Quattro modi per rafforzare i materiali metallici

L'irrobustimento dei materiali metallici è un processo volto a migliorare la resistenza e la durezza dei metalli attraverso una serie di processi e metodi. Questi meccanismi di irrobustimento si basano sulla microstruttura e sulle proprietà dei metalli e si ottengono regolandole.

I principali utilizzi dell'irrobustimento dei materiali metallici sono i seguenti:

1. Miglioramento delle proprietà meccaniche: attraverso il trattamento di irrobustimento, aumentano la resistenza e la durezza dei materiali metallici, migliorandone direttamente la durata e l'affidabilità nelle applicazioni.
2. Ottimizzazione delle prestazioni dei prodotti: diverse tecnologie di irrobustimento possono ottimizzare le prestazioni dei materiali in varie applicazioni industriali, come l'aerospazio, la produzione automobilistica e le apparecchiature meccaniche ad alte prestazioni.
3. Aumento della sicurezza: nelle parti soggette a concentrazione delle tensioni o a sovraccarico, l'irrobustimento dei materiali può impedire ulteriori deformazioni, migliorando così la sicurezza durante l'uso.
4. Promozione dello sviluppo industriale: lo sviluppo e l'applicazione delle tecnologie di irrobustimento non solo favoriscono il progresso della scienza dei materiali, ma forniscono anche una solida base per diverse applicazioni industriali.
5. Miglioramento del valore economico: migliorando le prestazioni e l'affidabilità dei materiali, le tecnologie di irrobustimento contribuiscono a ridurre i costi di manutenzione e ad aumentare l'efficienza produttiva, generando così vantaggi economici.

Irrobustimento per soluzione solida

1. Definizione Il fenomeno per cui gli elementi di lega si dissolvono nel metallo base provocando un certo grado di distorsione del reticolo e migliorando così la resistenza della lega.
2. Principio Gli atomi di soluto disciolti nella soluzione solida provocano una distorsione del reticolo, aumentando la resistenza al movimento delle dislocazioni e rendendo più difficile lo scorrimento, con conseguente aumento della resistenza e della durezza della soluzione solida della lega. Questo fenomeno, mediante il quale un metallo viene irrobustito dissolvendo un determinato elemento di soluto per formare una soluzione solida, è chiamato irrobustimento per soluzione solida. Quando la concentrazione degli atomi di soluto è adeguata, la resistenza e la durezza del materiale possono aumentare, mentre la tenacità e la plasticità diminuiscono.
3. Fattori d'influenza Maggiore è la frazione atomica degli atomi di soluto, maggiore è l'effetto di irrobustimento; in particolare, quando la frazione atomica è molto bassa, l'effetto di irrobustimento è più significativo. Maggiore è la differenza nelle dimensioni atomiche tra gli atomi di soluto e il metallo della matrice, maggiore è l'effetto di irrobustimento. Gli atomi di soluto interstiziali hanno un effetto di irrobustimento per soluzione solida maggiore rispetto agli atomi sostituzionali e, poiché la distorsione del reticolo causata dagli atomi interstiziali nei cristalli cubici a corpo centrato è asimmetrica, il loro effetto di irrobustimento è maggiore rispetto a quello nei cristalli cubici a facce centrate; tuttavia, la solubilità solida degli atomi interstiziali è molto limitata, quindi anche l'effetto effettivo di irrobustimento è limitato. Maggiore è la differenza tra il numero di elettroni di valenza degli atomi di soluto e quello del metallo della matrice, più evidente è l'effetto di irrobustimento per soluzione solida; in altre parole, il carico di snervamento della soluzione solida aumenta all'aumentare della concentrazione di elettroni di valenza.
4. Il grado di irrobustimento per soluzione solida dipende principalmente dai seguenti fattori: la differenza dimensionale tra gli atomi della matrice e gli atomi di soluto. Maggiore è la differenza dimensionale, maggiore è la perturbazione della struttura cristallina originale e più difficile è lo scorrimento delle dislocazioni. La quantità di elementi di lega. Più elementi di lega vengono aggiunti, maggiore è l'effetto di irrobustimento. Se vengono aggiunti troppi atomi troppo grandi o troppo piccoli, la solubilità viene superata. Ciò coinvolge un altro meccanismo di irrobustimento, ovvero l'irrobustimento per fase dispersa. Gli atomi di soluto interstiziali hanno un effetto di irrobustimento per soluzione solida maggiore rispetto agli atomi sostituzionali. Maggiore è la differenza tra il numero di elettroni di valenza degli atomi di soluto e quello del metallo della matrice, più significativo è l'effetto di irrobustimento per soluzione solida.
5. Effetti Il carico di snervamento, la resistenza a trazione e la durezza sono maggiori rispetto ai metalli puri; nella maggior parte dei casi, la duttilità è inferiore rispetto ai metalli puri; la conducibilità è molto inferiore rispetto ai metalli puri; la resistenza al creep, ovvero la perdita di resistenza alle alte temperature, può essere migliorata mediante l'irrobustimento per soluzione solida.

Incrudimento

1. Definizione All'aumentare del grado di deformazione a freddo, aumentano la resistenza e la durezza dei materiali metallici, mentre diminuiscono la plasticità e la tenacità.
2. Introduzione Il fenomeno per cui la resistenza e la durezza dei materiali metallici aumentano, mentre la plasticità e la tenacità diminuiscono, quando essi vengono deformati plasticamente al di sotto della temperatura di ricristallizzazione. È chiamato anche incrudimento a freddo. Ciò avviene perché, quando i metalli vengono deformati plasticamente, i grani scorrono, le dislocazioni si intrecciano, i grani si allungano, si frammentano e assumono una struttura fibrosa, mentre all'interno del metallo si generano tensioni residue. Il grado di incrudimento è generalmente espresso dal rapporto tra la microdurezza dello strato superficiale prima e dopo la lavorazione e dalla profondità dello strato incrudito.
3. Spiegazione dal punto di vista della teoria delle dislocazioni

(1) Si verificano intersezioni tra le dislocazioni e i gradini prodotti ostacolano il movimento delle dislocazioni;

(2) Si verificano reazioni tra le dislocazioni e le dislocazioni fisse che si formano ostacolano il movimento delle dislocazioni;

(3) Le dislocazioni si moltiplicano e l'aumento della densità delle dislocazioni accresce ulteriormente la resistenza al loro movimento.

4. Svantaggi L'incrudimento rende difficile la lavorazione successiva delle parti metalliche. Ad esempio, nel processo di laminazione a freddo delle lamiere d'acciaio, le lamiere diventano sempre più dure fino a non poter più essere laminate. Pertanto, durante la lavorazione è necessario prevedere una ricottura intermedia per eliminare l'incrudimento mediante riscaldamento. Un altro esempio è rappresentato dal processo di taglio, durante il quale la superficie del pezzo diventa fragile e dura, accelerando così l'usura dell'utensile e aumentando la forza di taglio.
5. Vantaggi Può migliorare la resistenza, la durezza e la resistenza all'usura dei metalli, soprattutto dei metalli puri e di alcune leghe che non possono essere migliorati mediante trattamento termico. Ad esempio, il filo d'acciaio ad alta resistenza trafilato a freddo e le molle laminate a freddo sfruttano la deformazione a freddo per migliorarne la resistenza e il limite elastico. Anche i cingoli dei carri armati e dei trattori, le ganasce dei frantoi e gli scambi ferroviari sfruttano l'incrudimento per migliorarne la durezza e la resistenza all'usura.
6. Ruolo nell'ingegneria meccanica Attraverso processi quali la trafilatura a freddo, la laminazione e la pallinatura (vedere irrobustimento superficiale), è possibile migliorare significativamente la resistenza superficiale dei materiali metallici, delle parti e dei componenti; dopo che le parti sono state sottoposte a una forza, la tensione locale in alcune zone spesso supera il limite di snervamento del materiale, provocando una deformazione plastica. Poiché l'incrudimento limita l'ulteriore sviluppo della deformazione plastica, è possibile migliorare la sicurezza delle parti e dei componenti; quando le parti o i componenti metallici vengono stampati, la loro deformazione plastica è accompagnata da irrobustimento, così che la deformazione venga trasferita alle parti circostanti non incrudite. Dopo tali azioni alternate ripetute, è possibile ottenere parti stampate a freddo con deformazione uniforme della sezione trasversale; è possibile migliorare la lavorabilità al taglio degli acciai a basso tenore di carbonio, facilitando la separazione dei trucioli. Tuttavia, l'incrudimento comporta anche difficoltà nella lavorazione successiva delle parti metalliche. Ad esempio, nel filo d'acciaio trafilato a freddo, a causa dell'incrudimento, un'ulteriore trafilatura richiede molta energia e il filo può persino rompersi; pertanto, prima della trafilatura è necessario eseguire una ricottura intermedia per eliminare l'incrudimento. Un altro esempio si verifica nella lavorazione per asportazione di truciolo: per rendere fragile e dura la superficie del pezzo, la forza di taglio aumenta durante il taglio e l'usura dell'utensile accelera.

Irrobustimento per affinamento del grano

1. Definizione Il metodo per migliorare le proprietà meccaniche dei materiali metallici affinando i grani è chiamato irrobustimento per affinamento del grano. Nell'industria, l'affinamento del grano viene utilizzato per migliorare la resistenza dei materiali.
2. Principio I metalli sono generalmente policristallini e composti da numerosi grani. La dimensione dei grani può essere espressa dal numero di grani per unità di volume. Maggiore è il numero, più fini sono i grani. Gli esperimenti dimostrano che, a temperatura ambiente, i metalli a grano fine presentano resistenza, durezza, plasticità e tenacità superiori rispetto ai metalli a grano grosso. Questo perché la deformazione plastica dei grani fini sotto l'azione di forze esterne può distribuirsi in un numero maggiore di grani; la deformazione plastica è più uniforme e la concentrazione delle tensioni è minore. Inoltre, più fini sono i grani, maggiore è l'area dei bordi di grano, più tortuosi sono i bordi di grano e meno è favorita la propagazione delle cricche. Pertanto, nell'industria, il metodo per migliorare la resistenza dei materiali affinando i grani è chiamato irrobustimento per affinamento del grano.
3. Effetto Più fini sono i grani, minore è il numero di dislocazioni (n) nel gruppo di dislocazioni. Secondo τ=nτ0, la concentrazione delle tensioni è minore e quindi la resistenza del materiale è maggiore. Secondo la legge dell'irrobustimento per affinamento del grano, maggiore è il numero di bordi di grano, più fini sono i grani. Secondo la relazione di Hall-Petch, minore è il valore medio della dimensione dei grani (d), maggiore è il carico di snervamento del materiale.
4. Metodi per l'affinamento del grano Aumentare il grado di sottoraffreddamento; modifica; vibrazione e agitazione; per i metalli deformati a freddo, i grani possono essere affinati controllando il grado di deformazione e la temperatura di ricottura.

Irrobustimento per seconda fase

1. Definizione Rispetto alle leghe monofase, le leghe polifase presentano una seconda fase oltre alla fase di matrice. Quando la seconda fase è distribuita uniformemente nella fase di matrice sotto forma di particelle finemente disperse, produce un significativo effetto di irrobustimento. Questo effetto di irrobustimento è chiamato irrobustimento per seconda fase.
2. Classificazione Per quanto riguarda il movimento delle dislocazioni, la seconda fase contenuta nella lega presenta i due casi seguenti: (1) effetto di irrobustimento delle particelle non deformabili (meccanismo di bypass).(2) effetto di irrobustimento delle particelle deformabili (meccanismo di taglio). L'irrobustimento per dispersione e l'irrobustimento per precipitazione sono entrambi casi particolari dell'irrobustimento per seconda fase.

3. Effetto Il motivo principale dell'irrobustimento per seconda fase è l'interazione tra queste particelle e le dislocazioni, che ostacola il movimento delle dislocazioni e aumenta la resistenza alla deformazione della lega. Riepilogo

I fattori più importanti che influenzano la resistenza sono la composizione, la struttura e lo stato superficiale del materiale stesso; seguono lo stato tensionale, come la velocità di applicazione della forza, il metodo di carico, il fatto che si tratti di una semplice trazione o di una forza ripetuta, che determineranno resistenze diverse; inoltre, anche la geometria e le dimensioni del provino e il mezzo di prova esercitano una grande influenza, talvolta persino decisiva, come nel caso della resistenza a trazione dell'acciaio ad altissima resistenza in un'atmosfera di idrogeno, che può diminuire esponenzialmente.

Esistono solo due modi per irrobustire i materiali metallici. Il primo consiste nell'aumentare la forza di legame interatomico della lega, migliorarne la resistenza teorica e produrre cristalli perfetti privi di difetti, come i whisker. È noto che la resistenza dei whisker di ferro è vicina al valore teorico. Si può ritenere che ciò dipenda dal fatto che nei whisker non sono presenti dislocazioni, oppure che siano presenti solo poche dislocazioni incapaci di moltiplicarsi durante la deformazione. Purtroppo, quando il diametro dei whisker aumenta, la resistenza diminuisce bruscamente.

L'altro metodo di irrobustimento consiste nell'introdurre nel cristallo un gran numero di difetti cristallini, come dislocazioni, difetti puntuali, atomi eterogenei, bordi di grano, particelle altamente disperse o disomogeneità (come la segregazione). Questi difetti ostacolano il movimento delle dislocazioni e possono anche aumentare significativamente la resistenza del metallo. I fatti hanno dimostrato che questo è il metodo più efficace per aumentare la resistenza dei metalli. Per i materiali ingegneristici, in genere, si ottengono prestazioni complessive migliori attraverso effetti combinati di irrobustimento.