Note Complete di Scienza e Tecnologia dei Materiali: Cristallografia, Metallurgia e Trattamenti Termici

Cristallografia e Struttura dei Solidi

• Reticoli Bravais e Cristalli Reali:

  • Un cristallo reale viene descritto scientificamente mediante la combinazione di un reticolo di Bravais e una opportuna base (gruppo di atomi associato a ogni punto del reticolo).

• Reticolo Cubico a Facce Centrate (FCC/CFC):

  • Fattore di Impaccamento Atomico (APF/FCA): Il valore è pari a $0.74$, rappresentando la massima densità di impacchettamento per sfere rigide.

  • Piani a massimo impacchettamento: Sono i piani della famiglia $\{111\}$.

  • Direzioni di scorrimento: Le direzioni a densità atomica massima sono le direzioni $\{110\}$.

• Reticolo Cubico a Corpo Centrato (BCC/CCC):

  • Fattore di Impaccamento Atomico (APF/FCA): È pari a $0.68$.

  • Direzioni a massimo impacchettamento: Sono le direzioni diagonali del cubo, ovvero le $\{111\}$.

• Superstrutture:

  • Definite come delle soluzioni solide sostituzionali ordinate, dove gli atomi di soluto occupano posizioni specifiche e regolari all'interno del reticolo del solvente, anziché essere distribuiti casualmente.

• Significato Atomico della Temperatura:

  • A livello microscopico, la temperatura è una grandezza direttamente legata all'energia cinetica vibrazionale atomica. Maggiore è la temperatura, maggiore è l'ampiezza delle vibrazioni degli atomi attorno alle loro posizioni di equilibrio.

Difetti Reticolari e Deformazione Plastica

• Dislocazioni:

  • Sono definiti come difetti lineari. Non sono in equilibrio termodinamico e la loro densità aumenta drasticamente con la deformazione a freddo.

  • Dislocazioni a vite: Caratterizzate dal fatto che il vettore di Burgers e la linea di dislocazione sono paralleli. Questo tipo di dislocazione può compiere il meccanismo di cross slip (scorrimento deviato).

  • Piano di scorrimento: Il piano più probabile su cui si muove una dislocazione è quello a massima densità atomica, poiché presenta la minor resistenza al moto (minore tensione di Peierls-Nabarro).

• Incrudimento:

  • Il coefficiente di incrudimento tende a essere generalmente più basso nei materiali con reticolo esagonale compatto (HC/HCP) a causa del limitato numero di sistemi di scorrimento attivi rispetto ai sistemi cubici.

• Effetto della Tempra sulle Vacanze:

  • Un raffreddamento veloce (tempra) da una temperatura superiore alla curva di solubilità rafforza il materiale incrementando il numero delle vacanze in equilibrio termodinamico che rimangono "congelate" (metastabili) all'interno del cristallo, ostacolando il moto delle dislocazioni.

Meccanismi di Rafforzamento

• Affinazione della Grana Cristallina:

  • Basato sulla relazione di Hall-Petch, afferma che al diminuire delle dimensioni del grano aumenta la resistenza meccanica e, a differenza di altri meccanismi, migliora anche la tenacità, abbassando la temperatura di transizione duttile-fragile.

• Rafforzamento per Precipitazione (Invecchiamento):

  • L'efficacia di questo rafforzamento diminisce all'aumentare della temperatura poiché i precipitati possono ingrossarsi (coalescenza) o ridisciogliersi nella matrice, perdendo la capacità di bloccare le dislocazioni.

• Particelle Incoerenti:

  • Le particelle che non mantengono continuità nei piani cristallini con la matrice (incoerenti) alterano il coefficiente di incrudimento del materiale e sono efficaci nell'ostacolare il moto delle dislocazioni per superamento (meccanismo di Orowan).

Il Diagramma di Fase Ferro-Carbonio e Acciai

• Analisi di un Acciaio allo 0.5% di Carbonio (Ipo-eutettoidico):

  • Per calcolare la percentuale di ferrite proeutettoidica (primaria) a temperatura ambiente, si utilizza la regola della leva applicata all'isoterma eutettoidica ($723\,°C$ o $727\,°C$ a seconda del diagramma).

  • Composizione dell'eutettoide ($S$): $0.76\% - 0.8\%\,C$.

  • Solubilità massima nel ferro alpha ($P$): $0.022\%\,C$.

  • Calcolo approssimativo: $\frac{0.76 - 0.5}{0.76 - 0.02} \times 100 \approx 35-38\%$. L'opzione corretta indicata è 38.4% di ferrite proeutettoidica.

• Punti Critici e Anomalie:

  • Anomalia $A_3$: Rappresenta la temperatura alla quale inizia la trasformazione della austenite in ferrite alfa durante il raffreddamento (o termina la trasformazione inversa in riscaldamento).

• Effetto del Carbonio:

  • L'introduzione del carbonio nel ferro introduce un intervallo di temperatura di trasformazione tra ferrite e austenite (campo bifasico), a differenza del ferro puro che trasforma a temperatura costante.

• Microstrutture Specifiche:

  • Un acciaio costituito al 100% da perlite è tipicamente un acciaio eutettoidico ($C \approx 0.76-0.8\%$).

  • Trasformazione Bainitica: Implica la diffusione del solo carbonio, mentre gli atomi di ferro si muovono in modo cooperativo (meccanismo adirezionale/militare simile alla martensite ma assistito da diffusione locale del soluto).

Ghise e Solidificazione

• Struttura Dendritica:

  • Si forma durante la solidificazione quando il calore latente di fusione viene smaltito attraverso il liquido sottoraffreddato.

• Sottoraffreddamento Costituzionale:

  • Si manifesta quando il gradiente della temperatura nel liquido ($G$) è minore della tangente in prossimità dell'interfaccia solido-liquido alla curva che rappresenta la temperatura di solidificazione (legata alla ridistribuzione del soluto).

• Tipologie di Ghise:

  • Ghisa Ipoeutettica (priva di silicio): In condizioni di equilibrio a temperatura ambiente presenta ferrite e cementite (organizzate in perlite e ledeburite trasformata).

  • Ghisa Sferoidale: È caratterizzata da un accrescimento della grafite di tipo divorziato (o radiale), favorita da elementi come il Magnesio.

  • Ghise ADI (Austempered Ductile Iron): Sono ghise sferoidali che subiscono un trattamento termico di austempering, ottenendo una matrice ausferritica (austenite metastabile e ferrite).

• Segregazione Minore: Fenomeno che prevede variazioni di concentrazione di soluto a livello di singolo grano (microsegregazione). Tipicamente, la concentrazione di soluto al centro del cristallo è diversa da quella superficiale.

Prove Meccaniche e Proprietà

• Durezza Knoop:

  • Definita come il rapporto tra il carico applicato ($P$) e la superficie della proiezione dell'impronta lasciata da un penetratore piramidale a base rombica allungata.

• Prova Charpy Strumentata:

  • Permette di ottenere informazioni dettagliate sulla frattura, riuscendo a distinguere tra l'energia spesa per l'innesco della cricca e l'energia spesa per la sua propagazione.

• Resilienza ($J$):

  • Non è una proprietà intrinseca assoluta poiché dipende dalla geometria del campione (dimensioni, tipo di intaglio a V o U).

• Fatica:

  • Ciclo Alterno Simmetrico: Caratterizzato da un valore medio della tensione nullo ($\sigma_m = 0$) e un rapporto di ciclo $R = -1$ ($R = \frac{\sigma_{min}}{\sigma_{max}}$).

  • Resistenza a fatica: In generale, essa aumenta all'aumentare del carico di rottura del materiale, mentre diminuisce con l'aumento della rugosità superficiale o della severità degli intagli.

• Leggi di Fick:

  • Nella prima legge ($J = -D \frac{dc}{dx}$), il segno meno indica che il flusso diffusivo avviene in direzione opposta al gradiente di concentrazione (verso le zone a minore concentrazione).

Trattamenti Termici e Difettologia di Trattamento

• Ricottura di Omogeneizzazione:

  • Viene eseguita a temperature molto elevate ($1100-1200\,°C$) per lungo tempo per favorire la diffusione degli elementi in lega e ridurre le micro-segregazioni di solidificazione.

• Cricche di Tempra:

  • Si formano a causa della combinazione di un forte gradiente di temperatura tra superficie e cuore del pezzo e dell'aumento di volume specifico legato alla trasformazione della fase austenite in martensite.

• Bruciatura:

  • Grave difetto che consiste in una ossidazione a bordo grano con conseguente liquazione delle fasi a più basso punto di fusione, rendendo il materiale fragile e inutilizzabile.

• Temprabilità:

  • Capacità di un acciaio di trasformarsi in martensite. Dipende principalmente dalla composizione chimica (elementi in lega che spostano le curve CCT a destra).

• Trattamenti Superficiali:

  • Coltre Bianca: Strato superficiale molto duro e fragile, ricco di nitruri complessi, che si forma tipicamente nei componenti sottoposti a nitrurazione.

Acciai Speciali e Inossidabili

• Acciaio 16MnCr5:

  • È un classico acciaio da cementazione (basso carbonio, con Manganese e Cromo), progettato per avere un cuore tenace e una superficie indurita dopo arricchimento di carbonio e tempra.

• Acciai Maraging:

  • Acciai ad altissima resistenza meccanica che sfruttano la precipitazione di intermetallici in una matrice martensitica a bassissimo tenore di carbonio (spesso con alto Nickel, intorno al $18\%$).

• AISI 430:

  • Acciaio inossidabile della serie 400, classificato come ferritico (contiene principalmente Cromo come elemento alligante stabilizzatore della fase alpha).

• Sensibilizzazione e Ripristino nei materiali Inox:

  • La resistenza alla corrosione di un acciaio inossidabile sensibilizzato (causata dalla precipitazione di carburi di cromo a bordo grano) può essere ripristinata mediante tempra di solubilizzazione (riscaldamento ad alta temperatura seguita da raffreddamento rapido per mantenere il cromo in soluzione).