Invecchiamento del metallo, tipi, artificiale, naturale, come avviene e da cosa dipende

Invecchiamento dei metalli un processo piuttosto lento che provoca cambiamenti meccanici e alterazioni nelle proprietà fisiche e chimiche.

SU invecchiamento dei metalli è influenzato da una serie di fattori, tra cui:

• moto termico di atomi e molecole;
• impatto meccanico (vari carichi di flessione/compressione/strappo, ecc.);
• radiazioni luminose (in particolare radiazioni invisibili all'uomo);
• campo magnetico (magnetizzazione/smagnetizzazione), ecc.

L'essenza dell'invecchiamento dei metalli è il raggiungimento di uno stato di equilibrio, durante il quale le proprietà del metallo si discostano dalla norma. In particolare, il materiale può diventare più morbido, fragile, meno elastico, ecc.

Tipi di invecchiamento dei metalli

Si distingue tra invecchiamento naturale e artificiale.

L'invecchiamento artificiale del metallo consiste nel rapido raggiungimento della composizione e delle proprietà desiderate. L'invecchiamento artificiale si ottiene attraverso il trattamento termico e la deformazione plastica. Ad esempio, nella produzione del duralluminio, questo viene invecchiato artificialmente per diverse ore.

L'invecchiamento naturale avviene in modo naturale e non richiede condizioni aggiuntive. Tuttavia, il processo è più intenso con periodi di tempo più lunghi e temperature che si avvicinano ai 20 °C.

Applicazione dei processi di invecchiamento nella metallurgia e nella lavorazione dei metalli

L'invecchiamento, come trattamento aggiuntivo, viene utilizzato come fase finale. Viene applicato a determinati metalli e leghe in cui una soluzione solida sovrasatura può far precipitare i componenti in eccesso e decomporsi spontaneamente nel tempo. Questo metodo è particolarmente utile per preparare i materiali per la produzione di singoli componenti e parti per i quali il processo sopra descritto è fondamentale.

Dopo l'invecchiamento, la durezza e la resistenza del metallo aumentano, ma la sua viscosità e duttilità diminuiscono. Tuttavia, è importante notare che questi valori vengono mantenuti per tutta la durata di vita del materiale.

L'invecchiamento dell'acciaio viene eseguito per modificarne la struttura interna e viene applicato dopo la tempra. La soluzione solida di ferrite risultante, satura di azoto e carbonio, si decompone per riscaldamento. A seconda del volume di inclusioni di carbonio nel materiale "invecchiato", la struttura interna assume le seguenti forme:

• cubo;
• sferico;
• a forma di disco (sotto forma di lamine sottili);
• aghiforme.

Il trattamento termico (invecchiamento artificiale del metallo) viene applicato alle leghe in cui la solubilità di un elemento allo stato solido è significativamente ridotta. Questa proprietà diventa più pronunciata al diminuire della temperatura.

Negli acciai a basso contenuto di carbonio, non superiore a 0,05%, l'invecchiamento artificiale provoca la decomposizione della soluzione alfa solida sovrasatura. Di conseguenza, le fasi in eccesso precipitano. Dopo tale trattamento, la duttilità diminuisce, ma durezza e resistenza aumentano significativamente. Queste sono esattamente le qualità spesso richieste nel prodotto metallurgico finale.

Il modello di Orowan

La figura mostra il modello Orowan, che illustra chiaramente il movimento di dislocazione. L'effetto massimo può essere ottenuto attraverso l'invecchiamento naturale. Tuttavia, questo richiede una notevole quantità di tempo, il che non è né conveniente né pratico per una produzione continua e ad alto volume (non è come far riposare vino o cognac nelle botti). Pertanto, esistono metodi artificiali per accelerare questi processi naturali (è un peccato che non si possa fare lo stesso con il whisky). Tuttavia, vale la pena notare che l'invecchiamento artificiale ridurrà significativamente le proprietà di resistenza del materiale.

Durezza in base al tempo di invecchiamento

Il grafico riportato dimostra chiaramente il problema descritto sopra: ridurre il tempo di invecchiamento del metallo non ne aumenta le caratteristiche di resistenza.

Il processo di invecchiamento dipende in larga misura dal carbonio e dall'azoto. Ciò è particolarmente evidente negli acciai a basso tenore di carbonio. L'azoto si dissolve meno facilmente nella ghisa alfa al diminuire della temperatura. Ad esempio, a 590 °C, il contenuto di azoto disciolto è 0,11 TP3T, ma a 20 °C, il suo contenuto scende a 0,0041 TP3T. Durante l'invecchiamento, la soluzione alfa rilascia nitruri. Pertanto, l'effetto dell'azoto è meno pronunciato di quello del carbonio sotto l'influenza termica.

All'aumentare del contenuto di carbonio nell'acciaio, aumentano anche le alterazioni strutturali prodotte dal trattamento termico. La quantità massima di carbonio che può dissolversi nella ghisa alfa è 0,02-0,04%. Con questo contenuto, un prodotto temprato sottoposto a invecchiamento naturale presenta una durezza una volta e mezza maggiore rispetto a quella ottenuta dopo ricottura.

L'invecchiamento è il metodo principale per aumentare la resistenza delle leghe resistenti al calore (leghe ad alto contenuto di nichel). Questo gruppo include anche leghe a base di alluminio, rame e magnesio. Inoltre, la struttura alterata di questi metalli e leghe conferisce coercività.

L'alluminio e le leghe alluminio-rame subiscono degradazione a temperature diverse (superiori a 100 °C) a causa delle diverse temperature di decomposizione strutturale dei diversi metalli. Pertanto, si distingue tra decomposizione strutturale a bassa temperatura e ad alta temperatura.

La decomposizione di una soluzione solida avviene in due modi. Nel primo caso, la formazione e la crescita delle particelle di fase si verificano in tutto il volume. Nel secondo caso, la decomposizione è discontinua (cellulare). Durante questo processo, le cellule crescono in colonie. Le colonie hanno una struttura cellulare e la crescita avviene dal bordo del grano e si muove verso l'interno, diminuendo di dimensioni.

Invecchiamento meccanico e termico

Esistono due tipi di invecchiamento dei metalli: termico e meccanico. Analizziamoli più nel dettaglio.

Invecchiamento termico

La fase che rafforza il metallo durante il trattamento termico si verifica nel suo punto massimo. È qui che si forma la fase di soluzione metastabile nella zona di Guinier-Preston. Questo tipo di rafforzamento di metalli e leghe è comunemente noto come rafforzamento per dispersione.

Dipendenza della resistenza dal tempo e dalla temperatura di invecchiamento

Con un'esposizione prolungata, si verifica un invecchiamento eccessivo, che comporta una riduzione delle caratteristiche di resistenza. Questo è influenzato da:

• coagulazione;
• sostituzione parziale di particelle con particelle incoerenti.

Tipi di invecchiamento termico del metallo:

• In due fasi: spegnimento, successivo mantenimento alla temperatura di sostituzione e successivo mantenimento a temperatura elevata per ottenere l'omogeneità della soluzione solida.
• Tempra – tempra e una fase di mantenimento con raffreddamento naturale.
• Naturale - per le leghe di alluminio.
• Artificiale – per le leghe di metalli non ferrosi mediante riscaldamento a una temperatura superiore a quella utilizzata per la distruzione naturale.
• Stabilizzazione: l'elevata temperatura di invecchiamento e il lungo periodo di mantenimento contribuiscono a mantenere le dimensioni e le proprietà del pezzo.

Invecchiamento meccanico del metallo

La distruzione dell'acciaio dovuta a forze deformanti avviene nell'intervallo di temperatura inferiore a quello del processo di ricristallizzazione. Ciò è causato dalla formazione e dal movimento delle dislocazioni. La deformazione plastica a freddo aumenta la densità delle dislocazioni, che aumenta ulteriormente con l'aumentare dei carichi.

Le mutevoli proprietà meccaniche del metallo fanno sì che gli atomi di carbonio e azoto si muovano verso le dislocazioni situate nella soluzione alfa. Una volta raggiunte le dislocazioni, gli atomi formano delle nubi (atmosfere di Cottrell). Questi ammassi ostacolano il movimento delle dislocazioni, determinando una variazione delle proprietà. Compaiono le proprietà intrinseche dei componenti sottoposti a invecchiamento termico.

Mentre azoto, nichel e rame influenzano significativamente l'effetto di invecchiamento dovuto alla deformazione, l'aggiunta di vanadio, titanio e niobio elimina completamente questo effetto. Pertanto, si consiglia di utilizzare acciaio con un contenuto di alluminio compreso tra 0,02 e 0,07%.

Modalità consigliate per l'invecchiamento

Trattamento termico:

• per acciai ad alto tenore di carbonio: temperatura di circa 130°C-150°C, tempo di permanenza di circa 25-30 ore;
• per leghe di metalli non ferrosi: temperatura di circa 250°C, tempo di mantenimento di circa 1 ora.

Lavorazione della plastica:

• per un processo naturale: temperatura di circa 20°C;
• per flusso di processo artificiale: temperatura di circa 250°C, tempo di mantenimento di circa 1 ora.

La temperatura di riscaldamento e il tempo di mantenimento vengono selezionati individualmente per ogni grado di metallo e lega, in base alla loro composizione.