Attività di Laboratorio
Conduzione del Trattamento
Lo scopo
di quest’esercitazione quella di effettuare un trattamento termico di
solubilizzazione e invecchiamento su di una lega di Alluminio. Il materiale da trattare
è la lega commerciale 7020 contenente circa il 4,3% di Zinco e l’1,2% di
Magnesio, addizionata di una piccola quantità di Scandio (circa lo 0,4%).
Questa lega possiede un punto di liquidus di 635°C e una di solidus di 477°C.
Il
materiale da testare è pervenuto sotto forma di tubo (diametro 36mm, spessore
2mm), che è stato tagliato in 12 sezioni della lunghezza di circa 3cm. Ciascuna
sezione è stata numerata per rendere possibile l’identificazione dei vari
provini durante il decorso dei trattamenti. La fase iniziale del trattamento
termico prevede una ricottura di solubilizzazione a 460°C; per un errore di
taratura del forno utilizzato nel trattamento in realtà la temperatura della
camera si è attestata a 550°C, producendo degli effetti indesiderati. Infatti,
sulla superficie dei provini, soprattutto quella esterna, si sono evidenziate
delle bolle.
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Figura 1. Campione dopo Tempra |
Le dimensioni di questi difetti sono omogenee,
con spessore di qualche decimo di millimetro e lunghezza di 2mm al massimo. La
maggior parte dei blisters si è aperto verso l’esterno, rendendo localmente
cedevole lo strato di metallo più esterna.
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Figura 2. Sezione trasversale di un provino in prossimità della superficie esterna. Ingrandimento 200X. |
Da un’analisi successiva si è notato
che questi difetti si concentrano nella zona superficiale compresa tra la zona
più esterna, a microstruttura compatta, e quella leggermente più interna, con
microstruttura molto regolare. Questa differenza nella differenza di
microstruttura è dovuta alla lavorazione per deformazione plastica –
estrusione/trafilatura – che il manufatto ha subito, producendo un’orientazione
preferenziale dei grani cristallini in senso longitudinale.
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Figura 3. Sezione Longitudinale. Ingrandimento
200X. |
Il trattamento di solubilizzazione ha
avuto una durata di 3h, al termine delle quali i provini sono stati estratti
dal forno e immediatamente temprati in acqua a temperatura ambiente.
In seguito tutti i provini sono stati
posti in un Dewar con Azoto liquido per realizzare un trattamento criogenico. I
meccanismi e i vantaggi di tali trattamenti a bassa temperatura non sono ancora
ben compresi; la permanenza a temperature prossime allo zero assoluto ha come
effetto principale la generazione di una microstruttura molto fine, densa e
compatta, con indiscutibili vantaggi sulla resistenza all’usura e
all’abrasione. La durezza dei provini dopo tale trattamento è rimasta simile a
quella mostrata nei momenti successivi alla tempra; ciò potrebbe significare
che il trattamento non ha avuto successo, anche se, per verificare i
cambiamenti microstrutturali previsti, sarebbe stata migliore un’indagine
tramite SEM o TEM. Sicuramente, alla temperatura di 88K, nessun processo di
invecchiamento naturale ha avuto inizio.
All’esaurimento dell’Azoto liquido, i
provini sono stati posti in forno per il trattamento di invecchiamento
artificiale, costituito da 2 fasi. Una prima alla temperatura di 90°C per
15ore, e una successiva alla temperatura di 160°C per un tempo variabile. La seconda
fase ha avuto una durata di circa due settimane, nelle quali i provini sono
stati estratti dal forno a determinati intervalli temporali; dopo ogni
estrazione è stata misurata la durezza Brinell dei provini e quindi rimessi
subito in forno per la continuazione del trattamento termico.
Prove di Durezza Brinell
Nel primo giorno di invecchiamento la
misura della durezza è stata effettuata ad intervalli di mezz’ora (per un
totale di 15 prove); nei giorni successivi, per assecondare l’andamento teorico
della curva, le prove di durezza sono state effettuate ad intervalli temporali
crescenti. I risultati ottenuti nelle prove sono riportati nella seguente
tabella.
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N° Prova |
Tempo (Ore) |
Durezza (HB) |
|
Giorno 1 |
1 |
0,58 |
97 |
|
|
2 |
1,08 |
87 |
|
|
3 |
1,58 |
104 |
|
|
4 |
2,08 |
113 |
|
|
5 |
2,58 |
131 |
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|
6 |
3,08 |
* 159 * |
|
|
7 |
3,58 |
* 159 * |
|
|
8 |
4,08 |
155 |
|
|
9 |
4,58 |
151 |
|
|
10 |
5,08 |
150 |
|
|
11 |
5,58 |
146 |
|
|
12 |
6,58 |
146 |
|
|
13 |
8,58 |
103 |
|
|
14 |
9,08 |
131 |
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|
15 |
10,08 |
131 |
|
Giorno 2 |
16 |
25,08 |
128 |
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|
17 |
31,33 |
128 |
|
Giorno 3 |
18 |
48,58 |
128 |
|
|
19 |
55,08 |
125 |
|
Giorno 4 |
20 |
74,08 |
124 |
|
Giorno 5 |
21 |
96,08 |
118 |
|
Giorno 6 |
22 |
121,58 |
115 |
|
Giorno 12 |
23 |
289,58 |
104 |
Dall’analisi
dei risultati si nota che la durezza massima viene raggiunta con un
invecchiamento della durata di 3,5 – 4 ore, e si attesta sul valore di 159HB;
per confronto, la durezza del materiale dopo tempra è di 105HB.
Si può
affermare quindi che questo trattamento termico ha conferito alla lega un
indurimento pari al 150% del valore di durezza che la lega mostra dopo la
tempra.
Come si può notare dal grafico (con
scala temporale logaritmica), i valori della durezza aumentano rapidamente
nelle prime ore di trattamento, fino al raggiungimento del valore massimo. In
seguito, per l’intervento dei fenomeni di overaging, la durezza diminuisce
molto lentamente fino a raggiungere, dopo circa 10 giorni, valori comparabili a
quelli del materiale prima del trattamento termico. La durezza si mantiene su
valori superiori al 130% del valore iniziale per un tempo abbastanza lungo, di
circa 9-10ore.
Si possono notare anche due punti
anomali: uno all’inizio del trattamento e uno dopo circa 8,5ore; i rispettivi
valori di durezza si discostano molto dall’andamento generale, presentando
valori inferiori rispetto ai punti immediatamente adiacenti. Si è però
riscontrato che questi valori appartengono allo stesso provino; perciò, vista
la scarsa affidabilità di tale provino, è stato escluso dalla prove successive.
Probabilmente la morfologia superficiale di tale provino, che presentava gli
effetti più marcati della comparsa di blisters, ha influito notevolmente
sull’affidabilità della prova di durezza.