Dimensione frattale e granulometria negli acciai temprati

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Nella comprensione del comportamento degli acciai temprati si sente sempre più spesso la necessità di tenere in conto della presenza di eventuali fenomeni di “auto-riorganizzazione” della microstruttura. Si è visto infatti che in presenza di sollecitazioni esterne possono emergere nelle leghe metalliche effetti dissipativi, tali da modificare la microstruttura del materiale e, in definitiva, diverse delle sue proprietà chimico-fisiche.

Un modo nuovo per studiare questi e altri strani fenomeni propri dell’ingegneria dei materiali è quello di utilizzare la meccanica frattale, arrivando a strutture articolate e complesse come quanto ricostruito in Figura 1 dalla London Institute Royal Institution. I frattali permettono infatti di analizzare situazioni fisiche di vario tipo andando a costruire interrelazioni bilineari tra le proprietà oggetto di studio e le caratteristiche delle strutture frattali utilizzate nello studio. Osservando poi come si modificano nel tempo queste caratteristiche frattali, è possibile arrivare a formulare considerazioni importanti sui materiali, sulle loro evoluzioni microstrutturali e sulle loro proprietà.

Schemi frattali sono stati trovati nei materiali rispetto a diversi aspetti della meccanica sperimentale (Mandelbrot 1982, Feder 1988), ma sono stati anche osservati in seguito a simulazioni numeriche, che possono essere spiegate dai campi casuali frattali di Gauss-Marc.

Tra le caratteristiche frattali che rivestono maggiore interesse per lo studio dei materiali, forse quella di maggiore rilevanza è la cosiddetta “dimensione frattale“, che spiegheremo meglio in seguito. Tuttavia, in tal senso, già in precedenza (Trattamenti & Finiture N.3/2023) è stato mostrato come la dimensione frattale possa rappresentare un utile indicatore della complessità del materiale.

Figura 2 – Lavorazione a tempra laser (cortesia Harrison Laser Hardening).

Trattamento superficiale

Questo documento descrive ora l’applicazione della dimensione frattale ad un acciaio indurito mediante tempra laser robotizzata (o RLH, da Robot Laser Hardening). Come noto, la tempra laser è un processo di modifica chimico fisica della superficie di un materiale, utilizzato per aumentare la resistenza all’usura o prolungare la durata di oggetti che vanno dagli utensili domestici alle parti delle automobili e comprendendo anche utensili dell’industria pesante (Figura 2).

È comunemente usata per materiali, come l’acciaio e la ghisa, con effetti significativi sulle proprietà e sulla funzionalità generale del materiale trattato. I laser trasformano le aree target sulle parti metalliche mediante riscaldamento localizzato controllato preservando le proprietà metallurgiche del materiale di base.

Il trattamento termico di RLH, va sempre ricordato, può essere considerato tanto alternativo che complementare alla tradizionale tempra a fiamma oppure induttiva. In questo modo, si amplia di molto l’applicabilità dei risultati.

Nel RLH la fonte di energia necessaria al trattamento è rappresentata dal raggio laser in grado di riscaldare la superficie del metallo molto rapidamente, pur restando molto concentrata (evitando così di alterare le altre zone). Parliamo, ad esempio, di un fascio di 1,5 mm di diametro, in rapido veloce sulla superficie e comunque in grado di assicurare una durezza finale al materiale dell’ordine dei 65 HRC. Per arrivare a ciò, è importante che il fascio laser sia sempre mantenuto sotto stretto controllo: tanto in termini di costanza del flusso di energia che di precisione nel posizionamento del punto di incidenza.

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