Lavorazione dei Metalli
In questo articolo, verranno discussi il trattamento termico e la lavorazione dei metalli. La lavorazione dei metalli può essere considerata come processi metallurgici che modificano le proprietà dei metalli.
Trattamento Termico
Il trattamento termico di grandi componenti in acciaio al carbonio viene eseguito per sfruttare i difetti cristallini e i loro effetti, ottenendo così determinate proprietà o condizioni desiderabili.
Durante la produzione, variando la velocità di raffreddamento (tempra) del metallo, si controllano la dimensione e i modelli dei grani. Le caratteristiche dei grani sono controllate per produrre diversi livelli di durezza e resistenza alla trazione. Generalmente, più velocemente un metallo viene raffreddato, più piccole saranno le dimensioni dei grani. Questo renderà il metallo più duro. Con l'aumento della durezza e della resistenza alla trazione nell'acciaio trattato termicamente, diminuiscono la tenacità e la duttilità.
La velocità di raffreddamento utilizzata nella tempra dipende dal metodo di raffreddamento e dalla dimensione del metallo. Un raffreddamento uniforme è importante per prevenire deformazioni. Tipicamente, i componenti in acciaio vengono temprati in olio, acqua o un'emulsione dei due.
La saldatura può indurre tensioni interne che rimarranno nel materiale dopo il completamento della saldatura. Negli acciai inossidabili, come il tipo 304, il reticolo cristallino è cubico a facce centrate (austenite). Durante la saldatura ad alta temperatura, alcuni metalli circostanti possono essere elevati tra 500°F (260°C) e 1000°F (537°C). In questa regione di temperatura, l'austenite si trasforma in una struttura reticolare cubica a corpo centrato (bainite). Quando il metallo si è raffreddato, le regioni circostanti la saldatura contengono un po' di austenite originale e un po' di bainite appena formata. Si presenta un problema perché il "fattore di impacchettamento" (PF = volume degli atomi/volume della cella unitaria) non è lo stesso per i cristalli FCC e BCC.
La bainite che si è formata occupa più spazio rispetto al reticolo di austenite originale. Questo allungamento del materiale causa tensioni residue di compressione e trazione nel materiale. Le tensioni da saldatura possono essere minimizzate utilizzando la saldatura con dissipatore di calore, che risulta in temperature del metallo più basse, o tramite ricottura.
La ricottura è un altro comune processo di trattamento termico per componenti in acciaio al carbonio. Durante la ricottura, il componente viene riscaldato lentamente a una temperatura elevata e mantenuto lì per un lungo periodo di tempo, quindi raffreddato. Il processo di ricottura viene eseguito per ottenere i seguenti effetti:
a. Per ammorbidire l'acciaio e migliorare la duttilità.
b. Per alleviare le tensioni interne causate da processi precedenti come trattamento termico, saldatura o lavorazione.
c. Per raffinare la struttura dei grani.
Lavorazione a Freddo e a Caldo
La deformazione plastica che viene eseguita in una regione di temperatura e su un intervallo di tempo tale che l'indurimento da deformazione non viene alleviato, è chiamata lavorazione a freddo. È stata ottenuta una notevole conoscenza sulla struttura dello stato lavorato a freddo. Nei primi stadi della deformazione plastica, lo scorrimento avviene essenzialmente sui piani di scorrimento primari e le dislocazioni formano array coplanari. Man mano che la deformazione procede, si verifica lo scorrimento incrociato. La struttura lavorata a freddo forma regioni ad alta densità di dislocazioni che presto si sviluppano in reti. La dimensione dei grani diminuisce con la deformazione a bassa deformazione ma presto raggiunge una dimensione fissa. La lavorazione a freddo diminuisce la duttilità.
La lavorazione a caldo si riferisce al processo in cui i metalli vengono deformati al di sopra della loro temperatura di ricristallizzazione e l'indurimento da deformazione non si verifica. La lavorazione a caldo viene solitamente eseguita a temperature elevate. Tuttavia, il piombo viene lavorato a caldo a temperatura ambiente a causa della sua bassa temperatura di fusione. All'estremo opposto, il molibdeno viene lavorato a freddo anche a temperature relativamente alte a causa della sua alta temperatura di ricristallizzazione.
La resistenza dei metalli alla deformazione plastica generalmente si riduce a temperature più elevate. Per questo motivo, sezioni massicce più grandi vengono sempre lavorate a caldo tramite forgiatura, laminazione o estrusione.
Riepilogo
Le informazioni importanti in questa sezione sono riassunte di seguito:
Riepilogo degli Effetti del Trattamento Termico sulle Proprietà dei Metalli
- Tempra
Variando la velocità di raffreddamento (tempra) del metallo si controllano la dimensione e i modelli dei grani.
Le caratteristiche dei grani sono controllate per produrre diversi livelli di durezza e resistenza alla trazione.
La durezza e la resistenza alla trazione aumentano nell'acciaio trattato termicamente; la tenacità e la duttilità diminuiscono. - Saldatura
Produce tensioni residue di compressione e trazione.
Le tensioni sono minimizzate utilizzando la saldatura con dissipatore di calore e la ricottura. - Ricottura
Ammorbidisce l'acciaio e migliora la duttilità.
Allevia le tensioni interne causate da processi precedenti.
Raffina la struttura dei grani.