Leghe di rame-berillio: quando la resistenza meccanica da sola non basta / Copper-beryllium alloys: when mechanical strength alone is not enough

Leghe di rame-berillio: quando la resistenza

 meccanica da sola non basta /  Copper-beryllium

 alloys: when mechanical strength alone is not

 enough

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa /  Reported

 by Dr. Giuseppe Cotellessa

La celebre Statua della Libertà situata a New York è costituita da circa 80 tonnellate di lastre in rame che ossidandosi hanno acquisito il caratteristico color verde. /  The famous Statue of Liberty located in New York is made up of about 80 tons of copper plates which oxidizing have acquired the characteristic green color. (Fonte: Ronile da Pixabay)

Il rame (Cu) è un metallo conosciuto fin dall’antichità, tant’è vero che una delle sue leghe dà addirittura il nome ad un periodo preistorico: l’età del Bronzo (2300-700 a.C.). Nel tempo il rame ha contribuito in modo importante allo sviluppo tecnologico della civiltà umana fino a diventare uno dei metalli più consumati a livello globale. In particolare, questo metallo dal bell’aspetto è ampiamente utilizzato per il trasporto di energia. Infatti, il rame è il metallo con la maggior conducibilità termica ed elettrica, fatta eccezione solo per l’argento. Si potrebbe dire che se l’elettricità ha innescato il cambiamento del mondo, il rame è ciò che lo ha reso possibile. Tuttavia, le applicazioni di questo metallo non si esauriscono con il solo trasporto di energia, il rame e le sue leghe sono utilizzate anche in settori quali l’architettura, il navale, l’artistico, l’industriale e chi più ne ha più ne metta.

Il berillio (Be), per contro, è un metallo conosciuto “solo” dal 1797 e anche un po’ meno noto al grande pubblico, ma non per questo meno importante. Pensate che il berillio è considerato dallo U.S. Department of Defense come un materiale strategico per la sicurezza nazionale. Difatti, circa l’80% del berillio negli U.S.A. viene utilizzato in lega con il rame per applicazioni critiche che spaziano dall’aerospaziale fino alla difesa. Il berillio è il più leggero (possiede numero atomico 4) fra i metalli alcalino terrosi ed a temperatura ambiente si presenta come un cristallo grigio e fragile. La sua particolarità è quella di possedere un modulo elastico eccezionale intorno ai 290 GPa unito ad una densità di soli 1.85 g/cm³. Per darvi un’idea dell’eccezionalità di questi valori, sappiate che l’acciaio ha modulo elastico intorno ai 210 GPa e densità 7.9 g/cm³. Questo metallo a differenza del rame è pericoloso da maneggiare a causa della sua notevole tossicità, se inalate le polveri di berillio possono causare la berilliosi (o malattia da berillio) con possibili conseguenze anche mortali.

Leghe di rame-berillio

Esistono svariate leghe di rame, fra cui le più note sono probabilmente l’ottone (rame-zinco) e il bronzo (rame-stagno). Tuttavia, una lega in particolare spicca su tutte le altre per proprietà meccaniche: quella fra rame e berillio. La lega rame-berillio C17200 (standard UNS), ad esempio, è composta quasi totalmente da rame e da un 2% circa di berillio. Anche se può sembrare poco, la presenza del berillio è in grado di stravolgere le proprietà meccaniche del rame, ma solo se opportunamente trattato come vedremo in seguito. La C17200 è in assoluto la lega che presenta la maggiore resistenza meccanica rispetto a tutte le altre leghe di rame, ma non solo, le sue proprietà possono essere tranquillamente comparate a quelle di un acciaio ad alta resistenza.

Lega	E [MPa]	σy [MPa]	UTS [MPa]
C17200	130	1200	1400
Armstrong®Ultra960MCL	210	960	1100
Al 7075 T6	70	500	430

Confronto fra proprietà meccaniche di una lega rame-berillio, un acciaio ad alta resistenza ed una lega di alluminio di grado aeronautico. I valori sono da considerarsi come indicativi in quanto possono variare in base al prodotto semilavorato considerato.

Inoltre, accanto alle eccezionali proprietà meccaniche, questa lega di rame-berillio possiede un’ottima conducibilità termica, carattere amagnetico, resistenza alla corrosione ed alla fatica. Tutte queste proprietà rendono questo tipo di materiale ideale per componenti meccanici ed elettronici in applicazioni critiche come l’aerospaziale.

Numerosi jet da combattimento, fra cui l’F35 Lightning II, montano componenti meccanici ed elettronici in lega di rame-berillio. /  Numerous fighter jets, including the F35 Lightning II, are equipped with mechanical and electronic components in copper-beryllium alloy.  (Fonte: Lockheed Martin F35 media kit)

Le leghe di rame-berillio sono poi anche apprezzate per le loro proprietà anti-scintilla, il che permette di produrre utensili da utilizzare in ambienti ad alto rischio di esplosioni, come per esempio il settore dell’Oil&Gas.

Indurimento per precipitazione

Come accennato in precedenza, le leghe di rame-berillio sono le più performanti fra le varie disponibili a base di rame, ma questo solamente a patto di trattarle in modo opportuno. In realtà, ciò vale in generale, infatti, molte altre leghe come acciaio o leghe di alluminio-zinco hanno bisogno di un trattamento termico ad-hoc per poter dare il loro massimo dal punto di vista delle proprietà meccaniche. Nel caso specifico delle leghe rame-berillio, così come in altre leghe non-ferrose, si sfrutta un processo chiamato indurimento per precipitazione. Sostanzialmente in questo tipo di trattamento termico ci si avvale del limite di solubilità del berillio nel rame. Scaldando la lega ad alte temperature il berillio è in grado di dissolversi nel rame andando a formare una fase omogenea. In seguito, si procede a raffreddare rapidamente la lega ad una temperatura più bassa per la quale il berillio non è più solubile nel rame. Questo fa sì che gli atomi di berillio cerchino di formare una loro fase diversa da quella iniziale, cosa che però non può avvenire perché non hanno sufficiente energia termica per diffondere, ovvero muoversi all’interno del reticolo cristallino del materiale. L’ultimo passo è quello di riscaldare di nuovo la lega per un certo periodo di tempo in quello che viene detto invecchiamento artificiale, in modo tale da fornire sufficiente energia termica agli atomi di berillio per diffondere e formare così una fase propria. Se il processo viene eseguito correttamente ci si ritrova con una fase composta in prevalenza da rame in cui sono disperse microscopiche particelle composte per la maggior parte da berillio, le quali provvederanno a rafforzare la lega donandole le caratteristiche di cui abbiamo parlato sopra.

Schematizzazione di un possibile processo di indurimento per precipitazione in una lega rame-berillio. Le illustrazioni nei cerchi rappresentano una schematizzazione della microstruttura del materiale, quella che vedreste con un microscopio per intenderci. /  Schematic of a possible precipitation hardening process in a copper-beryllium alloy. The illustrations in the circles represent a schematic representation of the microstructure of the material, the one you would see with a microscope to be clear.

ENGLISH

Copper (Cu) is a metal known since ancient times, so much so that one of its alloys even gives its name to a prehistoric period: the Bronze Age (2300-700 BC). Over time, copper has contributed in an important way to the technological development of human civilization to become one of the most consumed metals globally. In particular, this beautiful-looking metal is widely used for the transport of energy. In fact, copper is the metal with the greatest thermal and electrical conductivity, except only for silver. It could be said that if electricity has triggered the change in the world, copper is what made it possible. However, the applications of this metal do not end with the transport of energy alone, copper and its alloys are also used in sectors such as architecture, naval, artistic, industrial and so on. put.

Beryllium (Be), on the other hand, is a metal known "only" since 1797 and also a little less known to the general public, but no less important for this. Do you think that beryllium is considered by the U.S. Department of Defense as a strategic material for national security. In fact, about 80% of beryllium in the U.S.A. it is used in alloy with copper for critical applications ranging from aerospace to defense. Beryllium is the lightest (it has atomic number 4) among the alkaline earth metals and at room temperature it appears as a gray and brittle crystal. Its peculiarity is to have an exceptional elastic modulus around 290 GPa combined with a density of only 1.85 g / cm3. To give you an idea of ​​the exceptional nature of these values, know that steel has an elastic modulus of around 210 GPa and a density of 7.9 g / cm3. This metal unlike copper is dangerous to handle due to its considerable toxicity, if inhaled the beryllium powders can cause beryllium (or beryllium disease) with possible even fatal consequences.

Copper-beryllium alloys

There are various copper alloys, the best known of which are probably brass (copper-zinc) and bronze (copper-tin). However, one alloy in particular stands out above all the others for mechanical properties: that between copper and beryllium. The copper-beryllium alloy C17200 (UNS standard), for example, is composed almost entirely of copper and about 2% of beryllium. Although it may seem little, the presence of beryllium is able to distort the mechanical properties of copper, but only if properly treated as we will see later. C17200 is by far the alloy that has the greatest mechanical strength compared to all other copper alloys, but not only that, its properties can be easily compared to those of a high-strength steel.

Alloy	E [MPa]	σy [MPa]	UTS [MPa]
C17200	130	1200	1400
Armstrong®Ultra960MCL	210	960	1100
Al 7075 T6	70	500	430

Comparison of mechanical properties of a copper-beryllium alloy, a high-strength steel and an aircraft grade aluminum alloy. The values ​​are to be considered as indicative as they may vary according to the semi-finished product considered.

In addition, in addition to the exceptional mechanical properties, this copper-beryllium alloy has excellent thermal conductivity, non-magnetic character, resistance to corrosion and fatigue. All these properties make this type of material ideal for mechanical and electronic components in critical applications such as aerospace.

The copper-beryllium alloys are also appreciated for their anti-spark properties, which allows the production of tools to be used in environments with a high risk of explosions, such as the Oil & Gas sector.

Precipitation hardening

As previously mentioned, copper-beryllium alloys are the best performing among the various copper-based alloys available, but this only on condition that they are treated appropriately. In fact, this is generally true, in fact, many other alloys such as steel or aluminum-zinc alloys need an ad-hoc heat treatment to be able to give their maximum from the point of view of mechanical properties. In the specific case of copper-beryllium alloys, as well as in other non-ferrous alloys, a process called precipitation hardening is exploited. Basically, in this type of heat treatment, the solubility limit of beryllium in copper is used. By heating the alloy at high temperatures, beryllium is able to dissolve in the copper forming a homogeneous phase. Subsequently, the alloy is rapidly cooled to a lower temperature for which beryllium is no longer soluble in copper. This causes the beryllium atoms to try to form their own phase different from the initial one, which, however, cannot happen because they do not have sufficient thermal energy to diffuse, that is, to move within the crystalline lattice of the material. The last step is to heat the alloy again for a certain period of time in what is called artificial aging, in order to provide sufficient thermal energy to the beryllium atoms to diffuse and thus form their own phase. If the process is carried out correctly, we end up with a phase composed mainly of copper in which microscopic particles composed for the most part of beryllium are dispersed, which will strengthen the alloy giving it the characteristics we have talked about above.

Da:

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