Lezione 11 (Metalli) PDF

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TRATTAMENTI TERMICI (Prof. MAIZZA)...

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EUTETTOIDE O PERLITE Se l’austenite contiene lo 0,77% C e viene raffreddata al di sotto di 727°C, si formano cementite (Fe3C) e ferrite α sotto forma di finissime lamelle alternate. Le lamelle di ferrite e di cementite costituiscono la struttura della perlite (88% di ferrite e 12% di cementite). Le lamelle più scure sono di ferrite, quelle più chiare sono di cementite, infatti al microscopio ottico la cementite riflette di più della perlite. È molto importante per gli acciai che contengono perlite lo spessore delle lamelle, la larghezza della cementite e della ferrite e la distanza tra la semilamella di ferrite e la semilamella di cementite (distanza interlamellare). Questa distanza, indicata con “λ”, rappresenta una misura del rafforzamento del materiale (nell’equazione di Hall-Petch la resistenza del materiale è funzione della dimensione media del grano, quindi in tale equazione è possibile sostituire la dimensione media del grano con la distanza interlamellare λ). La distanza interlamellare diminuisce con l’aumentare della velocità di raffreddamento o con sottoraffreddamenti. La perlite si forma per diffusione del Carbonio attraverso un processo abbastanza lento. La ferrite non solubilizza il Carbonio, quindi lo rigetta durante la sua formazione. In corrispondenza della temperatura A1 il rigetto di Carbonio si sviluppa attraverso una struttura lamellare. La frazione di perlite si calcola attraverso la frazione di austenite ad una temperatura A1 + 1°C. All’aumentare della percentuale di Carbonio negli acciai, l’eccesso di Carbonio corrisponde ad un aumento della frazione volumica di perlite (questo si può notare anche nel diagramma di stato applicando la regola della leva a concentrazioni crescenti di Carbonio). I carburi che si formano durante il processo sono sia cementite (carburo di Ferro) sia carburi complessi (Fe  Cr, Mo).

TRATTAMENTI TERMICI I trattamenti termici si eseguono sugli acciai allo stato solido e rappresentano i processi attraverso i quali è possibile ottenere acciai della resistenza e della durezza desiderata. Ogni trattamento termico è rappresentato da tre fasi:

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fase di riscaldamento, in genere più o meno lenta in base alle dimensioni del pezzo di acciaio da sottoporre a trattamento;

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fase di mantenimento, in cui l’acciaio è mantenuto ad alte temperature;

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fase di raffreddamento, la cui velocità determina le proprietà meccaniche dell’acciaio.

Nel diagramma di stato ci si sposta da zone in cui le trasformazioni di fase sono estremamente lente a zone in cui le trasformazioni avvengono a velocità variabile (industrialmente le velocità più elevate che si possono riscontrare sono dell’ordine di 1000°C/sec).

Riscaldamento Il riscaldamento del materiale avviene in forno, sfruttando tutti i meccanismi di trasporto del calore (conduzione, convezione ed irraggiamento). Il pezzo si riscalda a partire dalla superficie più esterna, provocando la formazione di gradienti di temperatura tra la superficie riscaldata ed il cuore ancora freddo. I gradienti di temperatura causano gradienti di deformazione, che diventano più importanti per pezzi di grandi dimensioni e geometrie complesse. Le parti più calde si dilatano ma sono ostacolate dalla presenza delle parti più fredde.

Raffreddamento Durante il raffreddamento si possono avere delle distorsioni, indotte da due effetti:

1. tensioni (dilatazioni) termiche (reversibili, ovvero di carattere elastico); 2. tensioni residue (irreversibili), strettamente legate alle trasformazioni di fase. Tali tensioni aumentano all’aumentare della velocità di raffreddamento. Le tensioni più pericolose sono quelle di trazione, dovute ad errori eseguiti durante il trattamento termico. Lo stato di trazione è critico perché provoca l’apertura delle fessure presenti naturalmente nell’acciaio, associate ai difetti e alle inclusioni nel materiale. Le fessure più pericolose sono quelle che si trovano in superficie. I trattamenti termici, per loro natura, tendono a determinare stati di tensione di trazione, per questo motivo esistono s tadi del processo che servono a raddrizzare i prodotti realizzati ed a distendere le tensioni (trattamento di distensione).

CALSSIFICAZIONE DEI TRATTAMENTI TERMICI I trattamenti termici degli acciai si classificano in: -

trattamenti ad elevate temperature, maggiori di A3: ricottura, normalizzazione e tempra;

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trattamenti termici a basse temperature, inferiori ad A1: rinvenimento e distensione (i quali agiscono sulle tensioni);

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trattamenti termo-chimici di diffusione: nitrurazione, cementazione, carbonitrurazione. Servono ad alterare la chimica della superficie dei componenti (ad esempio ad aumentare la durezza del materiale).

Mentre A1 è fissa ed è pari a 723°C, A3 varia in funzione della concentrazione di Carbonio. Ogni trattamento termico ad alta temperatura prevede una trasformazione di fase al riscaldamento, detta “austenitizzazione”. Infatti i trattamenti termici a temperature superiori di A3 si trovano in campo austenitico. In questo modo la struttura è completamente allo stato austenitico ed omogeneo. Affinchè un trattamento termico sia efficace, infatti, è necessario che tutti gli elementi che costituiscono la lega e che inizialmente possono trovarsi sotto forma di aggregati, di composti o di fasi, siano in soluzione: la soluzione deve essere solida ed omogenea, con completa dissoluzione dei carburi pre-esistenti nell’acciaio all’interno del reticolo del Ferro. Diversamente non sarebbe possibile sfruttare a pieno le proprietà della lega. In alcuni casi il processo di austenitizzazione non è completo: si ottiene austenite non omogenea con carburi non completamente disciolti, a seconda della composizione dell’acciaio iniziale.

Austenitizzazione I parametri di austenitizzazione sono:

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temperatura di austenitizzazione Ta;

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tempo di austenitizzazione ta.

La scelta della temperatura e del tempo dipende dalla composizione chimica dell’austenite ed in qualche forma anche dalla dimensione del grano. Considerando il grafico temperatura-tempo si nota una fase in salita, corrispondente al riscaldamento, una fase di mantenimento, una fase di austenitizzazione ed una fase di raffreddamento, la quale può assumere diverse pendenze. In ambito industriale il raffreddamento può avvenire con diversi mezzi: in aria, in acqua o in forno.

Ricottura Un acciaio, in relazione ai processi di fabbricazione primari, può presentare al suo interno difetti ed eterogeneità di varia natura ed origine. Tali difetti sono: - segregazioni (macro e micro) ottenute al termine della solidificazione; -

difetti da incrudimento per deformazione plastica a freddo (in realtà possono essere eliminati con una ricottura di distensione, ovvero con temperature al di sotto di A1);

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tensioni residue (da saldature, solidificazione, da tempra, ecc.).

I trattamenti di ricottura hanno lo scopo di impartire all’acciaio proprietà più prossime a quelle dello stato di equilibrio termodinamico, eliminando, almeno in parte, le suddette disomogeneità. La ricottura riproduce le fasi tipiche dell’acciaio riscontrate nei diagrammi di stato, ottenendo strutture di equilibrio.

Principali Trattamenti Termici degli Acciai Ipo-Eutettoidici Quando si vuole eseguire una ricottura di omogeneizzazione sono necessarie elevate temperature. Le segregazioni possono essere eliminate con temperature abbondantemente al di sopra di A3. La normalizzazione, che avviene in aria, necessita di temperature che si trovano poco al di sopra di A3 (all’incirca ad 80°C al di sopra). Sul grafico si può notare che la normalizzazione ha una temperatura variabile: poiché è necessaria una fase di austenitizzazione, e durante tale fase una temperatura troppo alta e un tempo troppo lungo determinano un ingrossamento del grano, allora, se si ha una concentrazione di Carbonio variabile fino all’eutettoide, per entrare in campo γ è necessaria una temperatura di normalizzazione più bassa. Per concentrazioni di Carbonio crescenti si usano temperature di normalizzazione decrescenti. Il rinvenimento si esegue con un raffreddamento estremamente rapido in acqua e serve ad inibire qualsiasi meccanismo di diffusione. Se si raffredda il materiale e lo si sottopone a rinvenimento ad elevate temperature, prossime ad A1, vengono azzerati tutti i trattamenti precedenti. Inoltre i grani possono ingrossarsi eccessivamente, quindi l’acciaio risulterà surriscaldato e non potrà essere recuperato.

Ricottura degli Acciai Ipo-Eutettoidici Ricottura completa Avviene ad una temperatura T = AC3 + 50°C (AC3 rappresenta la curva limite A3 che si riscontra a riscaldamento. La curva è tanto più alta quanto maggiore è la velocità di riscaldamento, quindi non è costante). Essendo una ricottura, il raffreddamento avviene in forno. Le caratteristiche della struttura sono le seguenti: - matrice ferritica con una percentuale di perlite in funzione del contenuto di Carbonio; -

duttilità elevata;

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resistenza meccanica e durezza modeste;

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struttura grossolana: se il raffreddamento è lento la perlite avrà lamelle di ferrite e cementite spesse.

Ricottura di omogeneizzazione Avviene ad una temperatura elevata pari a T = 1000-1200°C con raffreddamento in forno. Con questo trattamento vengono eliminate, o almeno ridotte, le microsegregazioni.

Ricottura di rigenerazione (o affinamento del grano) Quando il grano si è ingrossato non eccessivamente, è possibile rigenerarlo. La temperatura è maggiore di AC3, in modo da ottenere austenite a grano fine. Il raffreddamento avviene a velocità conveniente, da cui deriva una struttura fine ferritico-perlitica.

Normalizzazione degli Acciai Ipo-Eutettoidici La normalizzazione avviene a temperature al di sopra di A3, con raffreddamento in aria e quindi a velocità più elevata rispetto al raffreddamento in forno. Per questo la struttura ferrito-perlitica sarà più fine, con spazio interlamellare della perlite molto ridotto. Poiché ad una maggiore finezza corrisponde una maggiore resistenza, un acciaio normalizzato avrà una resistenza maggiore di un acciaio ricotto. Si esegue in condizioni di ciclo analoghe a quelle della ricottura: T = A3 + 50°C.

Ricottura di Addolcimento Consiste in un riscaldamento a qualche decina di gradi al di sotto di A1, seguito da un raffreddamento lento. Si ottiene uno stato dell’acciaio sufficientemente addolcito e privo di incrudimento, che migliora la lavorabilità nelle successive operazioni di deformazione plastica a freddo (sfrutta il fenomeno della ricristallizzazione statica). Se infatti l’acciaio viene incrudito a causa di lavorazioni meccaniche sarà meno deformabile.

Distensione La distensione si esegue tutte le volte in cui l’acciaio ha subito delle distorsioni. Si esegue con un riscaldamento a bassa temperatura dell’acciaio preventivamente incrudito, temprato o comunque soggetto ad uno stato di tensioni residue (le quali determinano uno stato di compressione o di dilatazione eterogeneo) che ne pregiudicherebbero l’applicazione o le successive operazioni, a causa della bassa resilienza o tenacità a frattura. La distensione serve a “rilassare” le tensioni, eliminandone quelle più pericolose. Quindi non agisce sulle proprietà meccaniche. La temperatura é molto più bassa di A1 e le velocità di riscaldamento e di raffreddamento sono anche piuttosto basse. L’acciaio recupera sensibilmente in resilienza e tenacità senza modificare le sue proprietà meccaniche.

Tempra degli Acciai Ipo-Eutettoidici Le trasformazioni allotropiche che caratterizzano l’acciaio vengono sfruttate per la tempra. La trasformazione martensitica avviene con aumento di volume, quindi bisogna porre attenzione alla zona in cui avviene la trasformazione. Se la trasformazione martensitica avviene all’interno dell’acciaio mentre l’esterno è caldo, non si avranno problemi causati dall’aumento di volume (l’esterno si adatta all’espansione della martensite). Nella realtà si raffredda prima la zona esterna (martensitica-dura) e poi la zona interna, determinando la rottura dell’acciaio.

Raffreddamento dell’Austenite nel caso di un Acciaio allo 0,4%C

(Ae3 Ae1 = Ar3 Ar1 rappresentano le temperature di raffreddamento) Aumentando la velocità di raffreddamento i fenomeni di diffusione sono impediti. Per questo motivo si avrà una variazione dei punti critici, i quali si spostano verso il basso. Esiste una condizione particolare di velocità in corrispondenza della quale le due temperature Ae3 ed Ae1 coincidono. La zona bifase α+γ all’aumentare della velocità scompare, quindi permane ancora austenite. Se i fenomeni di diffusione sono impediti, la ferrite non si forma.

In corrispondenza di Vi (velocità limite inferiore) si possono distinguere due regioni: si formano altri prodotti definiti da un intervallo di temperatura. Il primo prodotto è la bainite superiore. Aumentando la velocità di raffreddamento la bainte diventa ancora più fine (bainite inferiore). Aumentando ulteriormente la velocità di raffreddamento i fenomeni diffusivi sono impediti del tutto: in corrispondenza della Vs (velocità limite superiore) si trova martensite. La martensite è il prodotto che si ottiene per trasformazione di austenite a velocità molto elevata....