La designazione degli acciai è regolamentata da Norme europee (EN) valide in tutte le nazioni aderenti al Comitato Europeo di Normazione (CEN).

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1 Designazione secondo le Norme UNI EN La designazione degli acciai è regolamentata da Norme europee (EN) valide in tutte le nazioni aderenti al Comitato Europeo di Normazione (CEN). Le più recenti Norme europee fatte proprie in Italia dall Ente Nazionale Italiano di Unificazione (UNI) definiscono i seguenti sistemi di classificazione degli acciai: 1) Designazione alfanumerica (Norma UNI EN ): secondo questo sistema gli acciai vengono suddivisi in due gruppi: - Gruppo 1: acciai designati con una sigla alfanumerica che ne identifica l impiego ed alcune caratteristiche meccaniche e fisiche (norma UNI EN ). - Gruppo 2: acciai designati in base alla composizione chimica (norma UNI EN ). 1) Designazione numerica (Norma UNI EN ) 1

2 Designazione alfanumerica (Norma UNI EN ): acciai del gruppo 1 A questo gruppo appartengono gli acciai, in genere bassolegati, che vengono utilizzati spesso allo stato grezzo di laminazione, o di altre lavorazioni plastiche, senza particolari trattamenti termici se non quello di normalizzazione. Come criterio fondamentale per la classificazione si considera l impiego. Gli acciai del gruppo 1 vengono designati mediante i seguenti elementi: - una lettera iniziale che ne individua l impiego; - un numero ed eventualmente una lettera indicante una caratteristica principale (meccanica, fisica, etc.) Pertanto il gruppo 1 comprende i seguenti acciai suddivisi in base al loro impiego. 2

3 - S acciai per impieghi strutturali, seguita da un numero pari al carico unitario di snervamento minimo prescritto (in MPa); - P acciai per impieghi sotto pressione, seguita da un numero pari al carico unitario di snervamento minimo prescritto (in MPa); - L acciai per tubi di condutture, seguita da un numero pari al carico unitario di snervamento minimo prescritto (in MPa); - E acciai per costruzioni meccaniche, seguita da un numero pari al carico unitario di snervamento minimo prescritto (in MPa); - B acciai per cemento armato, seguita da un numero pari al carico unitario di snervamento caratteristico (in MPa); - Y acciai per cemento armato precompresso, seguita da un numero pari al carico unitario di rottura minimo prescritto (in MPa); - R acciai per o sotto forma di rotaie, seguita da un numero pari al carico unitario di rottura minimo prescritto (in MPa); - H acciai forniti come lamiere laminate a freddo ad alta resistenza per imbutitura a freddo, seguita da un numero pari al carico unitario di snervamento minimo prescritto (in MPa); - D acciai forniti come lamiere per formatura a freddo, seguita da una delle seguenti lettere: C (per i prodotti laminati a freddo), D (per i prodotti laminati a caldo, ma destinati alla formatura a freddo), X (per i prodotti il cui stato iniziale di laminazione non è specificato); - T acciai forniti come bande stagnate o cromate, seguita dalla lettera H (con un numero indicante il valore medio specificato di durezza Rockwell HR) o da un numero indicante il carico unitario di snervamento nominale prescritto (in MPa); 3 - M acciai magnetici, seguita da numeri e lettere che indicano ulteriori specificazioni.

4 Ulteriori simboli finali possono essere aggiunti per indicare proprietà specifiche. Ad esempio, nel caso dell acciaio strutturale S: JR (resilienza minima di 27 J a 20 C), J0 (resilienza minima di 27 J a 0 C); J2 (resilienza minima di 27 J a -20 C); J3 (resilienza minima di 27 J a -30 C); J4 (resilienza minima di 27 J a -40 C); KR (resilienza minima di 40 J a 20 C); K0 (resilienza minima di 40 J a 0 C); K2 (resilienza minima di 40 J a -20 C); K3 (resilienza minima di 40 J a -30 C); K4 (resilienza minima di 40 J a -40 C). Pertanto la sigla S235J2 indica un acciaio strutturale con carico di snervamento minimo di 235 MPa e resilienza minima di 27 J a -20 C. Al valore della resilienza possono seguire una o più delle lettere. Ad esempio: G1 acciaio effervescente, G2 acciaio calmato, G3 stato di fornitura opzionale, G4 stato di fornitura a descrizione del produttore, S costruzioni navali, T tubi, W resistente alla corrosione atmosferica, Q bonificato, KU utilizzo per utensili. La suddetta normativa sostituisce la precedente (UNI EU 27), in cui gli acciai venivano designati in base al simbolo iniziale Fe, seguito dal valore del carico unitario di rottura o del carico di snervamento minimo garantito (quest ultimo preceduto dalla lettera E) e con eventuali ulteriori specificazioni. Pertanto la designazione B 250 corrisponde alla tradizionale Fe B E250, la designazione R 400 corrisponde alla tradizionale Fe

5 Designazione alfanumerica (Norma UNI EN ): acciai del gruppo 2 Gli acciai appartenenti a questo gruppo sono classificati in base alla loro composizione chimica. Tale gruppo viene ulteriormente suddiviso in quattro sottogruppi (tabella 11.1). I primi due sottogruppi comprendono acciai al carbonio non legati contraddistinti come segue: - sottogruppo 2.11: acciai destinati al trattamento termico, contrassegnati dalla lettera C seguita dal tenore di carbonio (espresso come percentuale in peso) moltiplicato per 100 (es. C10, acciaio da cementazione con tenore di carbonio di 0.10%; C40, acciaio da bonifica con tenore di carbonio di 0.40%), nel caso di acciai per getti la lettera G precede il simbolo C; - sottogruppo 2.12: acciai per impieghi particolari, contrassegnati dalla lettera C seguita da una lettera che ne identifica l'impiego e dal tenore di carbonio moltiplicato per 100. In entrambi questi due gruppi di acciai è possibile far seguire il simbolo chimico dell elemento intenzionalmente aggiunto per conferire una data proprietà. 5

6 Gli ultimi due sottogruppi comprendono gli acciai debolmente legati ed altolegati, entrambi destinati ai trattamenti termici. sottogruppo 2.21: acciai debolmente legati, cioè con tenori inferiori al 5%, la cui designazione viene effettuata riportando il tenore di carbonio moltiplicato per 100, seguito dai simboli chimici degli elementi di lega e dal loro tenore (anch esso espresso come percentuale in peso) moltiplicato per un opportuno coefficiente correttivo (es. 40 NiCrMo 3, acciaio legato con C=0.40%, Ni=0.75% e tenori di Cr e Mo non precisati), nel caso di getti si antepone la lettera G; sottogruppo 2.22: acciai altolegati, con tenori superiori al 5%, contrassegnati dalla lettera X, seguita dal tenore di carbonio moltiplicato per 100 e dai simboli chimici degli elementi di lega con il loro tenore inalterato (es. X 15 Cr 13, acciaio inossidabile con C=0.15% e Cr=13%), nel caso di getti la lettera G precede la X iniziale. 6

7 Tabella 11.1 Designazione degli acciai in base alla Norma UNI-EN parte 2. (*) Coefficienti correttivi del tenore degli elementi di lega per gli acciai del sottogruppo 2.21: 4 per Co, Cr, Mn, Ni, Si, W; 10 per Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti V, Zr; 100 per N, P, S; 1000 per B Gruppo 1. Acciai desi-gnati in base all impiego 2. Acciai designati in base alla composizione chimica Sottogruppo 2.1 Non legati 2.2 Debolmente legati e legati 2.11 Destinati al trattamento termico 2.12 Destinati ad impieghi particolari 2.21 Con ogni elemento di le-ga < 5% con almeno un elemento di lega > 5% Simbolo iniziale Variabile in relazione all impiego (es. S, P, L, etc.) C preceduta da G nel caso di getti C seguita da una lettera in- dicante l im-piego in genere nes-sun simbolo, G solo nel caso di getti X preceduta da G nel caso di getti Cifre o lettere distintive della caratteristica principale Variabile (es. carico di sner-vamento, di rottura, etc.) Tenore di carbonio moltiplicato per 100 Simboli di al-cuni elementi di lega Eventualmente simbolo di un particolare elemento di lega aggiunto Simboli degli elementi di lega che caratterizzano l acciaio Cifre indicanti i tenori degli elementi di lega Tenori elemen-ti di lega molti-plicati per un coefficiente correttivo (*) Tenori effettivi elementi di lega 7

8 Designazione numerica (Norma UNI EN ) La designazione numerica messa a punto dalla norma UNI EN segue il seguente schema: M.XXYYZZ - dove M è la cifra che identifica il materiale: 1 acciaio, 2 metalli pesanti escluso l acciaio (es. rame e sue leghe), 3 metalli leggeri (es. alluminio e sue leghe, titanio e sue leghe). - XX rappresenta il gruppo dell acciaio, riportato in una tabella allegata alla norma, suddivisa in acciai non legati (acciai di base, acciai di qualità, acciai speciali) ed acciai legati (acciai per utensili, acciai inossidabili, acciai strutturali e per costruzioni meccaniche). - YY è un numero sequenziale attribuito all acciaio. - ZZ ultime due cifre attualmente non utilizzate, previste per un impiego futuro. Le suddette sigle sono attribuite dall Ufficio Europeo di Registrazione che periodicamente rivede la lista degli acciai registrati, controllando quelli non più prodotti ed inserendo quelli di nuova produzione. 8

9 Designazione degli acciai secondo gli Standards AISI In America vi sono diversi enti che si occupano della designazione degli acciai: di seguito viene riportato il metodo seguito dall American Iron and Steel Institute (AISI) e dalla Society of Automotive Engineering (SAE). Secondo il metodo AISI, gli acciai al carbonio appartengono alla serie 1000 e sono designati con un numero di quattro cifre, eventualmente preceduto da un prefisso: - prima cifra: 1, - seconda cifra: 0 (acciai al carbonio), 1 (acciai al carbonio risolforati), 2 (acciai al carbonio risolforati e rifosforati), - terza e quarta cifra: tenore di carbonio (espresso come percentuale in peso) moltiplicato per 100. Esempio: E 1020 acciaio con C=0.20% prodotto al forno elettrico; 1130 acciaio risolforato con C=0.30%. Anche la designazione degli acciai basso legati è effettuata tramite un numero di quattro cifre, di cui le prime due identificano la particolare serie (tabella 11.2) e le ultime due rappresentano il tenore di carbonio moltiplicato per 100. Esempio: 4340 acciaio con Ni=1.8%, Cr= %, Mo=0.25% e C=0.40%. 9

10 Tabella 11.2 Principali classi di acciai bassolegati secondo le Norme AISI. (*) La lettera B contraddistingue gli acciai in cui è presente il boro. 13XX Mn 1.75% 40XX Mo 0.20 o 0.25%; oppure Mo 0.25% e S 0.042% 41XX Cr 0.50, 0.80 o 0.95%, Mo 0.12, 0.20 o 0.30% 43XX Ni 1.83%, Cr 0.50 o 0.80%, Mo 0.25% 44XX Mo 0.53% 46XX Ni 0.85 o 1.83%, Mo 0.20 o 0.25% 47XX Ni 1.05%, Cr 0.45%, Mo 0.20 o 0.35% 48XX Ni 3.50,%, Mo 0.25% 50XX Cr 0.40% 51XX Cr 0.80, 0.88, 0.93, 0.95 o 1.00% 61XX Cr 0.60 o 0.95%, V 0.13 o 0.15% 86XX Ni 0.55%, Cr 0.50%, Mo 0.20% 87XX Ni 0.55%, Cr 0.50%, Mo 0.25% 88XX Ni 0.55%, Cr 0.50%, Mo 0.35% 92XX Si 2.00%; oppure Si 1.40% e Cr 0.70% 50BXX (*) Cr 0.28 o 0.50% 51BXX (*) Cr 0.80% 81BXX (*) Ni 0.30%, Cr 0.45%, Mo 0.12% 94BXX (*) Ni 0.45%, Cr 0.40%, Mo 0.12% 10

11 Per quanto riguarda gli acciai altolegati, AISI e ASTM (American Standards for Testing of Materials) classificano le principali tipologie disponibili sul mercato: serie 200, acciai inossidabili austenitici al cromo - manganese serie 300, acciai inossidabili austenitici al cromo - nichel serie 400, acciai inossidabili ferritici e martensitici In tabella 11.3 sono riportate a confronto le sigle identificative di alcune tipologie di acciai inossidabili espresse secondo le Norme UNI EN e AISI. Tabella 11.3 Corrispondenze delle designazioni UNI EN e AISI per alcuni acciai inossidabili. Designazione UNI EN alfanumerica Designazione UNI EN numerica Designazione AISI Microstruttura X 5CrNi Austenite X 5CrNiMo Austenite X 2CrNiMo L Austenite X 12Cr Martensite X 8Cr Ferrite 11

12 Designazione secondo gli Standards ASTM Secondo le Norme dell America Standard for Testing and Materials (ASTM), tutte le leghe ferrose vengono denominate con la lettera A, seguita da un numero che contraddistingue un determinato prodotto. Tale numero è sequenziale ed è assegnato arbitrariamente; ad esso si fa seguire il suffisso M se nello standard della lega in questione i dati riportati sono espressi con le unità di misura del sistema metrico internazionale. Comunemente vengono utilizzati i seguenti termini per caratterizzare una lega: - Grade: composizione chimica, - Type: pratica di de ossidazione, - Class: una proprietà specifica come la finitura superficiale o la resistenza meccanica. Ad esempio, con ASTM A a Grade A, Grade B, Grade C si indica un acciaio al carbonio per tubi senza saldatura per impieghi ad alta temperatura. I gradi A, B, C sono in ordine di resistenza meccanica crescente e quindi, trattandosi di un acciaio al carbonio, di tenore di carbonio crescente. Molte specifiche ASTM sono state adottate dall American Society of Mechanical Engineers (ASME) che riporta le denominazioni inalterate con la sola aggiunta del prefisso S. 12

13 Designazione acciai secondo gli Standards ABS Gli acciai utilizzati nelle costruzioni navali sono standardizzati secondo la normativa dell American Bureau of Shipping (ABS). Gli acciai ABS sono acciai strutturali raggruppati in due categorie principali, come indicato in tabella Tabella 11.4 Gradi degli acciai ABS per costruzioni navali. La tenacità di questi acciai cresce nel passare dal grado A al grado F. Essa viene definita con un valore minimo (pari a 27 J negli acciai normali da scafo), misurato nella prova Charpy alle temperature di 20 C (grado A), 0 C (grado B), -20 C (grado D), -40 C (grado D), -60 C (grado F). Nelle certificazioni, tali acciai sono designati con la sigla AB/ seguita dal grado. Esempio: AB/A è un acciaio strutturale con carico di snervamento di 235 MPa, carico di rottura di 400 MPa e tenacità di 27 J a 20 C. Acciai ABS Grado R s (MPa) R m (MPa) Acciai normali da scafo A, B, D, E Acciai elevata resistenza AH32, DH32, EH32, F AH36, DH36, EH36, F AH40, DH40, EH40, F

14 CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI Ai fini pratici e didattici è possibile raggruppare gli acciai nelle seguenti grandi categorie. - Acciai da costruzione di uso generale: corrispondono a quelli dei sottogruppi della Norma UNI EN ( ), trattandosi di acciai al carbonio generalmente non legati. - Acciai speciali da costruzione, trattati per far fronte ad impieghi più gravosi rispetto ai precedenti, sono quelli del sottogruppo 2.1 delle Norme UNI (comprendono acciai da bonifica, da cementazione, acciai per molle, acciai autotempranti, acciai microlegati, etc.), sono legati e presentano caratteristiche meccaniche ottenute con varie modalità. - Acciai per la produzione di utensili, da impiegare in lavorazioni per taglio o per deformazione plastica dei metalli, corrispondono al sottogruppo 2.22 delle Norme UNI, trattandosi di acciai alto legati. - Acciai inossidabili, resistenti in ambienti corrosivi, con ottime proprietà meccaniche a caldo e a freddo, appartengono al sottogruppo 2.22 delle Norme UNI in quanto hanno comunque tenori di cromo superiori al 12%. - Acciai per usi particolari, caratterizzati da una data proprietà o attitudine (come gli acciai con determinate caratteristiche elettriche o magnetiche, gli acciai per lavorazioni alle macchine utensili ad alta velocità, gli acciai per impieghi ad alta o bassa temperatura, gli acciai per getti, etc.), determinata dagli elementi di lega o da particolari processi di produzione e, più in generale, tutti gli acciai che non rientrano nei precedenti 14 gruppi.

15 Gli acciai, oltre che per la composizione e le caratteristiche applicative, possono essere classificati anche in base al grado di deossidazione ed alle condizioni di solidificazione in lingottiera. Acciai effervescenti ed acciai calmati Il fenomeno dell effervescenza nel corso della solidificazione è dovuto alla presenza di ossigeno nel bagno che reagendo con il carbonio sviluppa bolle gassose di CO. A secondo del grado di deossidazione, gli acciai vengono suddivisi nelle seguenti categorie. - Acciai effervescenti: ad effervescenza libera (rimmed steel) o bloccata (capped steel), con soffiature ed eventuali disomogeneità di composizione; non presentano la cavità di ritiro ed hanno basso tenore di carbonio. - acciai calmati: semicalmati (semi killed steel) o calmati (killed steel), in relazione al grado di deossidazione non presentano soffiature; a questa categoria appartengono gli acciai legati, soprattutto se contenenti il cromo. 15

16 Durante la solidificazione in lingottiera si svolge la seguente reazione che porta ad effervescenza per sviluppo di gas: FeO + C Fe + CO Sezione di un lingotto: a) acciaio calmato, b) acciaio ad effervescenza bloccatta, c) acciaio semicalmato, d) acciaio calmato 16

17 ACCIAI DA COSTRUZIONE DI USO GENERALE Gli acciai da costruzione di uso generale sono acciai al carbonio, generalmente non legati, la cui produzione, relativamente a basso costo, rappresenta l aliquota maggiore di quella totale degli acciai. Per gli impieghi cui sono destinati, di solito vengono forniti allo stato grezzo di laminazione, al più dopo normalizzazione, mentre raramente subiscono il trattamento di bonifica. Per questi acciai si richiedono determinati valori del carico di snervamento e di rottura e/o caratteristiche più particolari come la saldabilità. 17

18 Acciai al carbonio Gli acciai al carbonio sono acciai non legati, considerandosi tali quando non viene specificato il contenuto minimo di elementi di lega quali Ni, Cr, Mo, Ti, V, Nb e comunque non contengono Mn e Si in tenori superiori all 1%. Gli acciai al carbonio si identificano sostanzialmente con quelli dei sottogruppi 2.11 e 2.12 della Norma UNI EN e con la serie 1000 della normativa AISI. Gli acciai al carbonio, essendo non legati, possono essere utilizzati solo per applicazioni in cui non sono richiesti requisiti particolarmente severi. Le loro principali limitazioni vengono riassunte nei seguenti punti: - non è possibile incrudire questi materiali senza una sostanziale perdita di duttilità e di resistenza all urto; - gli acciai a medio tenore di carbonio possono essere temprati solo con elevate velocità di raffreddamento, ciò porta ad avere pezzi tensionati in cui possono formarsi cricche; - date le elevate velocità di raffreddamento richieste, non è possibile temprare in profondità pezzi di spessore considerevole; - presentano il fenomeno della transizione duttile-fragile all abbassarsi della temperatura; - hanno scarsa resistenza alla corrosione ed alla ossidazione. 18

19 In tabella 11.5 sono riportate le caratteristiche meccaniche e le applicazioni tipiche degli acciai al carbonio della serie AISI Si osservi come la resistenza meccanica risenta delle condizioni di fornitura (laminato, a caldo o a freddo, trattato termicamente) e come cresca al crescere del tenore di carbonio e di manganese. Tabella 11.5 Acciai al carbonio AISI Sigla AISI Composizione chimica (% in peso) Condizioni Carico di rottura (MPa) Carico di snervam. (MPa) Allung. (%) Applicazioni C, 0.40Mn Lam. a caldo Lam. a fred Lamiere e nastri per formatura a freddo C, 0.45Mn Laminato Ricotto Lamiere e profilati per strutture C, 0.45Mn Laminato Ricotto Temprato e rinv. a 315 C Alberi, ingranaggi, bulloni C, 0.65Mn Laminato Ricotto Temprato e rinv. a 315 C Molle, ruote ferroviarie, stampi C, 0.80Mn Laminato Ricotto Temprato e rinv. a 315 C Molle, trefoli, stampi 19

20 Indice di saldabilità (carbonio equivalente) Nel caso di elementi da porre in opera in strutture saldate, si richiedono acciai saldabili con le comuni tecniche di cantiere, senza che incorrano in difetti tali pregiudicarne le prestazioni in esercizio. Con riferimento alla giunzione saldata schematicamente rappresentata in figura 11.1, possiamo distinguere tre zone con specifiche caratteristiche metallurgiche. Zona di completa fusione, formata dal metallo fuso durante il procedimento di saldatura ed in seguito solidificatosi: può essere costituita dal solo metallo base o dal metallo base insieme ad un apposito metallo di apporto; Zona termicamente alterata, immediatamente adiacente alla precedente, in cui il ciclo di riscaldamento e raffreddamento può essere tale da alterare significativamente le caratteristiche meccaniche del materiale. Metallo base inalterato. Fig Macrografia di una sezione saldata: a) zona fusa, b) zona termicamente alterata, c) metallo base. 20

21 La riuscita di una giunzione saldata è legata a caratteristiche geometriche (irregolarità nel cordone, cricche, porosità, etc.) e ad aspetti tipicamente metallurgici relativi alla microstruttura della ZF (struttura dendritica, segregazioni, disomogeneità di composizione, etc.) e della ZTA (strutture di tempra negli acciai, sovrainvecchiamento delle leghe leggere, etc.), nonché all insorgere di stati tensionali (macro e micro tensioni) conseguenti ai cicli termici di saldatura. La saldabilità di una materiale può essere valutata confrontando i risultati di prove meccaniche (durezza, carico di snervamento, carico di rottura, deformabilità, tenacità, etc.) su giunti saldati con quelle sul metallo base. Con la prova di microdurezza Vickers si riescono a misurare variazioni punto per punto delle proprietà meccaniche nelle sezioni saldate. In generale nella zona termicamente alterata degli acciai al carbonio possono verificarsi i seguenti fenomeni: - ingrossamento del grano austenitico, per la permanenza in temperatura, e conseguente riduzione sia della resistenza meccanica che della resilienza. - formazione di strutture di tempra durante il raffreddamento, indesiderate per la loro fragilità; - infragilimento dovuto alla precipitazione di carburi, per soste nel campo delle temperature di sensibilizzazione, fenomeno esaltato dalla presenza del cromo. 21

22 La microstruttura alterata può riacquistare le caratteristiche originarie mediante opportuni trattamenti termici; tuttavia, ciò non è pensabile che possa essere effettuato in elementi saldati in opera. Pertanto una lega si ritiene saldabile quando la composizione è tale che nella zona termicamente alterata il materiale mantenga le caratteristiche metallurgiche originarie, senza che debbano impiegarsi particolari tecniche o che lo si debba sottoporre a successivi trattamenti termici. In linea generale, un acciaio al carbonio di uso comune può ritenersi saldabile con le normali tecniche se C 0.20%. Per tenori maggiori ed in presenza di elementi di lega, un buon indice della saldabilità è costituito dal cosiddetto carbonio equivalente C E dato dalla seguente formula: C E = C + Mn / 6 + (Cr+Mo+V) / 5 + (Ni+Cu) / 15 Con C E <0.4% si ha una buona saldabilità del materiale, mentre con 0.4< C E < 0.6 l acciaio è saldabile con pre-riscaldo e con C E > 0.6 nascono problemi di saldabilità e si rendono necessari trattamenti di pre e post-riscaldo. 22

23 Saldatura per fusione Caratteristiche metallurgiche dei giunti Zona termicamente alterata in acciai al carbonio: 1) zona fusa, 2) linea di fusione, I) zona surriscaldata, II) zona a grana fine normalizzata (oppure temprata), III) zona parzialmente normalizzata, IV) zona ricristallizzata, V) zona invecchiata. 23

24 Acciai al C 24

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27 La figura mostra la correlazione tra le proprietà meccaniche, il contenuto di carbonio e la microstruttura in un acciaio al C normalizzato. 27

28 Esiste una relazione tra dimensioni medie del grano e resistenza alla deformazione plastica: il carico di snervamento di un acciaio, secondo la relazione di Hall-Petch, è inversamente proporzionale alla radice quadrata delle dimensioni medie d dei grani sy =so+ k 1 d Dove k è una costante di proporzionalità e so dipende dalla resistenza complessiva opposta dal reticolo cristallino al movimento delle dislocazioni. 28

29 ACCIAI SPECIALI DA COSTRUZIONE A questi acciai (sottogruppo 2.21 della Norma UNI EN ) vengono richieste prestazioni maggiori, ottenute sia attraverso l alligazione che l impiego di trattamenti termici. Di seguito vengono ricapitolati i principali metodi di rafforzamento meccanico. - Rafforzamento per incrudimento: si verifica nei materiali sottoposto a lavorazioni plastiche a freddo, come nel caso di prodotti laminati o trafilati. Comporta un incremento di resistenza meccanica a scapito di deformabilità e tenacità, inoltre non tutte le leghe hanno attitudine a deformarsi e quindi si prestano a questo scopo. - Rafforzamento per soluzione solida: gli atomi di soluto, sia sostituzionali che interstiziali, interagendo con le dislocazioni, accrescono la resistenza meccanica del materiale; per di più gli elementi che stabilizzano la fase a temperatura ambiente portano anche un miglioramento della tenacità. - Rafforzamento per precipitazione: in questo caso il movimento delle dislocazioni è limitato dalla presenza di una seconda fase, che può essere costituita da carburi o da altri precipitati, come nel caso delle leghe ad alto tenore di Ni (superleghe), dove sono presenti composti intermetallici a struttura ordinata in una matrice CFC. Soprattutto la precipitazione di carburi produce una certa riduzione della tenacità. - Rafforzamento dovuto a microstrutture martensitiche: la martensite ottenuta mediante tempra è caratterizzata da durezza e fragilità elevate in ragione del tenore di carbonio. Il successivo rinvenimento permette di ottimizzarne le caratteristiche meccaniche. - Rafforzamento per affinamento del grano attraverso opportuni trattamenti termici e con l aggiunta di particolari elementi microalliganti: la riduzione delle dimensioni cristalline ha effetti positivi sia sul carico di rottura che sulla tenacità. Tale meccanismo di rafforzamento risulta particolarmente idoneo nel caso degli acciai a matrice a CCC. Esso viene conseguito con l affinamento del grano in fase austenitica ottenuto attraverso l aggiunta di elementi microalliganti come Al, Nb, V e Ti. 29

30 La scelta di un meccanismo di rafforzamento o di un determinato trattamento termico è fondamentale per definire le caratteristiche di impiego dell acciaio. In particolare nel caso di strutture saldate, notevole attenzione viene rivolta alla tenacità del materiale e ad alle modalità di propagazione della frattura. In tabella 11.6 vengono riportate le caratteristiche meccaniche di acciai bassolegati appartenenti a varie classi AISI. Si tratta di acciai a basso o medio tenore di carbonio dove, grazie alla presenza di elementi di lega (Mn, Ni, Cr, Mo) e a trattamenti termici di normalizzazione o di bonifica, viene raggiunta un elevatissima resistenza meccanica (carichi di rottura fino a 2000 MPa). Tabella 11.6 Acciai bassolegati AISI. Sigla AISI Composizione chimica (% in peso) Condizioni Carico di rottura (MPa) Acciai al manganese Carico di snervam. (MPa) Allung. (%) Applicazioni C, 1.75Mn Ricotto Temprato e rinv. a 315 C Acciai al cromo Bulloni ad alta resistenza C, 0.80Cr, 0.80Mn C, 0.80Cr, 0.90Mn Ricotto Temprato e rinv. a 315 C Ricotto Temprato e rinv. a 315 C Acciai al Cr-Mo Trasmissioni ed ingranaggi per veicoli Parti di macchinari C, 1.0Cr, 0.9Mn, 0.2Mo Ricotto Temprato e rinv. a 315 C Acciai al Ni-Mo Ingranaggi, trasmissioni C, 3.50Ni, 0.60Mn, 025Mo Ricotto Normalizzato Acciai al Ni-Cr-Mo Ingranaggi per macchinari C, 1.83Ni, 0.9Mn, 0.8Cr, 0.20Mo Ricotto Temprato e rinv. a 315 C Pezzi di grande sezione, parti di camion 30

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32 Acciai da bonifica Questi acciai vengono messi in opera dopo trattamento di bonifica, comprendente tempra, in acqua o in olio, seguita da rinvenimento intorno ai 600 C. In questo modo viene realizzato un ottimo compromesso tra durezza e resistenza meccanica da un lato e deformabilità e resistenza agli urti dall altro. La struttura di questi acciai è sorbitica, in grado di assicurare ottime proprietà di resistenza e tenacità, anche in relazione agli elementi di lega presenti. Tali materiali vengono utilizzati per componenti meccanici come alberi, assi, pignoni, bielle, leve, rotismi, etc. Gli acciai da bonifica possono essere al solo carbonio o debolmente legati (tabella 11.7). - Acciai da bonifica al solo carbonio (0.25 < C < 0.6%), caratterizzati da una bassa temprabilità che comporta l uso di mezzi drastici di tempra e strutture martensitiche limitate a spessori contenuti. -Acciai da bonifica debolmente legati che, oltre al carbonio, possono contenere Ni (<5%), Cr (<3%), Mn (<2%), Mo (<0.8), V (<0.2%) e sono caratterizzati da un elevata temprabilità e da migliori caratteristiche meccaniche e di tenacità, tanto da essere impiegati per organi meccanici di grandi dimensioni e/o particolarmente sollecitati. Contenute percentuali di Cr e di Ni sono in grado di rallentare la velocità di tempra, accrescendo la temprabilità. Il molibdeno, oltre a migliorare la temprabilità, modifica la morfologia dei carburi che precipitano durante il rinvenimento, riducendo i fenomeni di fragilità. Il vanadio, aggiunto in tenori %, ha un notevole effetto affinante sulle dimensioni dei grani. Naturalmente rispetto agli acciai da bonifica al solo carbonio, quelli legati hanno un 32 costo maggiore dovuto alla presenza degli elementi di lega.

33 Tabella 11.7 Acciai da bonifica UNI EN. Sigla UNI EN Composizione chimica (% in peso) Carico di rottura (MPa) Carico di snervam. (MPa) Allung. (%) Acciai al carbonio C C, 0.65Mn C C, 0.70Mn C C, 0.75Mn C C, 0.75Mn Acciai al cromo 40 Cr4 0.40C, 0.65Mn, 1.0Cr Acciai al Cr-Mo 30 CrMo4 0.30C, 0.55Mn, 1.0Cr, 0.2Mo CrMo4 0.40C, 0.85Mn, 1.0Cr, 0.2Mo Acciai al Cr-Ni-Mo 30 NiCrMo C, 0.65Mn, 0.80Cr, 2.9Ni, 0.45Mo NiCrMo 2 0.4C, 0.85Mn, 0.50Cr, 0.55Ni, 0.20Mo

34 Acciai autotempranti Sono acciai che, in pezzi di piccolo spessore, assumono la struttura martensitica per semplice raffreddamento in aria calma (normalizzazione) e che danno la possibilità di temprare, sia pure in acqua, pezzi di spessore molto grande. Con questi materiali si costruiscono, infatti, ingranaggi di elevate dimensioni e grandi stampi per lavorazioni meccaniche. L elevata temprabilità di questi acciai è dovuta agli elementi leganti che spostano verso destra le curve CCT, ritardando le trasformazioni. Le caratteristiche meccaniche di un tipico acciaio autotemprante, come il 34 NiCrMo 16, sono riportate in figura 11.2 in funzione della temperatura di rinvenimento. Si osservi come ottime caratteristiche di resistenza e tenacità si raggiungano con rinvenimento intorno ai 200 C, mentre viene riscontrata, intorno ai 400 C, la cosiddetta fragilità al rinvenimento, causata da fenomeni di precipitazione di carburi. Fig Curve di rinvenimento dell acciaio autotemprante 34 NiCrMo 16: a) carico di rottura, b) carico di snervamento allo 0.2%, c) energia assorbita la pendolo Charpy, d) allungamento a rottura. 34

35 Acciai per molle Per al realizzazione di molle occorrono acciai con elevato rapporto carico di snervamento / carico di rottura. Gli acciai per molle si suddividono in due classi: -acciai al carbonio (con C fino all 1%), incruditi per lavorazione meccanica a freddo (laminazione o trafilatura) in modo da innalzare il carico di snervamento, utilizzati per molle di piccole dimensioni; -acciai legati da sottoporre al trattamento termico, utilizzati per la costruzione di molle di grandi dimensioni. L elemento di lega caratterizzante questi acciai è il silicio; il trattamento termico, in genere, è la tempra con rinvenimenti a temperature intorno ai 400 C, in modo da ottenere un elevato carico di snervamento. In tabella 11.8 sono riportate le composizioni e le caratteristiche meccaniche di alcuni tipici acciai per molle. Sigla UNI EN Composizione chimica (% in peso) Acciai al solo C-Si Carico di rottura (MPa) Carico di snervam. (MPa) Allung. (%) 48 Si7 0.48C, 0.65Mn, 1.75Si Si7 0.60C, 0.75Mn, 1.75Si Acciai al C-Si con ulteriori elementi alliganti 60 SiCr C, 0.85Mn, 1.95Si, 0.35Cr SiCrMo C, 0.65Mn, 1.50Si, 0.63Cr, 0.2Mo SiCrNi C, 0.80Mn, 1.35Si, 0.85Cr, 0.6Ni Tabella 11.8 Acciai per molle UNI EN. 35

36 Acciai per carbocementazione Gli acciai per carbocementazione sono caratterizzati da un basso tenore di carbonio (C<0.20%), allo scopo di favorire la diffusione negli strati superficiali del carbonio proveniente dal mezzo cementante. Per migliorarne la temprabilità, questi acciai sono legati con Cr, Ni e Mo in tenori dell ordine di quelli degli acciai da bonifica. Il trattamento di carbocementazione consiste in una permanenza del materiale in forno a temperature superiori ad A 3 ed in presenza di sostanze carburanti allo stato solido, liquido o gassoso. Alla cementazione fa seguito una tempra con rinvenimento a temperature intorno ai C, allo scopo di raggiungere elevate durezze nello strato cementato del pezzo, per uno spessore di qualche decimo di mm, mentre all interno, grazie al basso tenore di carbonio, il materiale si mantiene tenace. In questo modo vengono raggiunte durezze superficiali di 700 HV. 36

37 Acciai per nitrurazione Gli acciai per nitrurazione hanno composizione diversa da quelli per carbocementazione: si tratta sostanzialmente di acciai da bonifica con tenore di carbonio C = %, contenti elementi quali Cr, Mo, e Al che formano con facilità nitruri più efficaci di quelli del ferro nell incrementare la durezza del materiale. Il processo consiste nell esporre il materiale ad una corrente gassosa circolante di ammoniaca ad una temperatura compresa nell intervallo C. Sotto l effetto catalizzante del ferro, l ammoniaca si dissocia in idrogeno ed azoto che diffonde parzialmente nel metallo. La temperatura del processo non molto elevata ha il duplice vantaggio di non modificare sostanzialmente la struttura del cuore dei pezzi e di ridurre al minimo le distorsioni al raffreddamento. Come la carbocementazione, anche la nitrurazione è governata dalle leggi della diffusione, tuttavia i meccanismi di indurimento sono completamente diversi: nel primo caso, l indurimento è dovuto al successivo trattamento di tempra che porta alla formazione di strati martensitici; mentre, nel secondo caso, l azoto indurisce direttamente la zona nitrurata grazie alla formazione di nitruri nel corso del processo di diffusione. Di conseguenza i pezzi nitrurati non devono essere sottoposti a successivi trattamenti di tempra. I pezzi nitrurati sono caratterizzati da una durezza superficiale maggiore di quelli cementati, raggiungendo anche 1200 HV. Tuttavia lo strato superficiale ha uno spessore 37 minore, è più fragile ed inoltre il processo di nitrurazione risulta più costoso.

38 Acciai microlegati ad alta resistenza A questo gruppo appartengono acciai per impieghi strutturali, con basso tenore di carbonio ( %) e dei consueti elementi di lega e con l aggiunta di particolari elementi microalliganti (V, Nb, Ti, B) in tenori inferiori allo 0.15%, che vengono forniti allo stato di laminati a caldo e messi in opera, in genere, senza dover effettuare ulteriori trattamenti termici. Questi acciai, caratterizzati da elevata resistenza meccanica, sono comunemente identificati dalla sigla HSLA (Hig Strength Low Alloy). Storicamente l acciaio più utilizzato in applicazioni strutturali è l acciaio al carbonio con C = 0.20%, che non possiede particolari proprietà di resistenza meccanica, ma è tenace a bassa temperatura ed ha una buona saldabilità. La domanda di acciai che abbiano al contempo elevata resistenza meccanica e tenacità con buone caratteristiche di saldabilità, per applicazioni strutturali in lamiere o profilati di grandi dimensioni per i quali non sarebbe agevole effettuare trattamenti termici, ha portato allo sviluppo degli acciai microlegati. 38

39 Il rafforzamento degli acciai microlegati avviene principalmente attraverso l affinamento della grana cristallina durante il processo di laminazione a caldo. In un acciaio al carbonio laminato a caldo le dimensioni di grano sono tipicamente intorno ai m, mentre gli acciai microlegati possono avere dimensioni di grano di circa 5 m. Pertanto, si passa da valori del carico di snervamento e del carico di rottura rispettivamente di circa 280 MPa e di circa 380 MPa propri di un comune acciaio al carbonio con C = 0.20% allo stato ricotto, a valori rispettivamente di MPa e di MPa tipici degli acciai microlegati a basso tenore di carbonio. La riduzione delle dimensioni di grano viene ottenuta attraverso piccolissime quantità di elementi di lega quali il Nb e il V. Tenori estremamente bassi di questi elementi sono sufficienti per il controllo delle dimensioni di grano, da cui la definizione di acciai microlegati. A titolo di esempio, in figura 11.3 sono riportate le curve di ricristallizzazione dell austenite di un acciaio al C-Mn microlegato con Nb e V. L azione di questi elementi di lega si esplica ritardando la ricristallizzazione dell austenite durante la fase di riscaldamento che precede la laminazione a caldo del materiale, in quanto formano precipitati, come carburi o nitruri, in grado di interagire con il bordo dei grani austenitici. Il controllo delle dimensioni dei grani austenitici è basilare per limitare le dimensioni finali dei grani nel materiale. L ottenimento della struttura finale ferritica a grana fine avviene attraverso un trattamento termomeccanico complesso, che comprende vari stadi di laminazione a caldo a diverse temperature. 39

40 Ulteriori contributi al rafforzamento degli acciai HSLA sono dati dalla formazioni di microprecipitati a seguito della ridotta solubilità degli elementi microalliganti nella ferrite rispetto all austenite. Tali microprecipitati si formano all interfaccia ferrite - austenite durante la trasformazione. Un altro meccanismo di rafforzamento negli acciai HSLA è legato alla presenza di Mn in soluzione solida nella ferrite per tenori fino al 2%. Fig Curve di ricristallizzazione a T=950 C: a) acciaio comune al C-Mn, b) aggiunta di Nb=0.03%, c) aggiunte di Nb=0,03 e V=0.05%, d) aggiunte di Nb=0.03 e V=0.20%. 40

41 Acciai dual-phase Gli acciai dual-phase sono una classe recente degli acciai HSLA, sviluppata a partire dalla fine degli anni 1970, con basso tenore di C (circa 0.1%), Mn compreso tra 1 e 2% e con V come elemento microalligante in tenore dello 0.04%. La loro microstruttura è caratterizzata da isole martensitiche all interno di una matrice duttile ferritica (da cui il termine dual-phase). Questa particolare microstruttura viene ottenuta effettuando un riscaldamento a temperature comprese tra A 1 e A 3, nel campo bifasico in cui coesistono ferrite e austenite. Ciò comporta la formazione di zone austenitiche che, data la maggiore solubilità rispetto alla ferrite, si arricchiscono di carbonio. Il successivo processo di tempra comporta la formazione di isole martensitiche. Il Mn assicura una buona temprabilità dell acciaio. Gli elementi microalliganti quali V e Nb assicurano il controllo delle dimensioni dei grani e la formazioni di microprecipitati indurenti. La struttura dual-phase consente di ottenere un elevata resistenza meccanica unitamente ad un ottima duttilità, come mostrato in figura 11.4, dove si riportano gli andamenti tipici della curva sforzi-deformazioni per gli acciai HSLA, dual-phase e per confronto per un comune acciaio dolce, L acciaio dual-phase presenta un andamento continuo della curva sforzi-deformazioni, con snervamento convenzionale allo 0.2% di deformazione permanente, ed allungamenti a rottura superiori rispetto a quelli dell acciaio HSLA di pari resistenza meccanica. 41

42 Fig Comportamenti a trazione: a) acciaio HSLA, b) acciaio dual phase, c) acciaio dolce. 42

43 Acciai maraging Sono acciai speciali da costruzione a bassissimo tenore di carbonio (C<0.03%), con elevate caratteristiche meccaniche raggiunte grazie agli elementi di lega Ni (15-20%), Mo (3-5%) Co (7-9%), Ti ( %), Al ( %) e ad un particolare processo di produzione (trattamento maraging). Dato il bassissimo tenore di C e l elevato tenore di Ni, possono considerarsi come leghe Fe- Ni. Queste leghe sono suscettibili alla trasformazione dell austenite in martensite che, data l assenza di C, presenta particolari proprietà: buona resistenza meccanica abbinata ad ottima tenacità ed invariabilità della struttura per riscaldamenti fino a ca. 500 C. Le ottime caratteristiche meccaniche vengono ottenute nella struttura martensitica di partenza (mar-) mediante rinvenimento per alcune ore, o invecchiamento (-aging), grazie alla precipitazione di composti intermetallici a base di Co, Mo e, in misura minore, Ti e Al. Il trattamento maraging consiste in un riscaldo in campo austenitico (a temperature non troppo elevate per evitare l ingrossamento del grano austenitico), da un raffreddamento in aria e dal successivo invecchiamento a 480 C per 3-6 C, anch esso seguito da raffreddamento in aria Con questo trattamento si raggiunge un elevatissima resistenza meccanica (carico di rottura oltre i 2000 Mpa) con alto valore del rapporto carico di snervamento / carico di rottura (fino al 90%) e con buona tenacità (un applicazione caratteristica sono le lame dei fioretti). Gli acciai maraging sono utilizzati nell industria spaziale ed aeronautica e più in generale nell industria meccanica, in applicazioni dove le temperature di esercizio sono inferiori a quella di invecchiamento. 43

44 ACCIAI PER UTENSILI Agli acciai per utensili (sottogruppi 2.21 e 2.22 delle Norme UNI EN) si richiedono proprietà specifiche in relazione alla tipologia di strumento: utensili da taglio per asportazione di truciolo (utensili da tornio, frese, etc.) o da adibire a lavorazioni plastiche, a caldo o a freddo (magli, punzoni, etc.). Gli acciai per utensili devono resistere ad una complessa gamma di sollecitazioni e possedere, quindi, proprietà come durezza, tenacità, resistenza all usura, agli urti, etc. - Durezza: è la proprietà più importante degli acciai per utensili. Elevate durezze si ottengono con microstrutture martensitiche e con la precipitazione di carburi; di conseguenza, si deve studiare un composizione ottimale degli elementi di lega, anche ai fini della temprabilità. - Resistenza all usura: è strettamente connessa alla durezza e può essere ulteriormente accresciuta facendo precipitare carburi di metalli pesanti (Cr, Mo, W, V). - Tenacità: come è noto, varia in senso inverso alla durezza. Occorre, quindi, realizzare il miglior compromesso tra queste due proprietà, anche in considerazione del tipo di impiego cui verrà sottoposto l utensile. A favore della tenacità giocano, come è noto, i bassi tenori di carbonio e le elevate temperature di rinvenimento. - Resistenza agli shock termici, che possono verificarsi negli utensili durante i cicli di lavorazione: i gradienti termici comportano variazioni di volume che possono portare a tensioni interne e a cricche nel materiale. Tutto ciò viene esaltato dalla presenza di elementi di lega che riducono la conducibilità termica del ferro. - Attitudine al taglio, proprietà richiesta negli utensili da taglio, nei quali viene specificata la durata tra due affilamenti. Naturalmente tale proprietà è condizionata dalla durezza e dalla 44 resistenza all usura, ma anche dalla tenacità se l utensile è soggetto ad urti.

45 Questo insieme di proprietà non può trovarsi nei comuni acciai al carbonio, in quanto la tenacità della martensite è trascurabile e, nello stesso tempo, la durezza non è sufficiente a garantire una buona resistenza all usura, anche nel caso di acciai ipereutettoidi in cui è presente la cementite secondaria. Inoltre, le strutture di tempra perdono rapidamente le loro proprietà per effetto del riscaldamento. Per tutte queste ragioni, si ricorre alla alligazione con elementi di lega, quali Cr, W, Mo, Co, Ni, V, Mn. Gli acciai per utensili vengono suddivisi in tre gruppi (tabella 11.9). - Acciai rapidi: sono impiegati per utensili da taglio per lavorazioni con asportazioni di truciolo, non soggetti ad urti (punte elicoidali, maschi, filiere, brocce, etc.). Tali acciai vengono così denominati per le elevate velocità di taglio cui possono essere utilizzati (ca. 30 m/min). Hanno alti tenori di carbonio ( %) e contengono Cr, W, Mo, V e Co. Quest ultimo elemento caratterizza i cosiddetti acciai super-rapidi, con rendimenti nel taglio ancora superiori. Secondo la Norma UNI 2955 sono identificati dalla sigla HS, seguita nell ordine dalle percentuali di W, Mo, V e Co, pertanto la designazione X 148 WVCoMo KU (Norma Uni EN 10027) corrisponde a HS (Norma UNI 2955). Il trattamento termico consiste in una tempra seguita da un rinvenimento per il conseguimento della massima durezza a seguito della precipitazione secondaria dei carburi. 45

46 - Acciai per lavorazioni a caldo: vengono utilizzati per matrici e stampi per operazioni a caldo. Devono possedere un insieme di requisiti come la resistenza agli urti, la stabilità al riscaldamento delle strutture di rinvenimento, la resistenza all ossidazione a caldo e l elevata conducibilità termica. La loro composizione chimica è opportunamente predisposta per ottenere un buon compromesso tra i suddetti requisiti: il tenore di carbonio è, in genere, non molto alto ( %); altri elementi di lega sono il Ni, il Cr e il W. Il trattamento termico consiste in una tempra seguita da un rinvenimento a temperature che devono essere superiori a quelle di esercizio. - Acciai per lavorazioni a freddo: trovano impiego in stampi e matrici per lavorazioni plastiche a freddo o in parti di macchine che richiedono particolari requisiti. Le prestazioni richieste a questi acciai sono l elevata durezza, la resistenza alla usura unitamente alla tenacità. Come elementi di lega si utilizzano Cr, Mn, V. Il trattamento termico consiste in una tempra seguita da un rinvenimento a temperature tali da ottenere il miglior compromesso tra le caratteristiche meccaniche del materiale. 46

47 Tabella 11.9 Acciai per utensili: composizioni chimiche espresse come percentuali in peso. C Si Mn Cr Mo Ni V W Co Acciai per utensili da taglio X 100 MoVW KU 1.00 <0.5 < <1.0 X 87 WMoV KU 0.87 <0.5 < <1.0 X 123 WMoV KU 1.23 <0.5 < <1.0 X 80 WCoV KU 0.80 <0.5 < X148WVCoMo KU 1.48 <0.5 < Acciai per utensili per lavorazioni a caldo 30 CrMoV Ku CrMoCoV KU NiCrMoV 16 KU NiCrMoV 7 KU X 30 WCrV 9 3 KU X 40 CrMoV KU Acciai per utensili per lavorazioni a freddo 55 WCrV 8 KU MnVCr 8 KU CrV 3 KU X 41 Cr 13 KU 0.41 <1.0 < < X 38 CrMo 16 1 KU 0.38 <1.0 < X 102 CrMo 17 KU 1.02 <1.0 <

48 48

49 Il diagramma di Schaeffler Si è visto che gli elementi di lega influenzano la velocità della trasformazione perlitica. In generale la struttura ottenuta per normalizzazione o tempra presenta maggior interesse, ai fini applicativi della struttura di equilibrio. E possibile rappresentare in un diagramma, con sufficiente approssimazione, la struttura ottenibile a T ambiente, data la composizione dell'acciaio e mantenendo costante in un intervallo ben determinato la velocità media di raffreddamento (condizioni corrispondenti al raffreddamento in aria calma). Un diagramma di questo tipo è noto come diagramma di Schaeffler. Per costruire il diagramma di Schaeffler, si utilizza la divisione degli elementi di lega in stabilizzanti della ferrite e stabilizzanti dell'austenite e si assegna un fattore empirico di peso a ciascun elemento secondo l'efficacia dell azione stabilizzante (figura), per questo fattore dovranno essere moltiplicate le percentuali degli elementi presenti nell'acciaio. Si riporta quindi in ordinate la somma delle concentrazioni pesate degli elementi austenitizzanti e in ascisse quella degli elementi ferritizzanti e si delimitano, sulla base di osservazioni metallografiche, i campi di esistenza delle fasi. 49

50 In origine il diagramma di Schaeffler è stato introdotto per sistematizzare gli effetti microstrutturali nelle zone saldate di acciai inossidabili. Opportunamente modificato per tener conto anche della presenza di altri elementi oltre Ni e Cr, il diagramma è riportato in figura e dà utili indicazioni su come la microstruttura può essere modificata da un trattamento termico simile a quello della saldatura ordinaria. 50

51 Consideriamo due acciai abbastanza lontani dalla composizione degli acciai inossidabili al Ni-Cr. Un acciaio con composizione: 4.255% Ni, 1.25% Cr, 0.25% Mo, 0.45% Mn, 0.25% Si e 0.3% C. (sono stati sottolineati i valori relativi agli elementi austenitizzanti): Peso degli elementi stabilizzanti dell austenite (A): A = x x 30= = Peso degli elementi stabilizzanti della ferrite (F):F= x 1.5 = =1.875 Coordinate del punto A di figura e indicano che l'acciaio possiede struttura completamente martensitica; in effetti un acciaio di questa composizione è stato citato come autotemprante. 51

52 Sottoponiamo ora il diagramma di Schaeffler ad una verifica più approfondita considerando il caso di un acciaio (il 4340 v. fig.20 della sezione "Trattamenti Termici") di cui si conosca la composizione e la curva di temprabilità Jominy. Dall'andamento della curva di temprabilità deduciamo che si tratta fondamentalmente di una acciaio autotemprante. Tuttavia l'andamento della durezza, che decresce al diminuire della velocità di raffreddamento, indica la formazione di apprezzabili quantità di ferrite proeutettoide (l'accìaio a 0.4 %C mantiene la composizione ipoeutettoide). L'esame del diagramma di Schaeffler fornisce le seguenti conclusioni: omposizione dell'acciaio 4340: 0.38% C; 0.75% Mn; 1.71 % Ni; 0.77% Cr; 0.32% Mo. Peso degli elementi stabilizzanti dell'austenite (A): A = 0.38 x x = =13.48 Peso degli elementi stabilizzanti della ferrite (F): F = =2.09 Secondo queste coordinate anche questo acciaio dovrebbe essere completamente martensitico. In conclusione il diagramma di Schaeffler dà risultati accurati per acciai alto-legati al Cr-Ni e risultati orientativi di prima approssimazione per gli altri acciai legati. 52

53 Acciai inossidabili Il nome degli acciai inossidabili deriva dall elevata resistenza all ossidazione, dovuta all elevato contenuto in Cr, in grado di dar luogo, al di sopra di un certo contenuto minimo, alla formazione dell ossido di Cr (il Cr, meno nobile del Fe, forma però uno strato continuo e tenace di ossido, in grado di proteggere efficacemente l acciaio dalla corrosione). Si distinguono acciai inossidabili a struttura ferritica (ferrite ), martensitica o austenitica, tutti caratterizzati da un contenuto di Cr almeno 12% (ciò che conferisce l inossidabilità). Gli acciai inossidabili austenitici costituiscono un sottogruppo di acciai inox aventi una struttura austenitica, e contengono, oltre al Cr, anche il Ni in quantità sufficiente a stabilizzare l austenite a temperatura ambiente. Tali acciai sono in realtà sono da considerare delle leghe ternarie Fe-Cr-Ni con contenuti di Cr >18% e di Ni > 8%. Una loro caratteristica essenziale è che normalmente non subiscono la trasformazione, comunque elevata sia la velocità di raffreddamento a partire da alta temperatura. La natura praticamente monofasica della struttura austenitica migliora ulteriormente la resistenza alla corrosione dovuta al Cr. Le ottime caratteristiche meccaniche a caldo (temperature di servizio max circa C, a seconda della composizione) e a bassissima temperatura (non presenta transizione duttile-fragile), l elevatissima tenacità, rendono tali acciai fra i più adatti a far fronte a condizioni severe di impiego. Per la loro resistenza alla corrosione sono molto utilizzati anche a temperatura ambiente in molte applicazioni. Il costo elevato (dovuto soprattutto al contenuto di Ni) ne limita un impiego più estensivo. In tabella sono riportate le composizioni degli acciai inox austenitici della serie AISI 300, caratterizzati da un contenuto minimo di 18% Cr (in alcuni tipi 16%), 8% Ni con l aggiunta del 2% Mn. Il contenuto di carbonio è mantenuto molto basso; per la maggior parte dei casi C<0.10%; per alcuni tipi, detti low carbon, C 0.03 % (ad es. 304L). 53

54 Gli acciai inossidabili possono essere raggruppati in relazione alla microstruttura a temperatura ambiente: acciai austenitici acciai ferritici acciai martensitici duplex (microstruttura bifasica austenitica - ferritica) Naturalmente la microstruttura è determinante ai fini del comportamento a trazione ed alla prova Chrapy. Gli acciai martensitici hanno la maggiore resistenza meccanica, mentre quelli austenitici la maggiore duttilità; inoltre gli acciai austenitici hanno elevati valori di resilienza che si mantengono anche all abbassarsi della temperatura, mentre gli altri acciai presentano il fenomeno della transizione tenace fragile. 54

55 Caratteristiche meccaniche degli acciai inossidabili: a) prove di trazione, b) prove Charpy. 55