In che modo le strutture dei grani di titanio e acciaio inossidabile influiscono sulla formatura delle parti?

Si possono ottenere vantaggi scrutando uno strato più in profondità nella struttura del grano che governa il comportamento meccanico dell'acciaio inossidabile. Immagini Getty

La scelta dell’acciaio inossidabile e delle leghe di alluminio è spesso incentrata su resistenza, duttilità, allungamento e durezza. Queste proprietà indicano come si comportano gli elementi costitutivi di un metallo in risposta a un carico applicato. Sono metriche efficaci per gestire i limiti di una materia prima; vale a dire quanto si piegherà prima di rompersi. La materia prima deve poter resistere al processo di formatura senza rompersi.

Le prove distruttive di trazione e durezza possono essere un modo affidabile ed economico per determinare le proprietà meccaniche. Tuttavia, questi test non sono sempre così affidabili una volta che lo spessore della materia prima inizia a vincolare le dimensioni del provino. Le prove di trazione su un prodotto metallico piatto sono certamente ancora utili, ma si possono ottenere vantaggi scrutando uno strato più in profondità nella struttura del grano che ne governa il comportamento meccanico.

Il metallo è costituito da una serie di cristalli microscopici chiamati grani. Sono distribuiti in modo casuale in tutto il metallo. Gli atomi degli elementi di una lega, come ferro, cromo, nichel, manganese, silicio, carbonio, azoto, fosforo e zolfo nel caso dell'acciaio inossidabile austenitico, sono gli elementi costitutivi di un singolo grano. Questi atomi formano una soluzione solida di ioni metallici legati in un reticolo dai loro elettroni condivisi.

La composizione chimica di una lega dirige la disposizione termodinamicamente preferita degli atomi dei grani, chiamata struttura cristallina. Una sezione omogenea di metallo comprendente una struttura cristallina ripetitiva forma uno o più grani chiamati fase. Le proprietà meccaniche di una lega sono una funzione delle strutture cristalline nella lega. Anche la dimensione e la disposizione dei grani di ciascuna fase contribuiscono.

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Le fasi dell'acqua sono familiari ai più. Quando l'acqua liquida si congela, si trasforma in ghiaccio solido. Tuttavia, quando si tratta di metalli, non esiste una sola fase solida. Alcune famiglie di leghe prendono il nome dalle loro fasi. Nell'acciaio inossidabile, le leghe austenitiche della serie 300 sono costituite principalmente da austenite allo stato ricotto. Tuttavia, le leghe della serie 400 sono costituite da ferrite nell'acciaio inossidabile 430 o martensite nelle leghe di acciaio inossidabile 410 e 420.

Lo stesso vale per le leghe di titanio. I nomi di ciascun gruppo di leghe indicano la fase dominante a temperatura ambiente: alfa, beta o una miscela di entrambe. Esistono leghe alfa, quasi alfa, alfa-beta, beta e quasi beta.

Quando un metallo liquido solidifica, i grani solidi della fase termodinamicamente preferita precipiteranno dove la pressione, la temperatura e la composizione chimica lo consentono. Ciò di solito si verifica a livello di un'interfaccia, come fanno i cristalli di ghiaccio sulla superficie di uno stagno caldo in una giornata fredda. Quando un grano nuclea, la struttura cristallina cresce in un orientamento finché non incontra un altro grano. Poiché le strutture cristalline sono orientate diversamente, si forma un bordo di grano all'intersezione dei reticoli non corrispondenti. Immagina di mettere in una scatola un mucchio di cubi di Rubik di diverse dimensioni. Ogni cubo ha la disposizione a griglia quadrata, ma si sistemeranno tutti in orientamenti diversi e casuali. Un pezzo di metallo completamente solidificato è costituito da una serie di grani orientati apparentemente in modo casuale.

Ogni volta che si forma una grana, c'è la possibilità che si sviluppino difetti di linea. Questi difetti sono pezzi mancanti di una struttura cristallina nota come dislocazioni. Queste dislocazioni e il loro conseguente movimento attraverso il grano e attraverso i bordi del grano sono la base della duttilità del metallo.

Una sezione trasversale del pezzo viene montata, rettificata, lucidata e incisa per visualizzare la struttura delle venature. Quando è uniforme ed equiassica, una microstruttura vista al microscopio ottico assomiglia un po' ad un puzzle. In realtà, i grani sono tridimensionali e la sezione trasversale di ciascun grano avrà un aspetto diverso a seconda dell'orientamento della sezione trasversale del pezzo da lavorare.