Punto di fusione e alcune proprietà fisiche dei materiali

Il punto di fusione

Il punto di fusione di un metallo dipende dall’energia necessaria per separare i suoi atomi. La temperatura di fusione di una lega metallica può avere un ampio range, a seconda della sua composizione, ed è diversa da quella di un metallo puro, che ha un punto di fusione ben definito. L’intervallo di temperatura entro il quale un componente o una struttura è progettato per funzionare è una considerazione importante nella selezione dei materiali.

Le materie plastiche, ad esempio, hanno il più ristretto intervallo di temperatura utile, mentre la grafite e le leghe metalliche refrattarie hanno la più estesa gamma utile.

Il punto di fusione di un metallo ha una serie di effetti indiretti sulla produzione. Poiché la temperatura di ricristallizzazione di un metallo è correlata al suo punto di fusione, operazioni come la ricottura, il trattamento termico e la lavorazione a caldo, richiedono una conoscenza dei punti di fusione dei materiali coinvolti. Queste considerazioni sono importanti anche nella selezione dei materiali degli utensili e degli stampi.

Il punto di fusione svolge anche un ruolo importante nella selezione delle macchine e nelle tecniche di fusione impiegate nelle operazioni di colata. Più alto è il punto di fusione del materiale, più difficile diventa l’operazione. Nel processo di lavorazione EDM (electrical-discharge machining), il punto di fusione dei metalli è correlato alla velocità di rimozione del materiale e all’usura degli elettrodi.

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Il calore specifico

Il calore specifico di un materiale è l’energia necessaria per aumentare la temperatura di un’unità di massa di 1 grado. Gli elementi di lega hanno un effetto relativamente minore sul calore specifico dei metalli. L’aumento di temperatura in un pezzo in lavorazione, derivante dalla formatura o dalla lavorazione stessa, è funzione del lavoro svolto e del calore specifico del materiale del pezzo.

Un aumento eccessivo della temperatura in un pezzo in lavorazione può ridurre la qualità del prodotto influenzando negativamente la finitura superficiale e la precisione dimensionale, può causare un’eccessiva usura dell’utensile e dello stampo e anche portare cambiamenti metallurgici indesiderati nel materiale.

La conduttività termica

La conduttività termica indica la velocità con cui il calore fluisce all’interno e attraverso un certo materiale. I materiali legati in modo metallico (metalli) hanno generalmente un’elevata conduttività termica, mentre i materiali legati in modo ionico o covalente (ceramica e plastica) hanno scarsa conducibilità.

Gli elementi di lega possono avere un effetto significativo sulla conducibilità termica delle leghe come si può vedere confrontando i metalli con le loro leghe. In generale, i materiali ad alta conduttività elettrica hanno anche alta conduttività termica.

Questa proprietà risulta importante in molte applicazioni. Per esempio, un’elevata conducibilità termica è auspicabile nelle alette di raffreddamento, negli utensili da taglio negli stampi per la pressofusione per estrarre calore. Al contrario, materiali a bassa conduttività termica vengono utilizzati, ad esempio, nei rivestimenti dei forni, nell’isolamento, nelle tazze da caffè e nelle maniglie per pentole e padelle.

Proprietà fisiche dei materiali
Alcune proprietà fisiche dei materiali in ordine descrescente

L’espansione termica

L’espansione termica dei materiali può avere diversi effetti significativi, in particolare
l’espansione relativa o la contrazione di materiali diversi in assemblaggi come nei componenti elettronici e informatici, nelle guarnizioni vetro-metallo, nei montanti sui motori a reazione,
sui rivestimenti degli utensili da taglio e nelle parti mobili in macchinari che richiedono
alcuni laschi per il corretto funzionamento.

L’uso di componenti ceramici nei motori in cast-iron, ad esempio, richiede anche di considerare le loro relative espansioni.

In generale, il coefficiente di espansione termica è inversamente proporzionale al punto di fusione del materiale. Gli elementi di lega hanno un effetto relativamente minore sull’espansione termica dei metalli.

Gli accoppiamenti utilizzano l’espansione termica e la contrazione. Un accoppiamento di questo tipo è una parte, spesso un tubo o un mozzo, che deve essere installato su un albero. La parte viene prima riscaldata e poi fatta scivolare sopra l’albero o il mandrino; quando viene lasciato raffreddare, il mozzo si restringe e l’assieme diventa una componente unico.

L’espansione termica in combinazione con la conduttività termica gioca un ruolo molto significativo nel causare sollecitazioni termiche (dovute a gradienti di temperatura), sia nei componenti fabbricati e negli utensili e stampi, sia negli stampi per operazioni di colata.

Questa considerazione è particolarmente importante, ad esempio, in un’operazione di forgiatura durante il quale i pezzi caldi vengono ripetutamente posizionati su uno stampo o una forma relativamente freddi, sottoponendo le superfici dello stampo a un ciclo termico. Per ridurre le sollecitazioni termiche, è auspicabile la combinazione di un’elevata conduttività termica e di una bassa espansione termica.

Stress termici possono anche essere causati dall’anisotropia dell’espansione termica; ovvero, il materiale si espande in modo diverso nelle diverse direzioni, una proprietà generalmente osservata in alcuni metalli, nelle ceramiche e nei materiali compositi.

I processi di espansione termica e la contrazione possono portare a fessurazioni, distorsioni o allentamento dei componenti durante la loro vita utile, nonché alla fessurazione di parti ceramiche, di utensili e matrici realizzati con materiali relativamente fragili.

L’affaticamento termico è il risultato di un ciclo termico e provoca una serie di crepe superficiali, specialmente negli utensili e negli stampi per le operazioni di colata e lavorazione dei metalli. Il termine Shock termico è generalmente utilizzato per descrivere lo sviluppo di crepe dopo un singolo ciclo termico.

Per minimizzare alcuni dei problemi causati dall’espansione termica, è stata sviluppata una famiglia di leghe ferro-nichel con coefficienti di espansione termica molto bassi, chiamate leghe a bassa espansione. La bassa espansione termica caratteristica di queste leghe è spesso indicato come effetto Invar, nome che deriva dalla lega metallica Invar.

Il coefficiente termico di espansione è tipicamente nell’intervallo da 2x1O-6 a 9×10 -6 per °C. Tipiche composizioni sono 64% Fe-36% Ni per Invar e 54% Fe-28% Ni-18% Co per Kovar.

Le leghe a bassa espansione hanno anche buona resistenza all’affaticamento termico e duttilità; di conseguenza, possono essere facilmente stampate in varie forme. Le applicazioni comprendono strisce bimetalliche costituite da una lega a bassa espansione incollata metallurgicamente ad una lega ad alta espansione (la striscia si piega quando sottoposta a variazioni di temperatura) e guarnizioni vetro-metallo di alta qualità in cui espansioni termiche uguali vengono accoppiate.

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