Fondamenti metallurgici delle lavorazioni per deformazione plastica

La comprensione approfondita dei materiali metallici, delle loro strutture e delle trasformazioni che le caratterizzano, costituisce il fondamento imprescindibile per analizzare e ottimizzare i processi di deformazione plastica, tra i quali rientra la trafilatura. I metalli sono solidi cristallini contraddistinti da un preciso ordine microstrutturale che, nel suo insieme, determina le proprietà macroscopiche del materiale. Risulta pertanto essenziale comprendere le correlazioni tra aspetti metallurgici, proprietà meccaniche e comportamento in esercizio, al fine di consentire uno studio consapevole e una pianificazione ottimale dei processi di lavorazione e delle condizioni di impiego.

Il legame metallico

I materiali metallici, a livello atomico, sono caratterizzati da un particolare tipo di legame chiamato legame metallico, che è definibile come un'interazione elettrostatica in cui gli elettroni di valenza si distaccano dai nuclei originari per formare una "nuvola elettronica" delocalizzata che circonda i cationi (ioni a carica positiva) del materiale metallico, disposti in posizioni di equilibrio. Questa mobilità elettronica non solo spiega l'elevata conducibilità termica ed elettrica posseduta dai metalli, ma è alla base anche della loro duttilità (capacità di un materiale di subire deformazioni plastiche in trazione prima della rottura) e malleabilità (attitudine di un materiale ad essere ridotto in lamine sottili, tipicamente attraverso l'applicazione di una forza di compressione): la nube elettronica funge da collante che tiene insieme il sistema; l'energia di legame deriva dall'interazione elettromagnetica tra le cariche negative degli elettroni di valenza e le cariche positive dei cationi del materiale metallico. Questo tipo di legame permette ai piani atomici di scorrere l'uno rispetto all'altro senza che si verifichi la frattura fragile tipica di molti materiali caratterizzati da legami ionici o covalenti, come numerosi materiali ceramici.

Strutture cristalline: celle elementari

Gli atomi si aggregano secondo schemi geometrici ripetitivi chiamati celle elementari, che, ripetute nello spazio, formano il reticolo cristallino. Le celle elementari più comuni nei materiali metallici sono:

• Cubica a corpo centrato (C.C.C.), caratterizzata da un atomo al centro del cubo e altri otto collocati in corrispondenza dei vertici della cella. In questa struttura gli atomi del materiale possono essere pensati come sfere rigide tangenti tra loro in corrispondenza delle diagonali del cubo.
• Cubica a facce centrate (C.F.C.), caratterizzata dalla presenza di un atomo per ognuna delle sei facce del cubo e da otto atomi posizionati uno per ogni vertice del cubo. In questa struttura il contatto tra gli atomi avviene lungo le diagonali delle facce.
• Esagonale compatto (E.C.), in cui la cella elementare è delimitata da due facce ciascuna delle quali presenta sei atomi sugli angoli ed un atomo al centro e un piano intermedio equivalente a quelli basali, ma traslato rispetto ad essi, che ospita invece tre atomi.

Allotropia e polimorfismo: il caso del ferro

Il ferro, materiale principe della metallurgia perché, associato con il carbonio ed altri elementi, forma la grande famiglia degli acciai, è caratterizzato da strutture polimorfe, cioè è presente in differenti strutture cristalline elementari, dette forme allotropiche, in base alla temperatura alla quale si trova: indicativamente assume la struttura C.C.C., detta fase alfa, a temperatura ambiente, trasformandosi in C.F.C., detta fase gamma, sopra i 912°C, per poi tornare C.C.C., detta fase delta, identica a quella alfa, ma chiamata in modo differente per distinguere le differenti temperature alle quali si trova il materiale, tra i 1394°C e i 1538°C (temperatura di fusione del ferro puro). I punti, intesi come livelli di temperatura, in cui si ha il passaggio da una forma allotropica all'altra sono chiamati punti critici e sono di solito indicati da una lettera "A" seguita da un numero progressivo (ad esempio A1, A2 ecc.).

Rame, alluminio, nichel, argento e oro sono esempi di materiali metallici che assumono strutture cristalline con celle elementari cubiche a facce centrate. Tra i materiali che assumono struttura esagonale compatta, troviamo il Titanio nella sua fase alfa (mentre nella fase beta ha reticolo con celle C.C.C.), lo Zinco e il Magnesio.

Deformabilità e sistemi di scorrimento

La particolare struttura della cella elementare influenza molto le caratteristiche legate alla deformabilità del materiale. In linea teorica possiamo dire che la deformazione plastica (deformazione permanente oggetto principale dei nostri studi, da non confondere con la deformazione elastica che viene annullata quando la forza che la provoca cessa e che è causata da un modesto spostamento degli atomi dalla loro posizione di equilibrio) avviene tramite il moto delle dislocazioni, che sono dei difetti presenti nella struttura del reticolo cristallino, senza i quali il materiale non potrebbe deformarsi come invece avviene nella realtà. La facilità di questo moto dipende dalla densità atomica dei piani cristallini: più gli atomi sono vicini e più i piani sono distanti tra loro, minore è l'energia necessaria per lo scorrimento. Per questo motivo, il reticolo C.F.C. (con piani densissimi) è il più facilmente deformabile (i materiali che lo possiedono hanno maggiore duttilità). I materiali caratterizzati da un reticolo C.C.C. sono più difficili da deformare rispetto ai precedenti e quindi classificati come meno duttili, mentre quelli con reticolo E.C. risultano ancora meno deformabili in quanto la particolare geometria di queste celle offre poche vie (sistemi di scorrimento) per il movimento dei difetti reticolari (dislocazioni).

Solidificazione e formazione dei grani

La struttura a grani cristallini di un metallo ha origine durante il processo di raffreddamento e solidificazione a partire da una massa fusa. Il passaggio dallo stato liquido a quello solido avviene attraverso un meccanismo chiamato nucleazione ed accrescimento. Durante la nucleazione si ha la comparsa, in alcune zone del liquido, di embrioni cristallini capaci di attirare altri atomi della fase liquida in modo da crescere fino alla fine della trasformazione di fase. Dapprima si formano piccoli nuclei solidi (fase di nucleazione), i quali accrescono catturando atomi dal liquido circostante fino al completo esaurimento di quest'ultimo (fase di accrescimento). A questo punto, i vari grani cristallini formatisi si incontrano tra loro dando origine ai bordi grano (zone di confine tra i differenti cristalli che compongono la struttura del metallo).

Inizialmente il sistema è completamente allo stato liquido (massa metallica fusa). Gli atomi, pur trovandosi a distanza ravvicinata, non assumono una conformazione reticolare ben definita, ma sono liberi di muoversi a caso. Questo accade perché la temperatura è superiore al punto di fusione/solidificazione, quindi l'energia cinetica degli atomi è sufficiente ad impedire il consolidarsi di quei legami solidi che permettono la formazione del reticolo cristallino.

Nel momento in cui al metallo liquido viene permesso di raffreddarsi, il moto degli atomi assume un'intensità e una frequenza via via decrescente: di conseguenza la probabilità che alcuni atomi si trovino con la configurazione e la distanza reticolare caratteristica del reticolo cristallino del metallo solido diventa sempre maggiore. Quando la temperatura scende al di sotto di quella di fusione/solidificazione, tale probabilità è così elevata che in numerosi punti del bagno metallico, in modo del tutto casuale, si osserva la formazione dei primi germi di solido. Questa modalità di nucleazione è denominata nucleazione omogenea.

Questa modalità di nucleazione è da considerarsi, nella pratica industriale, puramente teorica. Nella quasi totalità dei casi pratici il passaggio di stato liquido-solido è caratterizzato dal meccanismo di nucleazione eterogenea, che prevede la formazione di aggregati solidi a partire da punti di innesco ben precisi quali ad esempio le pareti interne della lingottiera (contenitore in cui è presente il metallo liquido) e/o dalle impurità solide, sempre presenti nel metallo liquido.

Un aspetto fondamentale è che la solidificazione non avviene mai esattamente in corrispondenza del punto di fusione; nella pratica industriale richiede generalmente un certo sottoraffreddamento: il liquido, prima di iniziare a solidificare, deve raffreddarsi di una certa quantità al di sotto della sua temperatura di solidificazione nominale. Il sottoraffreddamento, riducendo l'energia cinetica presente nel sistema, diminuisce la mobilità degli atomi e favorisce l'innesco del processo di solidificazione.

Se l'entità del sottoraffreddamento è limitata, è altrettanto limitato il numero dei nuclei che si formano, provocando nella massa liquida un accrescimento di pochi grani grossolani. Se invece il sottoraffreddamento aumenta, si osserva un maggior numero di germi solidi con accrescimento e formazione di tanti grani di piccole dimensioni.

L'entità del sottoraffreddamento in pratica governa la dimensione finale dei grani: un raffreddamento rapido produce numerosi nuclei e, conseguentemente, una struttura a grano fine, preferibile per le sue superiori proprietà meccaniche. Al contrario, raffreddamenti lenti portano a grani grossolani o a strutture dendritiche ramificate, spesso associate a fenomeni di segregazione chimica e porosità che possono compromettere la successiva lavorabilità (nel nostro caso trafilabilità) del materiale.

Dimensione del grano e proprietà meccaniche

La dimensione del grano cristallino risulta inversamente correlata alla resistenza meccanica e alla durezza del materiale, in quanto i bordi di grano costituiscono efficaci barriere al moto delle dislocazioni; tale ostacolo alla loro propagazione limita la deformazione plastica e si traduce, su scala macroscopica, in un incremento delle proprietà meccaniche.

In un materiale a grano fine, la superficie totale dei bordi grano per unità di volume è maggiore, il che crea un numero elevato di ostacoli che impediscono lo scorrimento dei piani cristallografici. Questa relazione è quantificata, ad esempio, dalla legge di Hall-Petch, la quale stabilisce che il carico di snervamento aumenta al diminuire del diametro medio del grano: durante la trafilatura, un materiale a grano fine richiederà quindi forze di trazione più elevate per attivare la deformazione plastica rispetto ad un materiale a grano grosso.

Incrudimento e ricristallizzazione

Come sopra anticipato, il meccanismo microscopico che permette ad un materiale di essere deformato plasticamente, come avviene in trafilatura, è il moto delle dislocazioni (definite come difetti presenti nel reticolo cristallino) che scorrono lungo piani preferenziali sotto l'azione di uno sforzo di taglio, generato da una azione esterna. La trafilatura è tipicamente una lavorazione per deformazione plastica a freddo, cioè praticata al di sotto della temperatura di ricristallizzazione del materiale oggetto di deformazione.

In queste condizioni, le dislocazioni non solo si muovono, ma si moltiplicano esponenzialmente, ostacolandosi a vicenda e provocando un fenomeno nel metallo noto con il nome di incrudimento.

L'incrudimento produce modificazioni nelle caratteristiche meccaniche e fisiche del materiale; tra le più rilevanti: un aumento della durezza, del carico di snervamento e di quello a rottura a scapito della duttilità residua che invece diminuisce, una diminuzione della conducibilità elettrica e un aumento della permeabilità magnetica.

Macroscopicamente, il grano cristallino viene allungato e schiacciato nella direzione di trafilatura, creando una struttura più fine e dalle caratteristiche meccaniche migliori. Un eccessivo accumulo di energia elastica e distorsione reticolare porta alla nascita di tensioni residue — sforzi interni che permangono nel filo trafilato e che possono causare distorsioni o rotture se non opportunamente gestiti tramite ricotture di distensione.

Quando l'incrudimento diventa tale da esaurire la riserva plastica del metallo, si rende necessaria una ricottura di ricristallizzazione intermedia.

Questo trattamento termico attiva i fenomeni di recupero e nucleazione di nuovi cristalli, ripristinando la duttilità originaria e permettendo ulteriori passaggi in filiera o ulteriori lavorazioni, senza il rischio di rotture.

Diagrammi di stato

Vista l'importanza dei processi termomeccanici, per gestirli in modo corretto è indispensabile consultare i diagrammi di stato, mappe termodinamiche che indicano le fasi presenti in equilibrio al variare di temperatura e composizione. Un esempio è il diagramma Ferro-Carbonio (Fe-C), che costituisce il riferimento fondamentale per lo studio degli acciai e permette di individuare i principali punti critici e le trasformazioni di fase che avvengono al variare della temperatura e della composizione.

Diagramma di stato ferro-carbonio. Di it:User:semar – Opera propria, Licenza CC BY-SA 3.0

Di seguito vengono dettagliate le principali ragioni per cui questi diagrammi sono indispensabili:

• Previsione e controllo della microstruttura: lo sviluppo della microstruttura di una lega è direttamente collegato alle caratteristiche del suo diagramma di fase. Comprendere queste mappe permette di prevedere quali trasformazioni avverranno durante il riscaldamento o il raffreddamento, come il passaggio tra diverse strutture cristalline o la comparsa/scomparsa di fasi specifiche.
• Progettazione dei trattamenti termici: la conoscenza dei diagrammi è cruciale per la progettazione e il controllo delle procedure di trattamento termico industriale. Ad esempio, il diagramma ferro-carbonio (Fe-C) è il punto di partenza essenziale per studiare gli acciai, poiché permette di individuare i punti critici necessari per definire le temperature di austenitizzazione e di successiva trasformazione strutturale.
• Determinazione quantitativa delle fasi: grazie ai diagrammi è possibile determinare con precisione la composizione chimica delle singole fasi presenti a una data temperatura. Inoltre, attraverso l'applicazione della regola della leva, è possibile calcolare le quantità relative (frazioni di massa) delle fasi coesistenti in un campo bifasico.
• Guida per i processi industriali: forniscono informazioni preziose per gestire correttamente processi tecnologici come la fusione, il colaggio e la cristallizzazione. Ad esempio, indicano l'intervallo di solidificazione di una lega, parametro fondamentale in fonderia per prevenire difetti come le segregazioni.
• Studio dell'influenza degli elementi di lega: permettono di visualizzare come l'aggiunta di elementi chimici (come cromo, nichel o alluminio) modifichi i campi di stabilità delle fasi. Questo spiega perché determinate composizioni portino alla formazione di acciai inossidabili con strutture diverse (ferritiche, austenitiche o martensitiche) e proprietà di resistenza alla corrosione differenti.
• Riferimento per stati di non equilibrio: sebbene rappresentino stati di equilibrio termodinamico, sono indispensabili per comprendere lo sviluppo e la preservazione di strutture di non equilibrio, come la martensite o la bainite, che spesso presentano proprietà tecnologiche più desiderabili rispetto a quelle di equilibrio.
• Mappatura dei limiti di solubilità: i diagrammi mostrano i limiti di solubilità di un soluto in un solvente solido al variare della temperatura. Questo è fondamentale per gestire fenomeni come lo smiscelamento di fasi fragili a bordo grano o il rafforzamento per precipitazione, che influenzano drasticamente la duttilità e la durezza del materiale.

Concludendo, è importante ricordare che la microstruttura di un materiale — di cui la struttura della cella elementare, la dimensione del grano e la densità delle dislocazioni sono caratteristiche fondamentali — non è solo un parametro passivo, ma il motore stesso che definisce i limiti tecnologici e le potenzialità qualitative di ogni operazione di deformazione plastica. Per questo motivo, un tecnico operante nel settore della trafilatura dei metalli deve necessariamente includere, tra le proprie competenze specifiche, gli aspetti metallurgici trattati in questo articolo.

A cura dell'Ing. Sergio Rusconi