Indurimento per precipitazione: solubilizzazione, tempra e invecchiamento

Alcune delle leghe più importanti dell’industria — quelle di alluminio per l’aeronautica, certe leghe di nichel, di rame e di magnesio — raggiungono la loro resistenza non con la deformazione né con la tempra martensitica, ma facendo crescere al loro interno una nuvola finissima di particelle di una seconda fase. È l’indurimento per precipitazione, ottenuto con una sequenza di tre operazioni: solubilizzazione, tempra e invecchiamento.

Vediamo qual è la condizione perché una lega sia induribile per precipitazione, come funzionano i tre passaggi del trattamento, perché i precipitati induriscono il metallo, che cosa sono i precipitati coerenti e cosa accade al picco di durezza e oltre.

La condizione di partenza

Perché una lega possa essere indurita per precipitazione deve avere un diagramma di stato con una caratteristica precisa: la solubilità del soluto deve diminuire al calare della temperatura. In altre parole, ad alta temperatura l’elemento di lega si scioglie completamente nella matrice formando un’unica soluzione solida; a bassa temperatura, invece, ne può restare disciolta solo una piccola quantità, e l’eccesso tende a separarsi come seconda fase. L’esempio classico è la lega alluminio-rame (il Duralluminio, con circa il 4% di rame).

I tre passaggi del trattamento

Il ciclo di indurimento per precipitazione si svolge in tre fasi ben definite, che sull’esempio dell’alluminio-rame si possono leggere così:

La tempra è il passaggio chiave: raffreddando in fretta non si lascia il tempo alla seconda fase di formarsi, e a bassa temperatura si ottiene una soluzione solida soprassatura, cioè che contiene molto più soluto di quanto potrebbe all’equilibrio. È uno stato instabile, pronto a liberare l’eccesso di soluto sotto forma di precipitati.

L’invecchiamento e i precipitati coerenti

Durante l’invecchiamento la soluzione soprassatura, lasciata a temperatura ambiente (invecchiamento naturale) o moderatamente riscaldata (invecchiamento artificiale), comincia a liberare il soluto in eccesso. Non lo fa subito sotto forma di grosse particelle di equilibrio, ma attraverso una sequenza di stadi intermedi: prima minuscoli ammassi di atomi di soluto, poi precipitati submicroscopici. I più efficaci sono i precipitati coerenti: particelle così piccole che il loro reticolo è ancora in continuità con quello della matrice, ma con un disadattamento che genera intorno a sé un campo di tensioni elastiche.

solubilizzazione → tempra → invecchiamento  ⇒  precipitati fini coerenti

Sono proprio questi campi di tensione e la fittissima dispersione di particelle a ostacolare il movimento delle dislocazioni: per deformare il metallo le dislocazioni devono aggirare o tagliare gli ostacoli, e questo richiede uno sforzo molto maggiore. Il risultato è un forte aumento di durezza e resistenza, senza bisogno di deformare il pezzo.

Picco di durezza e sovrainvecchiamento

L’indurimento non cresce indefinitamente con il tempo di invecchiamento. All’inizio aumenta, raggiunge un picco di durezza quando la dispersione di precipitati coerenti è ottimale, e poi, se l’invecchiamento prosegue troppo a lungo o a temperatura troppo alta, diminuisce: è il sovrainvecchiamento. In questa fase i precipitati crescono, diventano più grandi e più radi, perdono la coerenza con la matrice e ostacolano meno le dislocazioni. La lega si ammorbidisce di nuovo.

Una sequenza da rispettare

Il segreto dell’indurimento per precipitazione è che la seconda fase deve formarsi fine e dispersa, non grossolana. Se si raffreddasse lentamente dalla regione monofase, la seconda fase precipiterebbe come grosse particelle ai bordi di grano, che induriscono pochissimo. È la tempra a impedirlo, e l’invecchiamento controllato a far comparire la dispersione fine. Per questo l’ordine dei tre passaggi e i loro parametri di tempo e temperatura non sono negoziabili: sbagliarli significa ottenere un materiale molle anziché resistente.

Perché conta nella pratica

L’indurimento per precipitazione è il modo principale per rafforzare le leghe leggere non temprabili come gli acciai, ed è alla base di interi settori, dall’aeronautica ai trasporti. Conoscere la sequenza solubilizzazione-tempra-invecchiamento, capire perché la tempra è indispensabile e dove sta il picco di durezza permette di trattare correttamente questi materiali, evitare il sovrainvecchiamento e diagnosticare cali di resistenza in componenti che hanno subito cicli termici imprevisti, situazioni concrete nel controllo qualità e nella scelta dei materiali.

Domande frequenti

Quali leghe si possono indurire per precipitazione?

Quelle il cui diagramma di stato presenta una solubilità del soluto che diminuisce al calare della temperatura: ad alta temperatura l’elemento di lega si scioglie del tutto, a bassa solo in parte. L’esempio classico è la lega alluminio-rame, come il Duralluminio con circa il 4% di rame, ma anche varie leghe di nichel, magnesio e rame. È un’alternativa alla tempra martensitica, usata soprattutto per leghe leggere.

Quali sono i tre passaggi del trattamento?

Solubilizzazione: si scalda la lega nella regione monofase finché tutto il soluto si scioglie. Tempra: si raffredda rapidamente, ottenendo una soluzione solida soprassatura e instabile. Invecchiamento: si mantiene a temperatura ambiente o moderata, e il soluto in eccesso precipita come dispersione finissima di seconda fase. È questa dispersione che indurisce il metallo.

Perché la tempra è indispensabile?

Perché impedisce alla seconda fase di formarsi durante il raffreddamento. Se si raffreddasse lentamente, la seconda fase precipiterebbe come grosse particelle ai bordi di grano, che induriscono pochissimo. La tempra congela invece tutto il soluto in soluzione, in uno stato soprassaturo e instabile, da cui poi l’invecchiamento fa nascere la dispersione fine e indurente. Senza tempra l’indurimento non funziona.

Che cosa sono i precipitati coerenti?

Sono particelle di seconda fase così piccole che il loro reticolo è ancora in continuità con quello della matrice, anche se con un leggero disadattamento. Questo crea attorno a esse un campo di tensioni elastiche che, insieme alla loro fittissima dispersione, ostacola fortemente il movimento delle dislocazioni. Sono i precipitati che induriscono di più; perdendo la coerenza, durante il sovrainvecchiamento, l’effetto si riduce.

Che cos’è il sovrainvecchiamento?

È l’ammorbidimento che si ha quando l’invecchiamento prosegue troppo a lungo o a temperatura troppo alta, oltre il picco di durezza. I precipitati crescono, diventano più grandi e più radi e perdono la coerenza con la matrice, ostacolando meno le dislocazioni. La lega torna così meno dura e meno resistente. Per questo tempo e temperatura di invecchiamento vanno controllati con cura.