Risposte domande esami di metallurgia 1)Cosa sono le dislocazioni e cosa si verifica nei reticoli metallici in conseguenza del loro moto? Le dislocazioni sono discontinuità del reticolo che si formano durante la solidificazione e il trattamento termico oppure per effetto delle sollecitazioni meccaniche agenti sulla massa metallica. Quando viene applicato uno sforzo sul materiale, le dislocazioni si mettono in moto perché le molecole cercano di formare nuovi legami con altre molecole del reticolo cristallino e questo ne determina anche la deformabilità del metallo I meccanismi di rafforzamento dei materiali metallici. I meccanismi di rafforzamento del materiale sono : Alligazione, incrudimento, precipitazione e rafforzamento per affinamento. Il rafforzamento per soluzione solida (alligazione) si basa sui difetti di punto del reticolo cristallino. Quando aggiungo elementi di lega, le molecole di lega vanno a inserirsi nella parte del reticolo cristallino in cui manca la molecola del metallo di base, questo causa un ostacolamento del moto delle dislocazioni e di conseguenza maggior durezza. Il rafforzamento per incrudimento, si ottiene derformando in modo plastico a freddo, tramite lavorazioni come ad esempio la laminazione, estrusione, trafilatura, imbutitura e piegatura. Questo causa un diminuizione della dimensione dei grani del metallo, aumentandone durezza, carico unitario di snervamento e carico unitario di rottura. Però aumenta la deformabilità del metallo. Rafforzamento per precipitazione : si basa sulla distribuzione per precipitazione, sottoforma di particelle piccolissime di elementi di lega e per via della loro dimensione molto piccola, vanno a inserirsi nel reticolo cristallino e questo ne determina un rafforzamento del metallo per via delle particelle che ostacolano il moto delle dislocazioni. Affinamento del grano : u bordi grano sono il confine di demarcazione con una parte del materiale a stesso reticolo cristallino con una zona adiacente a diverso reticolo cristallino. Se voglio rafforzare il materiale, cerco di fare il grano del metallo il più fine possibile in questo modo le dislocazioni sono più ostacolate a muoversi perché se due grani hanno diverso orientamento del reticolo cristallino, fanno più fatica a muoversi. Quindi cerco di fare grani più piccoli possibili tramite processi termici, la formazione dei grani è causata dal fenomeno di nucleazione e accrescimento. Descrivere la prove di (trazione, durezza, resilienza). Descrivere le analogie e le differenze tra la prova di durezza Brinell e la prova di durezza Vickers La prova di trazione consiste nel determinare la risposta di un materiale metallico sottoposto ad una sollecitazione di trazione uni-assiale. Prendo un provino definito dalla normativa, applico una forza di trazione centrata sull'asse del provino e diagrammo i valori di sforzo (espresso in megapascal, dato che è una forza su una superficie) e deformazione (espresso in percentuale) su di un grafico, in questo modo ricavo le grandezze utili a scopi progettuali. La prova di durezza consiste nel determinare la resistenza di un corpo alla penetrazione di un corpo di durezza superiore e di definita geometria (penetratore) al quale si applica lentamente un carico in direzione perpendicolare alla superficie da esaminare. I metodi più diffusi sono : Durezza Brinell, Vickers e Rockwell. Nella prova Brinell prendo una sfera di acciaio molto duro e la schiaccio sul provino del materiale di cui voglio studiarne la durezza. Il parametro HB della brinell è pari alla F/S, dove f è la forza mentre la S è l'area dellla calotta sferica del penetratore. Dopo che ho eseguito la impronta, misuro la sua impronta tramite un macchinario. Dopo di che fisso un valore di C, che si tratta di una formula di carattere empirico pari a c=0.102*F/D^2 , che varia in base al tipo di metallo, in questo fisso l'angolo alfa, che non è troppo grande ne troppo piccolo. Dopo di che diagrammo, dove nelle ascisse metto la durezza HBW, nelle ordinate Rm che è pari a : 3-3,3 HB, che va bene solo per acciai al solo carbonio e acciai speciali. Nota bene : il tempo di prova dura 15 secondi, mentre Rm indica il carico unitario di rottura a trazione, sempre espresso in megapascal. Prova di durezza Vickers : ha tante analogie con Brinel, il penetratore in questo caso è un diamante sintetico a base quadrata, e il parametro è : HV = F/S, invece : HV=0.1891(F/d^2) espresso in megapascal. La differenza tra Vickers e Brinell è la durezza Vickers supera i limiti di Brinell, posso testare materiali molto duri, posso fare impronte molto piccole. Però ha un difetto : l'impronta è puntuale, cioè : se ho un materiale disomogeneo, trovo risultati diversi. Invecer Brinell con questo non succede, l'impronta è grande. La scala Vickers e Brinell si assomigliano : HB = 0.95 HV (all'incirca) Rm = (3-3.3)*HV (solo x acciai a carbonio e acciai speciali. La prova Rockwell. È completamente diversa dalle prove precedenti. Ho due scale : Rockwell B (HRB), Rockwell C (HRC). Io valuto la durezza tramite l'affondamento del penetratore, non come rapporto fra forza applicata e superficie di impronta. Non posso corellare HB e HV. Per eseguire la prova, il penetratore applica al provino un precarico, in seguito affonda in un tempo di 15 secondi, infine rilascia l'impronta, se uso la scala HRC diventa : HRC = 100- (h/0.002) dove h è l'affondamento, mentre per HRB: HRB = 130-(h/0.002) attenzione ! Io ho solo due cifre per la rockwell, esempio : Rm>700MPa (20-70HRC) Resilienza : è un tipo di prova (Charpy) dove testo la resilienza di un materiale, cioè quella di valutare la resistenza di un materiale ad un carico impulsivo, in questo modo vedo se un materiale ha un comportamento duttile o fragile. Utilizzo dei particolari tipi di provino con misure standardizzate dove al centro si trova una fessura profonda 5 mm con un particolare raggio di curvatura e angolo, in cui io con un macchinario a forma di pendolo, vado a colpire il centro di questa fessura e misuro quanta energia ha impiegato la mazza per rompere il provino tramite una equazione : KV = mgh1-mgh2, dove h1 è la posizione iniziale della mazza, mentre h2 è la posizione finale della mazza. KV si misura in joule. Di solito si usa fare un test con temperature al di sotto di quella ambiente perché è più facile rompere il provino ed è anche un modo per vedere quanta resilienza ha un materiale sottoposto a temperature fredde. Una volta che eseguo molte prove a temperature diverse, ottengo la curva di transizione. Dove a temperature più fredde ho un comportamento fragile, mentre a temperature più alte ho un comportamento tenace. Descrivere l’effetto dell’incremento della dimensione media del grano cristallino sulle proprietà di un acciaio Quando i grani di un metallo aumentano di dimensione (per via di trattamenti termici o per solidificazione ottenuta con legge di raffreddamento molto lenta) si ottengono grani più grandi perché do tempo alle molecole di unirsi tra di loro e questo ne deriva un aumento della dimensione del grano e ciò comporta un comportamento più tenace del metallo ma meno resistente. Descrivere il trattamento di (ricottura completa, normalizzazione, tempra) tutti questi tipi di trattamenti sono trattamenti termici che superano i punti critici (cioè sopra i 750 gradi) la ricottura consiste in un riscaldamento di tipo gradini o continuo in un forno caldo, in un tempo che varia tra un mezz'ora al pollice o 1mm al minuto si tiene un mantenimento di 50 / 70 gradi sopra a Ac3 (per acciai ipoeutettoidici), 50-70 gradi C sopra Ac1 (per acciai ipereutettoidici), ingrossamento del grano cristallino. Il raffreddamento avviene a velocità bassissima (circa 5-10 gradi all'ora), controllato in forno o in aria da 300-400 gradi. In questo modo ottengo una microstruttura di ferriteperlite (per acciai ipoeutettoidici) ; perlite-cementite (per acciai ipereutettoidici). In questo modo ottengo un acciaio duttile per essere lavorato meglio nei successivi processi. I vantaggi che ottengo sono : annullamento delle eterogeneità chimiche, microstrutturali, omogenizzazione e ricristallizzazione della microstruttura, grano cristallino grossolano ma avrò bassa durezza e tempi lunghi, cioè : costi elevati. Nella normalizzazione, cambia la legge di raffreddamento, doe avrò sempre una velocità di raffreddamento lenta (50-100 gradi al minuto), raffreddo in aria calma (aria del capannone), otterrò le seguenti microstrutture : -ferrite-perlite (acciai ipoeutettoidici) -perlite-cementite (acciai ipereutettoidici). Ottengo i seguenti benefici : -annullamento delle eterogeneità microstrutturali, ricristallizzazione della microstruttura, grano cristallino fine, limitata resistenza meccanica, medio/bassa durezza, discreta lavorabilità alle macchine utensili, costi contenuti e tempi brevi. Tempra : ho le stesse ipotesi di prima sia per riscaldamento che per mantenimento. Cambia la legge di raffreddamento, è molto veloce e ho un raffreddamento rapido (in acqua, olio o bagno di sali) come microstruttura otterrò : martensite (acciai ipoeutettoidici) martensite-cementite (acciai ipereutettoidici) e otterrò i seguenti benefici : -omogenizzazione della microstruttura (martensite), struttura cristallina molto fine, elevata resistenza meccanica e elevata durezza. Descrivere la prova Jominy. Oppure: Cos’è la temprabilità e come viene valutata? La prova jominy consiste nel determinare la temprabilità di un acciaio. La prova consiste nel prelevare un provino di forma cilindra di diametro 25mm e lunghezza 100mm, lo si riveste di un materiale ceramico per ridurre l'effetto ossidante dell'atmosfera), lo si mette in forno alla temperatura desiderata per 30 minuti e dopo averlo estratto dal forno, lo si mette immediatamente in un supporto forato dove nell'estremo libero, viene usato un getto d'acqua a temperatura ambiente, in questo modo, i punti vicino al getto d'acqua subiscono un raffreddamento drastico, gli altri punti subiscono una legge di raffreddamento più lenta. Dopo di che si rettifica asportando uno strato di spessore del cilindro molto sottile e si effettuano le prove di durezza (di solito si usa la Rockwell C, allontanandosi progressivamente dall'estremità temprata. Dopodiche si traccia il diagramma, sull'asse x metto la distanza dall'estremo temprato, mentre sull'asse y la durezza rockwell HRC. In quest modo è possibile determinare quale acciaio sia caratterizzato da maggior temprabilità. Nota bene : gli acciai che contengono più elementi di lega, sono più temprabili rispetto a quelli che contengono meno elementi di lega. Descrivere il fenomeno della fatica dei materiali metallici la fatica meccanica è un grave fenomeno di danneggiamento dei materiali metallici (alterazione irreversibile) indotto dall'effetto di sollecitazioni ripetute (cicliche, ma non solo) nel tempo. Poi disegna il diagramma dove sull'asse delle ascisse c'è il tempo mentre sull'asse y lo sforzo, con andamento sinusoidale fino a uno sforzo massimo e uno sforzo minimo. Quasi tutti i materiali e i componenti metallici quando entrano in esercizio lavorano a fatica. Un esempio di danneggiamento di un componente metallico dovuto a fatica può essere la frattura sia a livello macroscopico che microscopico, in poche parole si formano delle cricche. Bisogna fare molta attenzione perchè la fatica provoca una rottura prematura e senza preavviso dei componenti meccanici in esercizio. I componenti meccanici sottoposti a fatica possono essere : alberi, bielle, ruote dentate ed ingranaggi, molle e ammortizzatori, ruote e carrelli, cuscinetti, bombole, tubi, funi, eccetera.. Descrivere la corrosione elettrochimica dei materiali metallici La corrosione elettrochimica è un fenomeno fisico-chimico che si verifica quando due metalli (o lo stesso metallo), sono messi a contatto tramite un elettrolita (esempio : l'acqua) e si crea un collegamento elettrico dove c'è una parte di metallo che funge da catodo e l'altra funge da anodo, il flusso di elettroni si sposta dalla parte del potenziale più basso dalla parte dal potenziale elettrico più alto, ciò deriva dal fatto che si verifica una reazione chimica di ossido-riduzione dove una parte si ossida (acquista elettroni) mentre dall'altra perde elettroni (si riduce) e questa reazione chimica da come prodotto l'ossido del metallo, in poche parole l'ossido è la “ruggine”, è la corrosione.
