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Proprietà e metallurgia delle Leghe
AREA I - ARTE TECNICO-SCIENTIFICA (ATS)
Cap. ATS-G08 - Proprietà metalli - Pag. ATS-G08.03
Gli argomenti trattati sono stati inseriti da Ing. Arch. Michele Cuzzoni nel 2009 - © Copyright 2007- 2024 - e sono desunti dalla documentazione indicata in Bibliografia a fondo pagina
Sono formate da un metallo , il Ferro ( simbolo Fe) e da un non metallo , il Carbonio ( simbolo C ) .
Sono chiamate anche leghe Ferro-Carbonio. In base al tenore di carbonio si dividono in :
- ACCIAIO: tenore carbonio %C da 0,06 a 2,06
- GHISA : tenore carbonio % C da 2,06 a 6,67
Dal latino carbo (carbone).
Elemento di simbolo C, di peso atomico 12,011; numero atomico 6 ; densità 2,26 g/cm3.
Esiste libero in natura sotto diverse forme allotropiche ( diamante e grafite), è il costituente principale del carbone ed è parte essenziale di tutti i composti organici, delle rocce calcaree e di tutti gli organismi viventi.
Se uno stesso elemento dà origine a cristalli diversi si parla di ALLOTROPIA.
Ad esempio il carbonio si trova sotto forma di diamante( struttura c f c ) o di grafite (struttura a strati).
Pressione e temperatura determinano le condizioni di stabilità di una fase o dell’altra.
Lega a base di ferro, contenente carbonio in quantità inferiore al 2%. In dipendenza dei trattamenti termici e della quantità di carbonio, quest’ultimo elemento può essere in soluzione solida o presente in una o più fasi secondarie. L’acciaio si può dividere in altre forme quali:
Leghe di Fe C con piccole aggiunte di altri elementi leganti (acciai alto-legati), ad esempio silicio (acciai calmati) e manganese.
Acciai contenenti, oltre al carbonio, altri elementi; come manganese, cromo, nichel, silicio, molibdeno, vanadio complessivamente in misura superiore al5%.
Gli equilibri tra le fasi sono ancora desumibili in base al diagramma di stato ferro-carbonio.
Acciai fortemente alligati (alto-legati) destinati a impieghi in cui è richiesta la resistenza alla corrosione e/o alla ossidazione.
In genere si tratta di leghe contenenti principalmente cromo o cromo più nichel. L’aggiunta di nichel consente di ottenere una struttura cristallina austenitica (cubica a facce centrate), stabile anche a temperatura ambiente, e una buona lavorabilità. Il cromo garantisce invece la resistenza alla corrosione.
Gli acciai inossidabili contenenti solo cromo come legante principale hanno struttura ferritica o martensitica.
Acciai con alte temperature di rinvenimento (anche superiori a 600 °C); in genere contengono elementi stabilizzanti dei carburi come Cr, Mn, Mo, V, W.
Lega ferro-carbonio, sufficientemente ricca in carbonio per produrre l’eutettico durante la solidificazione. In pratica è generalmente necessario più carbonio di quello che si può sciogliere nella austenite 1 (> 2%).
1 Fase del ferro, cubica a facce centrate. Nel caso delle leghe ferro-carbonio l’austenite è instabile al di sotto dei 723 °C, per cui si trasforma in ferrite e cementite.
L’aggiunta di alcuni leganti, ad esempio il nichel, può ampliare il campo di stabilità dell’austenite portandolo, per certe concentrazioni di legante, fino a temperatura ambiente.
Ghisa in cui il carbonio non è presente sotto forma di grafite, ma pressoché tutto come cementite. Tale risultato viene ottenuto o intervenendo sulla composizione (ad esempio mantenendo basso il contenuto di silicio) o aumentando la velocità di raffreddamento.
Ghisa contenente lamelle di grafite; la presenza di queste ultime impartisce il colore grigio alle superfici di frattura del materiale, da cui prende il nome questo tipo di ghisa.
Ghisa in cui Fe3C si decompone dopo solidificazione. Non sono presenti lamelle di grafite e il materiale è dotato di una certa duttilità. Sotto questo nome è nota una serie di prodotti siderurgici come la ghisa malleabile a cuore bianco (o ghisa europea), la ghisa malleabile a cuore nero (o ghisa americana), la ghisa malleabile perlitica.
Ghisa nella quale si formano noduli sferiformi di grafite durante la solidificazione. Per le sue proprietà è anche definita ferro duttile. La struttura di queste ghise è dovuta alla presenza di magnesio.
L’importanza storica delle leghe di rame risulta chiaramente dall’impulso che il bronzo, lega Cu-Sn, ha impresso alla civilizzazione nell’età del bronzo. Probabilmente, senza l’intervento concorrenziale del ferro, al bronzo sarebbe poi succeduto l’ottone, lega Cu-Zn.
Le leghe di rame anno due applicazioni principali:
1) come metalli resistenti alla corrosione;
2) come materiali adatti alla conduzione elettrica.
Nel primo i bronzi, ancora una volta, svolgono ed hanno svolto un ruolo importante soprattutto in ambiente marino; è invece recente lo sviluppo, per gli stessi scopi,
delle leghe Cu-Ni.Nel secondo caso è invece sempre preferibile il rame puro in quanto tutti i possibili leganti intervengono in senso negativo sulla conducibilità elettrica.
Le leghe di rame non presentano la possibilità degli acciai, per quanto riguarda l’introduzione di modifiche strutturali ottenibili con trattamenti termici.
L’unica eccezione è costituita dai bronzi al berillio(Cu + Be dal 2 al 6%) che presentano nel diagramma di stato un eutettoide2 simile a quello del sistema Fe-C. Le leghe di rame presentano quindi la possibilità di veder miglioratele loro caratteristiche meccaniche esclusivamente con un opportuno dosaggio degli leganti o con l’incrudimento3.
Le leghe di rame si presentano in genere monofasiche, con un reticolo fcc proprio del rame.
2 :Una miscela di fasi la cui composizione è determinata attraverso il punto eutettico nella regione del solido visibile attraverso un diagramma di equilibrio. Il punto eutettico in un diagramma di equilibrio per una soluzione solida è il punto nel quale la soluzione sotto raffreddamento viene convertita a una miscela di solidi.
3:Aumento della resistenza meccanica di un metallo in seguito a una deformazione plastica.
Lega di rame e alluminio max 12% di Al. Molto resistente a corrosione e a sollecitazioni meccaniche, usato per produrre stampi delle materie plastiche, tubazioni, pompe.
Lega di rame, zinco e nichel. Fino al 30% di nichel e il 20% di zinco. Si producono chiavi, parti di macchine fotografiche e contatti elettrici.
Lega metallica costituita da Cu e Zn con Zn minore o uguale al 50%, ma possono contenere anche altri metalli in lega.
COLORI: rosso rame a basso tenore di zinco, giallo oro freddo ad alto tenore di zinco, giallo oro caldo ad un medio tenore di zinco.
L’ottone che contiene il 67% di rame si chiama TOMBACCO ( ottone rosso ) o similoro.
L’ottone si ottiene per fusione e successivo raffreddamento di Cu,Zn, Pb ed eventuali tracce di Sn.
L’ottone viene aggiunto per migliorare la piallabilità e quindi la lavorazione con macchine.
In commercio gli ottoni si trovano sotto forma di pani,getti, lastre, lamiere, nastri, tubi, fili e molle.
Lo stagno entra nella composizione di numerose leghe a basso punto di fusione impiegate nella saldatura di metalli, in circuiti elettrici, in sistemi di allarme antincendio e nelle leghe antifrizione (a base di stagno, rame, antimonio oppure alluminio) usate soprattutto nell'industria automobilistica.
La lega dello stagno con il 5% di antimonio viene impiegata per giunzioni di tipo meccanico (tubi di rame, per esempio nei circuiti frigoriferi), per connessioni in apparecchiature elettriche (migliore conducibilità, rispetto allo stagno-piombo) e per giunti a contatto con alimenti (scatolame).
La lega con 4-5% di argento è usata nelle connessioni di strumenti di misura, dove è richiesta una buona conducibilità elettrica.
La brasatura dell'alluminio e delle sue leghe impiega formulazioni che contengono zinco (a partire dal 9%) oppure iridio (dal 12 a oltre il 50%), con eventuale aggiunta di piombo quando le giunzioni devono resistere alle basse temperature; queste ultime leghe sono usate anche per giunzioni metallo-vetro e metallo-ceramica.
Nella fabbricazione di oggetti ornamentali viene usato, quale sostituto economico dell'argento, il peltro, una lega di stagno con 1-8% di antimonio e 0,25% di rame, preferibilmente senza piombo (meno dello 0,5%) perché rende opaco il metallo ed è tossico.
La lega dello stagno con piccole quantità di rame (meno dell’1%) viene impiegata per tubetti metallici deformabili.
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