0,6 %. Temprabilità e durezza della martensite.
Manganese: sempre presente aumenta la resistenza del materiale (per soluzione
solida), controlla lo zolfo e aumenta la temprabilità dell’acciaio.
Cromo (1%  2%): migliora la temprabilità (sposta a destra le curve di Bain).
Molibdeno (0.1 %  0.5 %): riduce il pericolo di fragilità da rinvenimento.
Nichel (0.5 %  4 %): aumenta temprabilità e tenacità, dunque sarebbe bene
aggiungerlo in ogni tipo di acciaio; purtroppo costa molto.
Struttura sorbitica: Fe-a (aciculare) + cementite (sferica).
Gli acciai al carbonio si temprano in acqua o acqua agitata. Gli acciai al C + Cr si
raffreddano in olio, riducendo così gradienti termici e possibilità di frattura.
Acciai da costruzione e vengono impiegati in tutti i particolari altamente sollecitati
(alberi a gomito, assi, strutture ad alta resistenza etc.).
Acciai autotempranti
Sono acciai che prendono tempra in aria. Poiché l’aria è un mezzo
raffreddante a bassa drasticità (bassa velocità di raffredamento), dobbiamo
spostare a destra le curve TTT per permettere la tempra: questi acciai hanno
in genere quantità elevate di elementi di lega. Un esempio è:
34 Ni Cr Mo 16
Il vantaggio di raffreddare in aria, è quello di poter temprare pezzi con forma
complicata senza provocare fratture (nei pezzi di forma complicata i
gradienti termici creano tensioni che nei punti angolosi raggiungono livelli
molto alti).
Il riscaldamento di rinvenimento viene fatto in base alle esigenze, seguendo
il solito grafico.
Tali acciai sono caratterizzati da un costo elevato, che ne limita l’impiego in
campi ristretti.
Acciai per molle
Elevato carico di snervamento, prossimo al carico di rottura. Non ci si
preoccupa quindi della tenacità.
1. Acciai non legati con lo 0.4  0.8 % di carbonio.
L’acciaio al C viene sottoposto ad un trattamento di patentamento (ricottura
isoterma a 500°C).
Successivamente si deforma plasticamente il pezzo in modo da incrudirlo.
L’efficacia del trattamento dipende dallo spessore del pezzo; su un pezzo ad
elevato spessore può crearsi disparità di temperatura tra cuore e superficie: più
è alto lo spessore più la perlite è grossolana (almeno nel cuore).
Ma lo spessore interviene anche in fase di incrudimento: tanto maggiore è lo
spessore, tanto meno l’incrudimento arriva al cuore del pezzo. In base allo
spessore sS può variare dai 3000 MPa ai 1500 MPa.
Questo tipo di acciai viene utilizzato anche per realizzare fili ad alta resistenza
(come ad esempio i cavi di una funivia, ecc.)
2. Acciai debolmente legati.
Vengono usati quando lo spessore è molto elevato. Tempra e rinvenimento
relativamente basse. Elementi di lega:
Silicio (1.2%2.2%): alza sS a danno della tenacità.
Nichel, Cromo: hanno lo stesso ruolo che negli acciai da bonifica.
Vanadio: aumenta la resistenza.
Acciai per cuscinetti a rotolamento
Questi materiali devono avere una buona resistenza ad usura da rotolamento,
buona resistenza a fatica e buona tenacità. Il motivo è dovuto alla presenza dei
carichi concentrati variabili, che causano rottura per fatica; si possono creare
microcricche superficiali, la cui propagazione porta ad un’usura di
delaminazione, ed al distacco di scaglie di materiale; se poi il materiale non è
tenace le microcricche si propagano rapidamente portando alla rottura per
fatica. Queste caratteristiche vengono ottenute fornendo un’ottima qualità al
materiale, ovvero riducendo al minimo le impurezze.
Acciaio tipico di questa famiglia: 100
Cr 6.
Questi materiali sono spesso ottenuti per rifusione sottovuoto: in generale si fa,
come trattamento termico, una tempra con rinvenimento alle basse temperature
per privilegiare la durezza (150200°C). L’elevato tenore di cromo impedisce la
lavorabilità dei pezzi; anche con una ricottura completa, la lavorabilità può
risultare insoddisfacente. In tali casi è usuale sottoporre il pezzo anche a
ricottura di sferoidizzazione, che spinge al massimo la lavorabilità.
Acciai per utensili
Elevato tenore di elementi di lega formatori di carburi per conferire grande durezza
al materiale. Due categorie:
1. acciai per le lavorazioni a freddo (cesoie, punzoni, lime, utensili
manuali.
Alta durezza e resistenza all’usura fino a150°C. Acciai ad alto C con eventuali
modeste aggiunte di Cr, Mn e V. Raggiungono il massimo grado di durezza possibile
(intorno ai 66HRC) degli acciai ma se la temperatura di lavoro dell’utensile sale la
durezza diminuisce per il rinvenimento della martensite.
2. Acciai per le lavorazioni a caldo (acciai rapidi) . Elevati tenori di
W, Cr e V (in percentuali del 18% W-4% Cr-1% V) con lo 0.8% di C e questi materiali
dopo la tempra martensitica subiscono un rinvenimento a circa 600-650°C che
provoca un indurimento di invecchiamento. La struttura che si viene così a creare
ha elevata resistenza e durezza anche fino ai 500-550°C raggiungibili dagli utensili
durante le lavorazioni meccaniche (punte di trapano, utensili da tornio, frese etc.).
A volte in questi acciai viene aggiunto il Co (acciai super-rapidi) per evitare la
formazione di austenite residua durante la tempra che ne comprometterebbe la
durezza.
GHISE
Tenore di carbonio superiore a 2,14 %; in pratica, percentuali di carbonio
comprese fra il 3 ed il 4,5 %.
Temperature di fusione comprese fra 1150 e 1300 °C e basso ritiro che
conferiscono una BUONA COLABILITA’.
La cementite è un composto metastabile sotto 860 °C, e sotto certe
circostanze può dissociarsi a dare origine a ferrite-a e grafite, secondo la
reazione:
Fe 3 C  3 Fe (a )  C ( grafite )
La tendenza a formare grafite è regolata dalla presenza di elementi di lega
(grafitizzanti o meno), e dalla velocità di raffreddamento. La formazione di
grafite è promossa dalla presenza di silicio (elemento grafitizzante) in
concentrazioni maggiori di circa 1 % e da basse velocità di raffreddamento.
Quattro categorie principali:
• Ghise bianche
• Ghise grigie
• Ghise nodulari
• Ghise malleabili.
Le ghise bianche
Per ghise con basso contenuto di silicio e elevate velocità di raffreddamento, la
maggior parte del carbonio si trova sotto forma di cementite invece che di
grafite. La superficie di frattura di queste leghe ha un aspetto bianco, e pertanto
sono state chiamate ghise bianche. Materiale estremamente duro e non
lavorabile alle macchine utensili.
Il suo utilizzo è limitato ad applicazioni
che necessitano di superfici
particolarmente resistenti all’usura, e
senza richiesta di duttilità (ad esempio
come cilindri di laminazione).
Le ghise grigie
Contenuto di carbonio fra il 2,5 e il 4 % e silicio fra l’1 e il 3 %. Nella maggior
parte delle ghise il carbonio si trova in forma “fiocchi” (simili ai corn-flakes),
che sono generalmente circondati da una matrice di ferrite-a o di perlite. La
superficie di frattura assume un aspetto grigio. Sono le ghise più impiegate.
• Poco resistente e fragile per sforzi di
trazione, conseguenza della sua
microstruttura.
• Presentano un alta capacità di
smorzamento vibrazionale.
• Elevata resistenza all’usura.
• Alta fluidità allo temperatura di
colata, che permette la realizzazione
di pezzi di forma complicata.
• basso prezzo.
Le ghise sferoidali (o duttili)
Aggiungendo piccole quantità di magnesio (Mg) o cerio(Ce) alla composizione
di una ghisa grigia prima della colata, si formano noduli o particelle sferoidali
di grafite. La fase che costituisce la matrice in cui sono immerse le particelle
di grafite è perlite oppure ferrite, a seconda del trattamento termico.
Le ghise sferoidali sono più resistenti e
duttili delle ghise grigie e hanno
caratteristiche meccaniche più simili a
quelle degli acciai. Per esempio, le
ghise sferoidali a matrice ferritico
hanno una resistenza a trazione
compresa fra 380 e 480 MPa, e un
allungamento percentuale compreso fra
10 e 20 %. Le applicazioni tipiche per
questi materiali includono valvole,
pompe, alberi a gomito, cambi e altre
componenti per automobili.
Le ghise MALLEABILI
Ottenute dalle ghise bianche per riscaldamento a temperature dell’ordine di
800900°C per un prolungato periodo di tempo e in un’atmosfera neutra (in
modo da prevenire la formazione di ossidi) per indurre decomposizione
della cementite in grafite. La grafite risulta disposta in forme a “rosetta”,
circondate da una matrice perlitica o ferritico, a seconda della velocità di
raffreddamento finale.
Microstruttura simile a quella di una
ghisa sferoidale, e questo spiega la
relativa elevata resistenza e la buona
duttilità o malleabilità di questa ghisa.
Le applicazioni principali includono
bielle, ingranaggi di trasmissione,
supporti del differenziale, per l’industria
automobilistica, e ancora flange,
raccordi per tubi, e parti di valvole per
l’industria pesante, come ad esempio
quella ferroviaria o marina.
ACCIAI INOSSIDABILI (STAINLESS STEELS, INOX)
INOX FERRITICI
%C < 0,1%
%Cr 13-26%
Elementi aggiuntivi: S,P (lavorabilità); Mo (corrosione)
ELI (Extra Low Interstitials): tenori assai bassi di C e N e con aggiunte di Mo,
capaci per questo di resistenze a corrosione paragonabili agli inox austenitici.
(AISI 444, noto anche come lega 18-2 (18 %Cr, 2% Mo).
INOX MARTENSITICI
%C 0,2-1,2%
%Cr 13-18%
Elementi aggiuntivi: S,P (lavorabilità);
Inox austenitici
C<0,1% Cr= 18-24% Ni= 8-20%
Acciai austero-ferritici (duplex)
Cr = 18-28%; Ni= 4-6% e Mo 1,5-3%
Acciai inox indurenti per precipitazione
(PH, Precipitation Hardening)
A seconda della composizione e del tipo di trattamento termico, si possono avere
acciai PH con struttura: Martensitica, Austenitica, Semi-austenitica (struttura 5-20%
ferrite, una frazione martensitica e il resto austenite).
Ai fini delle diverse strutture possibili è essenziale il bilanciamento tra cromo
(alfageno) e Ni (gammageno).
Più diffusi a matrice martensitica, di maggiore resistenza meccanica. Per questi acciai si
usano di norma le sigle stabilite dai produttori. I PH prodotti dalla ANCO e indicati dalla
sigla 17-4 PH (1.4542)
X5CrNiCuNb16.4) ; Per questo acciaio viene inserito il rame, con tenori intorno al 3,5%.
In altri acciai si possono trovare niobio e spesso titanio. Il trattamento termico a cui
questi acciai vengono assoggettati dipendono dalla struttura di base.
I PH martensitici si rinvengono intorno a 450 °C, con formazione di particelle coerenti
(intermetallici titanio-nichel oppure rame-nichel).
I PH austenitici, di cui il 17-10 è quello più rappresentativo, viene indurito con aggiunte di
fosforo oppure, con aggiunte di Ti o Nb. In questo caso si invecchia a temperature un
po’ più alte (intorno a 600 °C) con formazione di Ni3Ti e Ni3Al.
COMPOSIZIONE CHIMICA INDICATIVA 17-4 PH
C
S Nb Cu Mn Cr Ni Mo Si
0.02 0.025 5xC 3.20 0.70 15.5 4.5 0.20 0.35
Lavorabilità (truciabilità) alle macchine utensili degli inox.
Le lavorazioni per asportazione di truciolo prevedono l’uso di utensili con spigolo taglient che,
premuto contro il pezzo, esercitano pressioni specifiche tali da rompere la struttura del materiale.
Tre principali modalità di formazione del truciolo:
1 – truciolo continuo che scorre senza interruzioni e spesso provoca problemi
di intralcio (materiali duttili);
2 – truciolo continuo con formazione ‘tagliente di riporto’ con incollamento del
materiale incrudito sul tagliente dell’utensile. Il riporto periodicamente si distacca e
si riforma, modificando la gometria dell’utensile, comportando surriscaldamenti
locali e cattiva finitura superficiale del pezzo;
3 – formazione di truciolo discontinuo che si allontana dalla zona di lavoro;
tipico dei materiali fragili e dei materiali a ‘lavorabilità migliorata’.
produzione acciaio liquido
ALTOFORNO
Flusso in controcorrente con CO e CO2 dalla
combustione di aria preriscaldata. Il COKE
brucia con formazione di CO2:
C + O2  CO2 (fornisce il 56% del calore)
L’anidride carbonica reagisce con l’eccesso di
carbone:
CO2 + C  2CO – 170 kJ (24% del calore)
Nella parte alta del forno la carica viene
essiccata e preriscaldata; poi, man mano che
scende all’interno del forno, l’aumento di
temperatura fa sì che il gas eserciti la sua
azione riducente secondo le reazioni:
3 Fe2O3+ CO  2 Fe3O4 + CO2
Fe3O4+ CO  3 FeO + CO2
FeO+ CO  Fe + CO2
PRODUZIONE 1500 TONNELLATE GHISA/g
CONVERTITORE
AFFINAZIONE GHISA-ACCIAIO
Principali reazioni nell’affinazione :
2(FeO)+1/2O2(g) = (Fe2O3)
(Fe2O3) = 2(FeO)+[O]
[Fe] + [O] = (FeO)
[C] + [O] = CO(g)
[Mn] + [O] = (MnO)
[Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe]
[Si] + 2[O] = (SiO2)
2[P] + 5 [O] = (P2O5)
[S] + (CaO) = (CaS) + [O]
[S] + (MnO) = (MnS) + [O]
[S] + (MgO) = (MgS) + [O]
Le parentesi () si riferiscono ad
elementi/composti disciolti nella scoria, le
parentesi [] agli elementi disciolti nel bagno
metallico. Tutte le reazioni di ossidazione
sono esotermiche. L' incremento della
temperatura nel convertitore favorisce la
fusione dei rottami di ferro (introdotti
insieme alla ghisa) e mantiene la scoria
fusa.
COLATA CONTINUA
LAMINAZIONE A CALDO ED A FREDDO.
IL CICLO A FORNO ELETTRICO (EAF)
Al ciclo integrale, si affianca un
secondo ciclo di produzione
dell'acciaio che si basa sull'acciaieria
elettrica e vede fondamentalmente
nel rottame la propria materia prima.
L'acciaieria elettrica si articola
intorno a tre elementi impiantistici
principali: il forno elettrico, il forno
siviera, i dispositivi di solidificazione
che possono essere la macchina di
colata continua così come la fossa di
colata.
PRODUZIONE ACCIAI INOSSIDABILI
Processi produttivi degli acciai inossidabili.
Elaborazione di acciai provenienti da cicli produttivi di base che partono
rispettivamente da minerali ferrosi o da rottami. Nel ciclo da minerale, si
parte dall’altoforno per la produzione della ghisa, si esegue una
defosforazione e si opera con un convertitore con lancia di ossigeno per
produrre l’acciaio convenzionale, aggiungendo in questo caso leghe ferrocromo e minerale di cromo. Si ottiene un acciaio di composizione
prossima a quella voluta ad eccezione del carbonio ancora a tenori
relativamente elevati.
Di qui, due principali processi di elaborazione dell’acciaio fuso:
1. VOD (Vacuum Oxigen Decarburization) :
ossidazione sotto vuoto
dell’acciaio fuso, con insufflaggio di ossigeno. L’allontanamento continuo
dell’ossido di carbonio permette di scendere a tenori di carbonio
dell’ordine di 0,015 % ed inferiori, senza avere parallelamente ossidazione
del cromo.
2. AOD (Argon Oxigen Decarburization): variante di funzionamento di un
convertitore. Si insuffla una miscela di ossigeno e argon allo scopo di
diluire l’ossido di carbonio che si sviluppa nella massa liquida. E’
possibile decarburare l’acciaio fino a tenori molto bassi, senza ossidare
sostanzialmente il cromo.
Gli inox sono tendenzialmente poco lavorabili alle macchine utensili
rispetto agli acciai al carbonio, gli austenitici ancor meno dei
ferritici e martensitici, per le seguenti ragioni:
a) I carichi di rottura degli inox, anche allo stato addolcito, sono sensibilmente superiori
di quelli degli acciai al carbonio nelle medesime condizioni;
b) Il rapporto tra carico di rottura e carico di snervamento è più elevato negli inox che
non negli acciai al carbonio nelle analoghe condizioni di ricottura;
c) La tendenza all’incrudimento per deformazione plastica a freddo è maggiore per gli
inox e questo comporta una maggior sollecitazione sul tagliente dell’utensile;
d) Gli acciai martensitici ad alto carbonio (AISI 440 A/B/C) contengono un’alta frazione
di carburi di cromo (assai duri) che provocano rapida usura degli utensili;
e) La conducibilità termica degli inox, in special modo per gli austenitici, è minore
rispetto agli acciai al carbonio e questo comporta maggiori surriscaldamenti
dell’utensile;
f) Il coefficiente di dilatazione termica degli austenitici è superiore a quello degli acciai al
carbonio e c’è maggior tendenza del pezzo a forzare sull’utensile;
g) Il truciolo prodotto risulta sovente continuo e di difficile spezzettamento.
Per particolari caratteristiche di purezza:
VIM = Vacuum Induction Remelting, con forno a induzione sotto vuoto;
VAR = Vacuum Arc Remelting, rifusione con forno ad arco sotto vuoto;
EBM = Electron Beam Melting, con forno a fascio elettronico;
EBR = Electron Beam Remelting, processo di rifusione a fascio elettronico;
ESR = Electro Slag Remelting,
ESR: processo di rifusione di lingotti di inox ottenuti in modo convenzionale,
qualora si desiderino materiali a bassa densità di inclusioni non metalliche e
di segregazioni. Il procedimento consiste nel rifondere il lingotto, utilizzato
come elettrodo di un normale procedimento ad arco sommerso. La fusione
avviene sotto protezione di una scoria basso fondente ed elettroconduttrice.
Le gocce di acciaio fuso si affinano disponendosi nella sottostante
lingottiera, così da riformare goccia a goccia il nuovo lingotto.
ACCIAI INOX RISOLFORATI
Leghe di alluminio: designazione
Tab. 3 - DESIGNAZIONE CONVENZIONALE DELL’ALLUMINIO E
DELLE LEGHE DI ALLUMINIO
Principale elemento di lega
Classe secondo la
Alluminium Association
Al ( 99,00 %)
1 xxx
Rame
Manganese
Silicio
Magnesio
Magnesio e Silicio
Zinco
Altri elementi
Serie non usuale
2 xxx
3 xxx
4 xxx
5 xxx
6 xxx
7 xxx
8 xxx
9 xxx
Tab. 4
Sigla
H xy (z)
H 1y (z)
H 2y (z)
H 3y (z)
H x 9 (z)
8 (z)
6 (z)
4 (z)
2 (z)
H xy (z)
W (xxh)
Tx (yy)
SIGLE
DEGLI
STATI
METALLURGICI
DELL’ALLUMINIO E DELLE LEGHE DI ALLUMINIO
Strato metallurgico
F Grezzo di lavorazione
O Ricotto, ricristallizzato
Incrudito
Incrudito
Incrudito e parzialmente ricotto
Incrudito e stabilizzato
Extra-incrudimento
Massimo incrudimento
¾ di incrudimento
semi-incrudimento
¼ di incrudimento
Grado di controllo della laminazione o combinazione
di proprietà meccaniche
Temprato e invecchiato naturalmente (seguito dal
tempo di invecchiamento)
Trattato termicamente
Tab. 5
SIGLE
DEGLI
STATI
METALLURGICI
DELL’ALLUMINIO E DELLE LEGHE DI ALLUMINIO
TRATTATO TERMICAMENTE
Sigla
Stato metallurgico
T1 (yy)
T2 (yy)
T3 (yy)
T4 (yy)
T5 (yy)
T6 (yy)
T7 (yy)
T8 (yy)
T9 (yy)
T10 (yy)
Ricotto e invecchiato naturalmente
Ricotto, incrudito e invecchiato naturalmente
Temprato, incrudito e invecchiato naturalmente
Temprato e invecchiato naturalmente
Ricotto e invecchiato artificialmente
Temprato e invecchiato artificialmente
Temprato e stabilizzato per il controllo della
crescita del grano
Temprato, incrudito e invecchiato artificialmente
Temprato, invecchiato artificialmente e incrudito
Ricotto, incrudito e invecchiato artificialmente
Tx (yy)
Variazioni introdotte nelle condizioni usuali di
lavorazione
Indurimento per precipitazione: Leghe SERIE 2000/6000/7000
Invecchiamento artificiale leghe di alluminio alto-resistenziali
Variazione della temperatura di invecchiamento artificiale
RAME E SUE LEGHE
RAME. Per evitare l'infragilimento da H nel rame deossigenato, si aggiunge P.
stando attenti ai tenori residui.
As  migliora R a T elevate
Te migliora la lavorabilità
2% Be  trattabile termicamente
OTTONI
Mediamente contengono dal 10 al 45% Zn e con varie addizioni
originano una vasta gamma di leghe.
Ottoni Monofasici
a
fino al 37% Zn (in leghe binarie)
+ 1% Sn Lega Ammiragliato
+ 2% Al Ottone all'Alluminio
+ 1-2% Pb miglioramento lavorabilità
OTTONI a ROSSI.
Sono gli ottoni a più basso tenore di zinco ( dal 5 al 20 % ) , risultano
facilmente lavorabili a freddo ( la lavorabilità decresce al crescere del
tenore di Zn ) , hanno colore variabile dal rosso al giallo e una
resistenza alla corrosione migliore degli altri ottoni essendo
praticamente immuni ai problemi di dezincificazione e di season
cracking , risultano però più costosi a causa dell’alto contenuto di rame
.
Materiale
Composizion
Stato
R kg / mm2
Rs kg / mm2
A %
Ricotto
24
7.6
45
Duro
38.5
34.5
5
Ricotto
26
8.3
45
Duro
42
37
5
Ricotto
28.5
9.7
46
Duro
48
39
5
Ricotto
31.5
10.5
48
Duro
51
40
7
e
Dorato
Commerciale
Rosso
Basso
95 Cu 5 Zn
90 Cu 10 Zn
85 Cu 15 Zn
80 Cu 20 Zn
OTTONI a GIALLI.
Sono leghe contenenti dal 20 al 36 % di Zn ; accoppiano buone caratteristiche
meccaniche a una ottima duttilità prestandosi per lavorazioni plastiche a
freddo e con piccole aggiunte di piombo anche a quelle per asportazione di
truciolo alle macchine utensili .
Questi ottoni sono però soggetti a season cracking e dezincificazione ;
problemi che vengono ridotti con piccole aggiunte di Sn ( 1 % ) o di Al ( 2 % )
.
Materiale
Composizione
Stato
R kg / mm2
Rs kg / mm2
A %
Cartridge
70 Cu 30 Zn
Ricotto
34
11.5
57
Duro
52.5
43.5
8
Ricotto
34
11.5
57
Duro
51
41.5
8
Ricotto
34
11.5
54
Duro
51
41.5
7
Ricotto
36.5
11.5
65
Duro
67
-----
4
Giallo
Al piombo
65 Cu 35 Zn
65 Cu 34 Zn 1
Pb
Ammiragliato
71 Cu 28 Zn 1
Sn
OTTONI a.
Contengono dal 35 al 40 % di Zn e hanno di conseguenza una struttura a
temperatura ambiente di tipo bifasico . Sono lavorabili a caldo quando , al di sopra
dei 460 °C e mostrano una suscettibilità maggiore degli ottoni a alla dezincificazione
Fra i più usati il “ Muntz “ ( 60 Cu 40 Zn ) che accoppia elevata resistenza e
lavorabilità a caldo e , il “ Navale “ ( 60 Cu 39 Zn 1 Sn ) ottimo per la resistenza a
corrosione in ambiente marino .
Materiale
Muntz
Free-cutting
Composizione
Stato
R kg / mm2
Rs kg / mm2
A %
60 Cu 40 Zn
Ricotto
37
14.5
45
Semiduro
48.5
34.5
10
Ricotto
34
12.5
53
Semiduro
40
31
25
Ricotto
40
18.6
45
Semiduro
55.2
39
20
61.5 Cu 35.5 Zn
3 Pb
Navale
60 Cu 39 Zn 1
Sn
BRONZI
BRONZI AL FOSFORO.
Contengono dall’1 al 12 % di stagno e mostrano caratteristiche meccaniche e
durezza superiori a quelle del rame accoppiate un’ottima resistenza alla corrosione in
ambiente marino ; presentano inoltre una migliore resistenza all’usura e quindi alla
corrosione erosione e una maggiore opposizione al biofouling .
Caratteristiche meccaniche :
Materiale
Composiz.
Stato
R kg / mm2
Rs kg / mm2
A %
C50500
98.7 Cu 1.3
Ricotto
27.6
7.6
47
Duro
42
41.4
5
Ricotto
34
14
58
Duro
56
51.5
10
Ricotto
40
---
65
Duro
64
49.5
10
Ricotto
45.5
---
68
Duro
69
---
13
Sn
C51000
94.8 Cu 5
Sn 0.2 P
C52100
C52400
92 Cu 8 Sn
90 Cu 10
Sn
BRONZI AL SILICIO.
In queste leghe commerciali il tenore di silicio varia dall’1.5 al 3 % e in
genere è aggiunto un terzo elemento di lega come ferro , manganese , zinco
o stagno in quantità fra lo 0.25 e l’1.25 % . I bronzi al silicio mostrano
caratteristiche meccaniche e resistenza alla corrosione buone e crescenti al
crescere degli elementi di lega mentre la lavorabilità decresce all’aumentare
degli alligati. Essendo , per i tenori di silicio usati , presente una sola fase su
questi bronzi non sono possibili trattamenti termici di rafforzamento che può
essere ottenuto solo per deformazione plastica a freddo . Fra i molti usi di
questi materiali segnaliamo quelli in apparecchiature chimiche resistenti alla
corrosione , in scambiatori e parti di valvole o pompe
Materiale
Composiz.
Stato
R kg / mm2
Rs kg / mm2
A %
C65100
98.5 Cu
Ricotto
27.5
10.5
50
Duro
48.5
38
12
Ricotto
40
15
60
Duro
63.5
38
22
1.5 Si
C65500
97 Cu 3 Si
BRONZI ALL’ALLUMINIO.
Sono leghe rame alluminio apprezzate ed usate per le loro ottime caratteristiche
meccaniche , di resistenza all’usura e all’ossidazione a caldo e di resistenza alla
corrosione . Quest’ultima in particolare è dovuta alla formazione superficiale di un
sottile strato protettivo di allumina che se anche asportato si riforma quasi
istantaneamente .
I cuproallumini commerciali possono esibire microstrutture diverse variando il
tenore di alluminio e dosando altri opportuni elementi di lega è possibile ottenere
molti tipi di cuproallumini che per semplicità classificheremo come :
• Cuproallumini binari monofasici
• Cuproallumini binari bifasici
• Cuproallumini complessi monofasici
• Cuproallumini complessi polifasici
Gli usi dei cuproallumini sono molti e in molti campi ; per quanto riguarda
quelli tipici dell’industria chimica possiamo ricordare gli impieghi per serbatoi o
apparecchiature in contatto con soluzioni acide o saline , per tubi e piastre di
scambiatori o condensatori , per evaporatori , parti di pompe o valvole e tubature
in genere anche in ambiente marino .
TITANIO E SUE LEGHE INDUSTRIALI
Il Titanio esibisce un’ottima resistenza a creep ed alla corrosione in ambiente
ossidante, in corrispondenza
Di buoni livelli resistenziali e con peso specifico molto inferiore a quello
dell’acciaio (circa 4,5 g/cm3).
Le nuove tecniche di produzione ne hanno diminuito il costo, rendendolo più
competitivo.
Il Titanio puro è polimorfo ed esibisce 2 strutture cristallografiche:
a , reticolo esagonale compatto, stabile fino a 880 °C;
TITANIO  , reticolo cubico corpo centrato, stabile per T> 880 °C
1. TITANIO
2.
Il Titanio a T>500 °C tende ad assorbire ossigeno e azoto e idrogeno e reagisce
con il
Carbonio. E’ quindi necessario predisporre adeguata protezione. Ottima
resistenza a corrosione e notevoli applicazioni nell’industria chimica. Ottime
RESISTENZE SPECIFICHE e applicazioni nell’industria aerospaziale.
Le leghe industriali utilizzano elementi di lega che possono alzare o abbassare
la temperatura di trasformazione polimorfica  --- a e dare un contributo di
rafforzamento per soluzione solida.
Elementi stabilizzanti la fase a
Elementi stabilizzanti la fase 
Al, O, N
V, Mn, Cr, Fe, Nb, Ta
In base alla struttura stabile a temperatura ambiente, si distinguono in:
• LEGHE a – Struttura titanio puro. Impiegate allo stato ricotto, hanno
eccellenti proprietà meccaniche dalle basse temperature fino a 550 °C.
Sono duttili e facilmente saldabili.
• LEGHE  - struttura cubico corpo centrato. Poco usate.
• LEGHE a +  – a struttura bifasica. Possono indurirsi per tempra e
invecchiamento
Tipo struttura
a
%Al
%V
5
-
a+
a+
6
4
%Altri
R
Rs0.2
Impieghi
Sn=2,5
900
850
App. industria chimic
Mn =8
900
800
950
850
Aeronautica
T -250-350 °C
Aeronautica
T -250-350 °C
MAGNESIO E SUE LEGHE
Il magnesio è il più leggero tra i metalli da costruzione di interesse industriale
(peso specifico
1,74 g/cm3, cioè 2/3 di quello dell’alluminio). Le caratteristiche meccaniche sono
comunque mediocri e si sono sviluppate quindi opportune leghe. Ha una
struttura esagonale compatta ed è quindi poco deformabile a temperatura
ambiente, tanto che si producono componenti per lo più per fusione seguita
dopo raffreddamento da lavorazione a caldo. Si sono messe a punto
principalmente leghe MAGNESIO-ALLUMINIO, MAGNESIO-ZINCO,
MAGNESIO-Al-Zn.
Sigla UNI
MgAl8,5ZnMn
MgZn5,5Zr
%Al
8,25
%Mn
0,25
%Zn
0,65
stato R R0,2
getto 137 78
TA
235 118
5,5 +Zr0,7% estruso 294 216
A%
2
3
Applicazioni
getti leggeri
5
buone res,
meccaniche
SUPERLEGHE PER ALTE TEMPERATURE
Le superleghe offrono eccezionali combinazioni di proprietà. In linea di massima possono classificarsi
sulla base dei principali elementi leganti:
1. Leghe a base NICHEL (INCONEL, NIMONIC, HASTELLOY ecc.)
2. Leghe a base cobalto (STELLITI)
3. Leghe a base metalli refrattari (cromo, vanadio, molibdeno, niobio).
Per una lega resistente ad alta temperatura si può pensare come prima cosa di impiegare un metallo
base con elevato punto di fusione, in lega con elementi in grado di fornire un rafforzamento per
dispersione stabile ad altissima temperatura (precipitati per invecchiamento artificiale o immissione
di particelle dure e stabili per metallurgia delle polveri PM).
LEGHE BASE NICHEL.
Queste leghe sono molto impiegate per palettature di turbine a gas e in molte applicazioni dell’industria
chimica e petrolchimica. Hanno grande resistenza in ambienti corrosivi (ad eccezione di quelli
contenenti zolfo) fino a temp. Di 1200-1300 °C e ottima resistenza a CREEP. Le LEGHE INCONEL
contengono cromo intorno al 15 % e alcuni tipi Ti e Al (INCONEL 700) per precipitazione indurente
e maggiore resistenza a creep.
X-750
%Cr
15,8
15,0
%C
0,04
0,04
%Fe
7,2
6,7
%Al
0,8
%Ti
2,5
%Altri
Nb=0,85
NIMONIC 115
15,5
0,15
1,0
5,0
4,0
-
HASTELLOY C-22
22,0
0,010
3
INCONEL 600
W=3,0 ; Mo=13 ; Co=3
Esercitazione di metallografia
Osservazione e studio dei costituenti strutturali e della microstruttura dei
materiali metallici.
Finalità principali:
• Valutazione degli effetti sulla microstruttura di trattamenti termici,
termochimici, termomeccanici e di deformazioni plastiche a caldo o a freddo;
• Individuazione di difetti quali microvuoti, inclusioni non metalliche (ossidi,
solfuri) o cricche;
• studio della correlazione fra microstruttura e caratteristiche meccaniche.
Possiamo dividere l’indagine metallografica in due branche principali:
• la Macrografia, cioè l’osservazione a basso ingrandimento (1x-10x);
• la Micrografia, ovvero l’osservazione ad ingradimenti più elevati (da 50x a
1000x, per quanto riguarda il microscopio ottico)
Esercitazione di metallografia
 Scelta e prelievo del campione
Esercitazione di metallografia
 Inglobamento
Si utilizzano solitamente resine acriliche termoindurenti che scaldate a
temperature dell’ordine dei 150 °C e portate in pressione danno origine ad una
reazione di polimerizzazione.
In questo modo si riesce a creare una matrice plastica che ingloba il campione e lo
rende più maneggevole per le successive operazioni di lucidatura e attacco chimico,
specie se di piccole dimensioni.
Esercitazione di metallografia
 Levigatura e Lucidatura
Si utilizzano carte abrasive al carburo di silicio.
Si parte da carte di granulometria elevata in modo da sgrossare il campione,
successivamente si utilizzano carte sempre più fini, in modo da diminuire sempre
più le dimensioni dei solchi lasciati dalle carte.
La fase finale consiste nella lucidatura a specchio della superficie interessata
tramite l’utilizzo di un panno su cui è depositata della pasta formata da cristalli di
diamante di dimensioni micrometriche.
Esercitazione di metallografia
MICROSCOPIO OTTICO
Esercitazione di metallografia
 Attacco Metallografico e Osservazione al Microscopio Ottico
L’attacco
metallografico
utilizza
reagenti
chimici
capaci di aggredire in modo
differenziato
le
diverse
strutture del metallo:
• bordi di grano;
• fasi diverse;
• superfici di separazione fra
fasi diverse;
• inclusioni;
• precipitati;
•…
LEGA 6061 – BARRA LAMINATA A FREDDO
PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE
DEGLI ACCIAI
Ferrite:
 grani poligonali di
forma tondeggiante;
 aspetto chiaro;
 non sembra attaccata
ad ingrandimenti non
troppo elevati.
PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE
DEGLI ACCIAI
Austenite:
 grani poligonali
maggiormente squadrati
rispetto a quelli della
ferrite;
 presenza di piani
geminati;
 evidenziabile in acciai
inox austenitici, non è
una fase stabile a
temperatura ambiente.
PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE
DEGLI ACCIAI
Perlite:
 si presenta in noduli
non omogenei formate da
laminette alternate di
ferrite e cementite;
 Negli acciai è
difficilmente
distinguibile anche con
l’ausilio del MO, più
evidente nelle ghise;
 Negli acciai ipo- i
noduli di perlite sono
circondati da grani di
ferrite; in quelli iper- da
placche di cementite.
PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE
DEGLI ACCIAI
Martensite:
 presenta aspetti
differenti a seconda delle
tipologie di acciai e di
raffreddamento;
 In generale si presenta
in forme aciculari: cioè
ad aghetti e a placchette.
PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE
DEGLI ACCIAI
Martensite
Rinvenuta (Sorbite):
 E’ la struttura tipica
degli acciai bonificati;
 costituita da ferrite
aciculare e carburi
dispersi;
 le dimensioni dei
carburi sono troppo
piccole per essere risolte
al MO.
PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE
DEGLI ACCIAI
Ferrite-Perlite:
 struttura tipica degli
acciai ipoeutettoidici
normalizzati;
 costituita da noduli di
perlite immersi in una
matrice ferritica;
 il MO non è in grado
di risolvere la struttura
delle lamelle di perlite,
che appaiono quindi
come grani
uniformemente scuri.
ACCIAIO INOX FERRITICO AISI 430
Sezione trasversale
Sezione longitudinale
8 mm, AISI 430FR
(attacco Kalling’s 2)
Sez.trasv.
Sez.long.
AISI 416
(attacco Kalling’s 2)
Sez.trasv.
Sez.long.
AISI 440 C - Matrice martensitica con presenza di carburi
primari e secondari

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