Metallurgia

La Metallurgia riguarda essenzialmente lo studio dei metalli e del loro comportamento.

I metalli

Caratteristica essenziale del metallo è quello di presentare una struttura ripetitiva e regolare basata su una cella elementare. Le più comuni sono la c.c.c (cubica corpo centrato), c.f.c (cubica facce centrate; esempi: Cu e sue leghe, acciai austenitici, leghe di Al o di Ni) ed e.c.(esagonale compatto).

Sottoraffreddato dallo stato liquido un metallo si solidifica in grani, le cui dimensioni sono immagine della temperatura a cui avviene il processo e i cui bordi rappresentano un'importante zona di discontinuità della struttura metallica. Minore la temperatura al di sotto della quale avviene il sottoraffreddamento minore sarà il raggio critico al di sotto del quale si decostruiscono gli embrioni dallo stato solido e per un maggior numero di embrioni che diventano grani è minore la dimesione del grano metallico.

Difetti

La ripetitività della struttura cristallina è interrotta localmente da difetti che possono essere di vario genere.

difetti di punto - sono le occasionali vacanze (la cui concentrazione dipende dalla temperatura secondo un legame esponenziale), o gli atomi sostituzionali o gli atomi interstiziali (questo specie quando nelle soluzioni solide è notevole la differenza nelle dimensioni degli elementi componenti) o gli atomi autointerstiziali (nel caso di atomi uguali a quelli del reticolo) o i difetti di Frenkel (uno ione positivo lascia la sua posizione reticolare, creando cosi' una vacanza cationica, per andare a formare uno ione interstiziale) e di Schottky (coppia di una vacanza anionica e cationica in un solido ionico).
difetti di linea - separano parti che hanno subito lo slittamento da altre che non lo hanno subito. Accumulano tensione e per effetto dell'applicazione di sforzi tendono a moltiplicarsi. Sono detti dislocazioni.
difetti di superficie - ovvero i bordi grano presso i quali cambiano interamente l'orientamento dei piani di reticolo da un grano all'altro.
difetti di volume - le irregolarità nella sequenza ordinata dei piani cristallini nel metallo.

Poiché questi difetti influenzano enormemente il comportamento metallico sono estremamente importanti per la metallurgia.

Elasticità e plasticità del metallo

Sottoposto ad uno sforzo crescente il metallo in un primo tempo si deformerà linearmente secondo la legge di Hooke in maniera elastica, e reversibile una volta cessato il carico.

L'aumentare dello sforzo oltre un certo limite imporrà in seguito una irreversibile deformazione plastica accompagnata dall'incrudimento, cioè un aumento progressivo della resistenza alla deformazione ed un carico di rottura sempre maggiore. Se il valore teorico di energia necessario per deformare plasticamente un campione è notevolmente maggiore rispetto a quello in effetti necessario ciò è dovuto alla presenza di dislocazioni, ossia discontinuità di linea nella struttura cristallina che a seconda della forma sono dette a vite, a spigolo o mista.

La frattura si distingue a seconda della natura del metallo in duttile o fragile. Nel primo caso il metallo si deforma sensibilmente nel campo plastico, si verifica uno strizzamento a causa dei microvuoti venutisi a creare, la superficie di frattura avrà la caratteristica forma di coppa cono. Nel secondo caso la frattura è improvvisa, subito oltrepassato il limite elastico, la superficie perpendicolare alla direzione dello sforzo, di aspetto brillante e cristallino.

Fenomeni degenerativi

Un particolare tipo di frattura fragile è il cosidetto clivaggio (tipico della struttura c.c.c, e.c più raramente), frutto di sforzi elevati condotti a bassa temperatura. Il clivaggio è in genere transgranulare ma può essere anche intergranulare se a bordo grano sono presenti particolari precipitati o impurezze.

Il creep è invece un fenomeno che avviene ad alte temperature che in funzione del tempo vede prima l'aumento delle dislocazioni e l'incrudimento, fenomeno non attivato termicamente (creep primario) quindi il disancoramento delle dislocazioni (fenomeno questo si attivato termicamente) che comporterà la rottura dopo aver pareggiato l'intensità dell'incrudimento (nel creep secondario la velocità di creep diventa stazionaria) la supera, accelera la velocità di deformazione ( creep Terziario) e induce la rottura.

La fatica è quel fenomeno per il quale un metallo sottoposto ad uno sforzo ciclico può pervenire a rottura anche per valori dello sforzo molto al di sotto del suo limite limite di snervamento. Ad una prima fase di incrudimento (hardering) segue l'assestamento microstrutturale (softering), l'orientarsi delle dislocazioni presso precise bande di slittamento, il presentarsi presso la superficie di caratteristiche microintrusioni e microestrusioni. È lungo le bande di slittamento, che si presentano dopo appena il 5% della vita utile del campione, che avrà luogo la rottura il cui punto di innesco è appena al di sotto della superficie. La rugosità superficiale è un parametro importantissimo per quel che riguarda la resistenza a fatica di un metallo.

La corrosione nasce dalle iterazioni di ossidoriduzione con l'ambiente e naturalmente è particolarmente dannosa per i metalli. Si cercano espedienti per prevenire come un rivestimento in PVC, la verniciatura o utilizzare un anodo sacrificale. Variegata la casastica: la corrosione può avvenire in fessura o per aerazione differenziata, intergranulare, per 'pitting (superato in un punto il film protettivo), esaltata da un ambiente galvanico o dalle forti tensioni cui il pezzo è soggetto.

L'usura infine distrugge il metallo in presenza di un ambiente tribologico dove cioè vi è attrito tra il pezzo e altre componenti. L'usura può essere dovuta alle forze fluidodinamiche, è detta tribossidazione in un ambiente particolarmente aggressivo, si dice adesiva, quando è determinata da microgiunzioni venutesi a creare tra le creste di rugosità di due corpi in mutuo slittamento l'uno sull'altro, o erosiva quando semplicemente una superficie è in moto relativo contro particelle particolarmente dure. Un caso particolare risulta la corrosione-erosione, in cui un'usura superficiale non eccessiva è però sufficiente ad asportare lo strato superficiale passivato, ripresentando quindi metallo vivo agli agenti corrosivi.

Trattamenti termici

Diversi trattamenti termici e termochimici sono imposti al metallo per modificarne le caratteristiche resistive o di lavorabilità. Molti metalli hanno infatti diverse varianti allotropiche in funzione della temperatura: tra questi il ferro passa dalla struttura c.c.c del ferro α a quella c.f.c del ferro γ per poi, aumentata ulteriormente la temperatura, presentare nuovamente struttura c.c.c con il ferro δ.

La struttura cristallina di un acciaio può variare sensibilmente se una volta portato al di sopra della temperatura di austenitizzazione quello è lasciato dopo ad una temperatura al di sotto di quella. A seconda di questa nuova temperatura potrà formarsi perlite (l'eutettoide lamellare ferrite-cementite) o per temperature inferiori bainite e financo martensite. È la Curva di Bain a descrivere la trasformazione isoterma dell'austenite.

Le leghe metalliche ferro-carbonio, cioè gli acciai (la percentuale di C è inferiore al 2%) e le ghise sono importantissimi per la Metallurgia. I trattamenti termici (leghe Fe-C) come ricottura, normalizzazione, tempra, rinvenimento casusano una modifica delle dimensioni del grano e delle tensioni interne.

In particolar modo la tempra vuole ottenere, raffreddando il metallo al di sopra una certa velocità una particolarissima struttura cristallina nota come martensite. La tempra tradizionale, che dona al metallo una grandissima durezza e resistenza a trazione a discapito di resilienza e tenacità, determina forti tensioni tra cuore e superficie del metallo. Nella bonifica la tempra è subito seguita dal rinvenimento che modifica la Martensite e riduce le tensioni.

Sfruttando la diffusione solida i trattamenti termochimici particolarmente usate sono la cementazione (che sfrutta il C) e la nitrurazione (che sfrutta N). Entrambe hanno come obbiettivo una superficie dura e un cuore tenace e lavorabile. Perché il C possa diffondersi nell'acciaio è indispensabile trovarsi all'interno del campo γ: dopo la cementazione si ricorre ad una caratteristica doppia tempra (o in alternativa ad una tempra diretta o indiretta). La nitrurazione è più costosa, avviene a temperature più basse ma garantisce al metallo una maggiore durezza superficiale.

Cenni di Metallurgia di processo

Le materie prime nel ciclo di fabbricazione dei metalli appartengono principalmente a 2 tipologie: i minerali dei metalli e i rottami metallici. Le operazioni che conducono alla produzione di un metallo sono oggetto della metallurgia estrattiva o primaria. I minerali sfruttati industrialmente sono principalmente ossidi, solfuri e silicati.

I trattamenti di preparazione, che iniziano con la frantumazione della roccia, servono a concentrare il minerale. Si aumenta la superficie di contatto, si rendono le particelle equidimensionali e si esegue l'arricchimento:

per via magnetica, se il minerale è ferromagnetico;
per flottazione: il materiale polverizzato è immerso in una soluzione acquosa contenente un agente schiumogeno, le cui bollicine avvolgono il minerale e lo portano in superficie;
per separazione elettrostatica (conducibilità elettrica diversa tra minerale e ganga);
per via gravimetrica (diversa velocità di sedimentazione dei componenti del materiale scavato).

A volte sono effettuati i trattamenti estrattivi preliminari, di natura chimico-fisica, per trasformare i minerali in composti più facilmente manipolabili (alcuni esempi: calcinazione, arrostimento).

I processi di estrazione

In base alla forma di energia utilizzata per separare il metallo dalle impurezze e dalla ganga si distinguono 3 principali processi metallurgici:

pirometallurgici (energia termica)
idrometallurgici (energia di dissociazione di natura chimica)
elettrometallurgici (energia elettrica)

Nei processi pirometallurgici il caso più comune è quello degli ossidi e dei solfuri. Le reazioni di dissociazione (endotermiche, cioè assorbono calore) sono:
2MeO ↔ 2Me + O₂ - ΔH_oss
2MeS ↔ 2Me + S₂ - ΔH_sol
Si consideri che la dissociazione avviene spontaneamente solo con la diminuizione dell'energia libera ΔG° del composto. In base a tale principio e alla definizione di energia libera si può calcolare la T*, temperatura minima di dissociazione.

Per un ossido la T* può essere calcolata con la relazione semiempirica di Matignon-Le Chatelier:
$T^* = {\Delta H_{298K(oss)}^o \over 34}$
Quando la temperatura risulta troppo elevata, anche operando in sotto vuoto, si utilizzano specie chimiche riducenti: rispetto al metallo esse hanno maggiore affinità con l'ossigeno, formando così un ossido.
Maggiormente usato è il carbonio, come CO (riduzione indiretta) e come carbone (riduzione diretta):
MeO + CO ↔ Me + CO₂
MeO + C → Me + CO

Con i solfuri si avrebbe teoricamente la dissociazione:
MeS ↔ Me + 0,5 S₂
Tuttavia non si ha una corrispondenza univoca tra pressione e temperatura di dissociazione, in quanto i solfuri formano soluzioni solide con i loro metalli e il sistema diventa bivariante, cioè dipendente anche dalla concentrazione.

Nei processi idrometallurgici il minerale, solubile o reso tale, e la ganga sono immersi in soluzione acquosa. La ganga insolubile è separata per filtrazione o decantazione, quindi il metallo è estratto introducendo un sale o un altro metallo (meno importante e recuperabile), che fanno precipitare il metallo principale e non le impurezze.

Nei processi elettrometallurgici un sale metallico fuso o in soluzione acquosa è sottoposto a dissociazione elettrolitica, con deposizione al catodo del metallo per riduzione.

La produzione della ghisa e dell'acciaio

I minerali più sfruttati sono gli ossidi (magnetite Fe₃O₄ ed ematite Fe₂O₃).
Il ciclo prevede le fasi:

1. pretrattamenti: frantumazione e vagliatura;

2. arricchimento: magnetico o per flottazione, fino al 65%;

3. agglomerazione: polveri troppo fini intaserebbero l'altoforno, percui si ricorre al sinteraggio (in sferule di 10-25 mm) o alla pellettizzazione (aggiunta di umidità e fini di coke);

4. estrazione pirometallurgica: nell'altoforno, per riduzione del minerale ossidato con coke, si ottiene la ghisa di prima fusione;

5. affinazione termica: la ghisa è trasformata in acciaio nei convertitori L.D.;

6. lavorazioni plastiche.

Il coke metallurgico fornisce l'energia per la riduzione degli ossidi di Fe, il C per la riduzione diretta e il CO per la indiretta.
Il calcare rende fusibile la ganga, generalmente silicea, a una T di poco superiore a quella del metallo.

L'altoforno è caricato con strati di minerale, calcare e coke. La carica solida discende e avviene la riduzione prima indiretta, grazie al vento, gas riducente a base di CO, e poi diretta, grazie al C. La ganga, il calcare e il ferro si raccolgono nel crogiolo in due strati. Si giunge così alla ghisa di prima fusione, che contiene C = 5%, Si < 3,5%, Mn < 2,5%, P < 1,5%, S < 0,1%.
Qust'ultima è versata nei forni convertitori LD, insieme a rottame d'acciaio e calce. In essi l'ossigeno riduce il carbonio, il silicio, il manganese e il fosforo; la calce estrae lo zolfo.

Tutti gli acciai speciali e parte di quelli di massa nascono dal ciclo da rottame. La creazione avviene nel Forno Elettrico ad Arco (FEA) trifase rivestito di materiale refrattario. La tensione elettrica fa scoccare un arco fra i 3 elettrodi di grafite e il metallo, che fonde per irraggiamento ed effetto Joule e si porta a 1500°C circa.
Successivamente, se l'acciaio è di massa, nello stesso FEA è insufflato ossigeno per ottenere la decarburazione e la defosforazione. Tale O, purtroppo, provoca anche l'ossidazione di parte del Fe, che finisce nella scoria o rimane nel bagno come FeO; si aggiungono allora Si e Al, più affini per l'ossigeno rispetto al Fe, nella fase detta calmaggio (evita la rimonta di acciaio trascinato dalle bolle di CO). Mn e Ca attuano la desolforazione.
Se invece l'acciaio è speciale, per esempio ad alto cromo (soprattutto inossidabile), il bagno è trasferito dal FEA al forno AOD (argon oxygen decarburation): questi gas riducono l'ossidazione del cromo. Come l'LD, pure l'AOD a volte deve essere raffreddato (reazioni esotermiche). Seguono il calmaggio e la desolforazione.

Il colaggio in lingottiera è necessario per manufatti di notevoli dimensioni, ottenibili per fucinatura di lingotti. Se l'acciaio contiene oltre lo 0,10% di C, è usata la materozza per mantenere liquida la sommità del lingotto, dove così si forma la cavità di ritiro. Se l'acciaio è extradolce (C < 0,10%), non si effettua il calmaggio e le bolle di CO compensano il ritiro: la materozza non serve.
Nel colaggio in continuo il bagno passa da un bacino in refrattario a una lingottiera, quindi a zone di raffreddamento e infine a una cesoia. Si ricavano la billetta (lato < 120 mm), il blumo (lato > 120 mm), la bramma (per lamiere).
Il colaggio in forma è conveniente per pezzi complessi o ingrande serie.

Temperatura

Termometro a termocoppia

In fisica, la temperatura è la proprietà fisica di un sistema corrispondente alle nozioni comuni di "caldo" e "freddo", che estende rendendole misurabili quantitativamente. La corrispondenza tra tali impressioni sensoriali e la temperatura misurata non è tuttavia perfetta: normalmente il materiale con temperatura più alta è più caldo al tatto, ma ci sono casi in cui ciò non vale: ad esempio un pezzo d'argento sembra molto più freddo di un pezzo di plastica alla stessa temperatura o anche a temperatura inferiore, a causa dellle differenze tra il calore specifico e la conducibilità termica dei due materiali.

Formalmente, la temperatura è la proprietà che regola il trasferimento di energia termica o calore, da un sistema ad un altro. Quando due sistemi sono alla stessa temperatura, si dice che si trovano in equilibrio termico e non avviene nessun trasferimento di calore. Quando esiste una differenza di temperatura, il calore tenderà a muoversi dal sistema a temperatura più alta verso il sistema a temperatura più bassa, fino al raggiungimento dell'equilibrio termico. Il trasferimento di calore può avvenire per conduzione, convezione o radiazione. (Si veda la voce calore per un'ulteriore discussione dei vari meccanismi di trasferimento del calore). Le proprietà formali della temperatura vengono studiate dalla termodinamica. La temperatura gioca inoltre una parte importante in quasi tutti i campi della scienza, ivi inclusi, fisica, chimica e biologia.

La temperatura è correlata alla quantità di energia termica o calore di un sistema. Se viene aggiunto calore la temperatura sale, similarmente un decremento di temperatura corrisponde a una perdita di calore del sistema. Su scala microscopica, questo calore corrisponde al movimento casuale degli atomi e delle molecole del sistema. Quindi un incremento di temperatura corrisponde a un incremento del movimento degli atomi del sistema.

Molte proprietà fisiche dei materiali, inclusi lo stato (gas, liquido, solido), la densità, la solubilità, la pressione del vapore e la conduttività elettrica dipendono dalla temperatura. La temperatura gioca inoltre un ruolo importante nel determinare il tasso e l'estensione con cui avvengono le reazioni chimiche. Questa è una delle ragioni per cui il corpo umano ha vari ed elaborati meccanismi per mantenere la temperatura attorno ai 37°C, in quanto pochi gradi in più possono risultare in reazioni dannose con serie conseguenze. La temperatura inoltre controlla il tipo e la quantità di radiazione termica emessa da una superficie. Un'applicazione di questo effetto è la lampada ad incandescenza, nella quale un filamento di tungsteno viene riscaldato elettricamente ad una temperatura alla quale viene emessa una quantità significativa di luce visibile.

La temperatura è una proprietà intrinseca di un sistema, intendendo con ciò che non dipende dalle dimensioni o dalla quantità di materia del sistema. Altre proprietà intrinseche includono pressione e densità. Per contro massa e volume sono proprietà estrinseche, e dipendono dalla quantità di materia presente nel sistema.

Incrudimento

L'incrudimento è un fenomeno metallurgico per cui un materiale metallico risulta rafforzato in seguito ad una deformazione plastica a freddo. Spesso tale fenomeno è sfruttato in alcuni trattamenti (come la pallinatura) per migliorare le caratteristiche del materiale, come la durezza e la resistenza meccanica (l'effetto è trascurabile, invece, sul modulo di elasticità E). Nei solidi metallici le deformazioni plastiche sono generalmente causate, a livello microscopico, da difetti del reticolo chiamati dislocazioni, che facilitano lo scorrimento dei piani cristallini muovendosi attraverso il materiale. A bassa temperatura questi difetti tendono a moltiplicarsi e ad accumularsi quando il materiale viene lavorato, finendo per interferire tra loro, bloccandosi a vicenda ed aumentando quindi la resistenza meccanica. Alle alte temperature ciò è compensato dal contemporaneo fenomeno di recovery, che tende a "riarrangiare" il materiale in una forma più ordinata e distesa, disperdendo le dislocazioni e annullando gli effetti dell'incrudimento. Questo fenomeno è sfruttato nel trattamento termico di ricottura, che ha per l'appunto lo scopo di addolcire il materiale annullando l'effetto di incrudimento, lavorazioni e in genere altri trattamenti precedenti.

Per deformare plasticamente un metallo occorre una tensione data secondo la formula:

$\sigma = 0,8Gb\sqrt{\rho}$

dove σ è la tensione necessaria per deformare plasticamente un metallo, G è il modulo elastico di taglio, b è il vettore di Burgers delle dislocazioni e ρ è la densità di dislocazioni.

Ogni materiale con un punto di fusione ragionevolmente alto può essere indurito con questo metodo. Si utilizza spesso per indurire leghe che non risentono dei trattamenti termici, incluso l'acciaio a basso tenore di carbonio. L'Indio, poiché il suo basso punto di fusione lo rende immune all'incrudimento a temperatura ambiente, può essere utilizzato come guarnizione nei sistemi a vuoto.

Di solito la lavorazione a freddo è ottenuta con lo stesso processo utilizzato per dare la forma finale al pezzo, inclusa la laminazione a freddo (in contrasto con la laminazione a caldo) e l'estrusione. Sono state ideate delle tecniche per mantenere la forma del pezzo anche durante il processo di incrudimento, tra cui la pallinatura e la constant channel angular pressing. L'incrudibilità di un materiale può essere prevista mediante l'analisi della curva di stress-strain o studiata effettuando un test di durezza prima e dopo il processo di incrudimento.

Frattura

La frattura in meccanica è un fenomeno che si presente a causa della fatica del materiale con la separazione in due parti dell'oggetto. La frattura tende a propagarsi lungo le linee di coesione realizzate dai cristalli di minerale che compongono il materiale fratturato.

Si distinguono due tipi di frattura a seconda della natura del metallo: duttile o fragile. Nel primo caso il metallo si deforma sensibilmente nel campo plastico, si verifica uno strizzamento a causa dei microvuoti venutisi a creare, la superficie di frattura avrà la caratteristica forma di coppa cono. Nel secondo caso la frattura si manifesta in modo improvviso, appena oltrepassato il limite elastico, la superficie perpendicolare alla direzione dello sforzo si presenta di aspetto brillante e cristallino.

Fatica

La fatica è un fenomeno meccanico per cui un materiale sottoposto a carichi variabili nel tempo (in maniera regolare o casuale) si danneggia fino a rottura nonostante l'intensità massima dei carichi in questione sia sensibilmente inferiore a quella di rottura o di snervamento statico del materiale stesso.

Curve di Wohler e limite di fatica

Esempio di generica curva di Wohler: si nota che per numero di cicli nullo la curva interseca l'asse delle ordinate in corrispondenza del carico di rottura statica

I primi studi intorno alla fatica vennero compiuti alla fine del secolo XIX, in seguito a una serie di rotture "inspiegabili" di assili ferroviari progettati per resistere a carichi (statici) ben superiori a quelli cui invece avveniva la loro rottura improvvisa in esercizio. In questo senso fondamentale è l'opera del Wohler, che intuì che il fenomeno era dovuto alla natura ciclica del carico cui l'assile era sottoposto (flessione rotante) e tentò di ricostruire lo stato di sollecitazione in laboratorio, mettendo in relazione l'ampiezza massima del ciclo di sollecitazione con il numero di cicli che il pezzo sopportava prima della rottura: ne ricavò una serie di curve su base statistica che ancora oggi sono chiamate diagrammi di Wohler e costituiscono lo strumento base per la progettazione di componenti meccanici a fatica. Da questi diagrammi si evidenzia per alcuni materiali l'esistenza di un limite inferiore di sforzo massimo al di sotto del quale il materiale non si rompe per effetto di fatica nemmeno per un numero "molto alto" (idealmente infinito) di cicli. Questo valore dello sforzo è detto limite di fatica del materiale.

Meccanismo di danneggiamento per fatica

Nel caso dei materiali metallici (di gran lunga il più importante e il più studiato) la fatica è legata ai fenomeni di micro-deformazioni plastiche cicliche locali indotte dal ciclo di sollecitazioni. Esse sono dovute al fatto che, per effetto di vari tipi di microintagli e/o discontinuità (bordi grano, inclusioni non metalliche, composti interstiziali, rugosità superficiali...) localmente il valore dello sforzo può superare il carico di snervamento anche se il carico macroscopico esterno rimane sempre al di sotto di esso. Il danneggiamento per fatica procede attraverso tre stadi: il primo, detto di assestamento microstrutturale, ha l'effetto di stabilizzare il ciclo di isteresi plastica della massa metallica (restringendolo o allargandolo a seconda dei materiali, se prevale l'incrudimento o l'addolcimento) e, di conseguenza, di stabilizzare alcune caratteristiche meccaniche e fisiche dello stesso. Slittamenti "disordinati" dei piani cristallini del metallo si localizzano in bande disposte a 45° rispetto alla direzione dello sforzo applicato, generando microintrusioni e microestrusioni , che nella successiva fase di nucleazione andranno a costituire l'innesco del danneggiamento per fatica. Sul fondo di tali microintrusioni, infatti, gli sforzi risultano amplificati per effetto d'intaglio cosicchè facilmente il materiale in quel punto cederà e si formeranno delle microcricche. Queste tendono a riunirsi andando a formare la cricca vera e propria, che si considera ormai nucleata quando raggiunge la profondità di circa 0,1 mm. Dopo la nucleazione della cricca, la sua propagazione avviene in maniera transgranulare (come una frattura fragile) e in senso perpendcolare a quello del massimo sforzo (non più a 45°); ad ogni ciclo di sforzo la cricca avanza di un "passo" e lascia a volte tracce caratteristiche, dette striature. L'avanzare della cricca porta ad una progressiva diminuzione di sezione resistente: quando questa diventa inferiore alla sezione critica, si ha la frattura finale di schianto per sovraccarico (statico).

Trattamenti preventivi

Le cricche di fatica nucleano quasi sempre (eccetto alcuni casi tipici, come la fatica per contatto ciclico negli ingranaggi) su una superficie libera del pezzo in questione: questo per un concorso di cause (in superficie sono in genere massimi gli sforzi dovuti a flessione o torsione; in superficie sono in genere presenti difetti microscopici come la rugosità superficiale che fungono da microintagli e favoriscono l'innesco...). Per prevenire il danneggiamento per fatica o per migliorare la resistenza ad esso in genere si ricorre a trattamenti quali:
-rullatura o pallinatura, che creano sforzi residui di compressione sulla superficie, i quali tendono a richiudere eventuali microcricche e rallentano l'evoluzione del danneggiamento;
-cementazione, nitrurazione o tempra superficiale, per indurire (e quindi rinforzare) lo strato superficiale del pezzo senza infragilirne il cuore;
-rettifica o lappatura, per ridurre al minimo le rugosità superficiali.
E' inoltre necessario, in fase di progettazione di un componente che dovrà resistere a fatica, curare bene il disegno dello stesso in modo che non presenti intagli o brusche variazioni di sezione che possano amplificare localmente gli sforzi e in tal modo favorire la nucleazione di cricche di fatica.

Corrosione

I metalli puri si trovano ad un livello energetico maggiore di quello a cui stanno i corrispondenti minerali e tendono quindi, in determinate condizioni ambientali, a degradare, cioè a ricomporsi con altri elementi: questo processo è la corrosione. Esso si realizza secondo diversi meccanismi.

Corrosione intercristallina

Si manifesta ai bordi dei grani di una soluzione solida, in particolare dell'acciaio inossidabile austenitico o ferritico che sia stato sensibilizzato con un riscaldamento oltre i 500°C. In queste condizioni infatti si ha la precipitazione dei carburi di cromo, i quali, grazie all'alta temperatura, diffondono verso le zone distorte (i bordi dei grani), dove vi è una maggiore concentrazione di carbonio. Si crea così una situazione di bordi dei grani ricchi di carburi di cromo, che fungono da catodo, e di matrice circostante con Cr < 12%, non più passivata e quindi fungente da anodo: può così iniziare la corrosione a umido.
Una grana fine in questa situazione è controproducente, in quanto maggiore estensione dei bordi dei grani implica maggiore estensione delle zone sottoposte a corrosione.

Rugosità

La rugosità è una proprietà della superficie di un corpo, costituita da microimperfezioni geometriche normalmente presenti sulla superficie o anche risultanti da lavorazioni meccaniche; tali imperfezioni si presentano generalmente in forma di solchi o scalfitture, di forma, profondità e direzione variabile.

La rugosità di una superficie può essere misurata mediante strumenti denominati rugosimetri. Il procedimento di misura della rugosità consiste nella registrazione del profilo della superficie ottenuto lungo una determinata linea di misura (o di scansione); tale profilo viene poi analizzato definendo un parametro numerico che costituisce la misura della rugosità. Parte fondamentale del processo di calcolo dei vari parametri di rugosità è l'operazione di filtraggio che consente di ottenere una misura della sola qualità della superficie, depurata dagli effetti che gli errori di geometria del pezzo hanno sul profilo misurato.

La misura della rugosità Ra, espressa in micron, è il valore medio aritmetico degli scostamenti del profilo reale della superficie rispetto alla linea media. Tale misura è riferita ad una lunghezza di base l del profilo analizzato per evitare l'influenza di altri tipi di irregolarità.

Il valore Ra non è però sufficiente per definire completamente le caratteristiche morfologiche della superficie, in quanto profili dagli andamenti differenti da dallo stesso scostamento medio aritmentico preenteranno lo stesso valore di Ra; per tale motivo si sono introdotti altri paramenti, come Rq, media quadratica degli scostamenti dei punti del profilo dalla linea media; tale parametro, essendo una media quadratica è più sensibile ai bruschi scostamenti del profilo da un andamento regolare ed è in generale maggiore rispetto al valore Ra.

Ricottura

La ricottura di una lega metallica consiste nel riscaldamento a una temperatura inferiore a quella di fusione, seguito dalla permanenza di durata opportuna e da un lento raffreddamento. Deve conseguire uno o più dei seguenti obiettivi:

equilibrio chimico: riduzione delle segregazioni minori;
equilibrio strutturale: riduzione delle strutture o fasi metastabili;
equilibrio meccanico: riduzione delle tensioni interne, compreso l'incrudimento.

Viene utilizzata prevalentemente nel trattamento dell'acciaio e del rame per prepararlo alle fasi successive della lavorazione, rendendo il materiale più dolce e più omogeneo.
Tale trattamento consiste in un riscaldamento dell'acciaio sino ad una temperatura al di poco superiore della temperatura di austenizzazione. Il metallo sarà mantenuto a tale temperatura per un tempo sufficiente a trasformarlo completamente in austenite. Segue un lento raffreddamento in forno.

Tramite la ricottura viene alterata la microstruttura del materiale, causando mutamenti nelle sue proprietà quali la flessibilità e la durezza. Il risultato tipico è la rimozione dei difetti della struttura cristallina. Può avere anche lo scopo di uniformare la composizione chimica dell'acciaio, in tal caso il riscaldamento è eseguito ad una temperatura più elevata e per tempi più lunghi.

I processi che portano alle modifiche del reticolo cristallino durante la ricottura hanno ispirato la ricottura simulata (o simulated annealing) che è una metaeuristica simile agli algoritmi genetici.

Normalizzazione

La normalizzazione è un trattamento termico che consiste nel riscaldamento del materiale ad una temperatura poco superiore a quella di austenizzazione (Ac₃ + 50-70°C), nella permanenza per 15 minuti circa e nel raffreddamento in aria calma.

Tale processo è simile alla ricottura, ma in questo caso il raffreddamento è più rapido.

Generalmente si ottengono strutture simili a quelle di un materiale che ha subito la già citata ricottura, la perlite che si ottiene con la normalizzazione è però costituita da cristalli più minuti (a causa del raffreddamento più veloce). Ne consegue il miglioramento della resistenza e lo spostamento verso sinistra della transizione duttile - fragile.

Di solito tale processo è eseguito come ultima operazione; può costituire il rimedio a un surriscaldamento della grana, un metodo atto a ridurre la superficie dei giunti, utile quindi per pezzi sottoposti in esercizio ad alte temperature, o infine può attenuare l'estensione di bande stratificate di fasi differenti (struttura che rischia di sottolineare il comportamento della fase più debole).
Dovrebbe sempre essere effettuata su getti d'acciaio al carbonio e basso legati e su quelli già sottoposti a ricottura d'omogeneizzazione, per affinare la struttura grossolana.
É utile per annullare qualsiasi trattamento termico o meccanico (ad esempio tempra e incrudimento).
L'affinazione della grana che ne consegue è un'utile preparazione a successiva tempra e cementazione.

Per acciai da usare a basse temperature conviene la doppia normalizzazione: una prima a più alta temperatura per meglio omogeneizzare, una seconda a più bassa temperatura per affinare la grana.

Tempra

Il trattamento di tempra consiste in un brusco raffreddamento del metallo dopo averlo portato ad alta temperatura; così facendo, il numero di vacanze (e quindi di cluster, cioè raggruppamenti di difetti puntuali) che compete a tale temperatura è conservato a T ambiente: infatti l'elevata velocità di raffreddamento inibisce l'azione diffusiva atta al ripristino dell'equilibrio. Più in generale si può dire che la tempra, inibendo i processi diffusivi necessari alla stabilizzazione termodinamica, trasferisce a T ambiente uno stato termodinamicamente competente a T maggiore.
Un monocristallo così trattato ha resistenza meccanica maggiore rispetto al monocristallo raffreddato lentamente.

Grazie alla tempra, per esempio, si trasforma la struttura perlitica del ferro in martensitica: si porta il ferro da temprare a una temperatura di circa 50°C sopra quella di austenizzazione, segue poi un raffreddamento molto rapido fino a temperatura ambiente: non avendo così il tempo per diffondere, il carbonio rimane intrappolato all'interno della cella gamma, che si trasforma in cella alfa a temperatura ambiente; ciò fa si che si abbia una struttura tetraedrica che è appunto la struttura della tempra chiamata martensite.

Note. L'Acciaio con concentrazione di C superiore allo 0,3-0,5% presenta un alto livello di rischio di criccature. La presenza di elementi leganti rallenta la dissoluzione dei carburi durante l'austenitizzazione

. L'uso di acciai legati in organi sollecitati a fatica o a flessione può essere pericoloso per il rischio di criccature ed è quindi sconsigliato se non indinspensabile.