Appendice: Indurimento per lavorazione a freddo

Le proprietà di un materiale dipendono dalla sua struttura e la struttura, per ogni data composizione chimica, dipende dalla temperatura a cui è stato fuso il metallo, dalla velocità di raffreddamento, dal metodo di contenimento durante la solidificazione e dalle lavorazioni successive al processo di solidificazione.

La principale lavorazione del rame per terminali elettrici è data dalla laminazione a freddo, seguita generalmente da una ricottura che  è un trattamento termico, effettuato su un materiale incrudito, per ridurre o eliminare le tensioni residue, rendendolo, grazie al riassetto, alla ricristallizzazione e alla crescita del grano, più dolce e più omogeneo. Il meccanismo di indurimento e rafforzamento della lega, dovuto a laminazione a freddo, è determinato dall'aumento della densità di dislocazioni che conduce ad una diminuzione delle dimensioni della grana cristallina. Nei metalli più pesantemente deformati, la ricristallizzazione avviene a più basse temperature rispetto a quelli meno deformati. Per cui, i grani risultano più piccoli e più uniformi quando il metallo da ricristallizzare risulta molto deformato. La grandezza del grano, quindi, si controlla attraverso lavorazioni a freddo e ricottura. Una grana fine è favorita da grandi incrudimenti e ricotture veloci e brevi; mentre una grana grossa si ottiene normalmente con modesti incrudimenti e lunghi tempi di ricottura.

Le proprietà di un metallo dipendono fortemente dalla grandezza dei grani:

(Eccezione: quando lo spessore è dell'ordine di grandezza dei grani all'aumento delle dimensioni diminuisce anche la duttilità)

Si possono eseguire diversi gradi di ricottura e di laminazioni a freddo che producono differenti stati metallurgici (in inglese: temper) delle leghe. Le foto sotto mostrano come aumentando il tenore di deformazione per laminazione diminuiscano notevolmente le dimensioni dei grani.

I dati della tabella seguente si riferiscono a lega C26000 (ottone per cartucce) di una lamina di 1 mm di spessore e 5 cm di lunghezza.

Grado di  ricottura laminazione

Allungamento a rottura [%]

Resistenza a trazione [Mpa]

Resistenza a snervamento [Mpa]

Ricotto 0,070mm

65

320

100

Ricotto 0,050mm

62

330

105

Ricotto 0,035mm

57

340

120

Ricotto 0,025mm

54

355

130

Ricotto 0,015mm

50

365

150

H01

43

370

280

H02

23

430

350

H04

8

530

420

H05

5

600

430

H06

3

650

430

 

Esiste una relazione tra la dimensione dei grani e la resistenza a snervamento, questa relazione è rappresentata dall'equazioni di  Hall-Petch che evidenzia come a temperature inferiori a quella di ricristallizzazione, un metallo a grana fine è più resistente di uno a grana grossa. La relazione é:

 

 

σs: Tensione di snervamento; σ0 , ky: costanti funzione del materiale; d: dimensione del grano.

Il grafico sotto mostra la validità della relazione di Hall-Petch per i dati sullo stato ricotto presenti nella tabella più in alto.

Il fatto di avere grana più piccola incide sulle proprietà meccaniche, poiché riduce lo spazio in cui le dislocazioni possono muoversi. Questo provoca una maggiore resistenza al flusso plastico che porta a minore deformabilità, e quindi più difficile lavorabilità, ma a maggiori resistenze a trazione e a snervamento.

La lavorazione a freddo diminuisce poco la conducibilità elettrica al massimo un 3% IACS e la perdita di conducibili è proporzionale al grado di deformazione.

 

 

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