Introduzione ai materiali metallici: L Acciaio. Classificazione dei materiali da costruzione La produzione industriale dell acciaio

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1 Introduzione ai materiali metallici: L Acciaio Classificazione dei materiali da costruzione La produzione industriale dell acciaio La metallurgia primaria e secondaria I semilavorati: tecnologie produttive Proprietà meccaniche degli acciai Prove meccaniche Prova di trazione Resilienza Effetto della temperatura sulle caratteristiche meccaniche Confronto acciaio/calcestruzzo Materiali Cemento armato Calcestruzzo Murature Ceramici Metalli Polimeri Compositi 1

2 CHE COSA E L ACCIAIO? L acciaio è una lega di ferro e carbonio con tenore di carbonio fino al 2%. Contiene piccole percentuali di elementi in lega che ne modificano le caratteristiche meccaniche e microstrutturali La composizione chimica degli acciai è certificata (certificato di colata), così come le proprietà meccaniche Microstruttura dei materiali Materiali porosi (calcestruzzo, ceramiche tradizionali, pietre naturali.) Materiali non porosi (metalli, polimeri, vetri ) Calcestruzzo Acciaio 2

3 Metallurgia Primaria Semilavorati prodotti dal minerale di ferro ridotto per ottenere il metallo Secondaria Semilavorati prodotti dal riciclaggio del rottame ferroso Localizzazione delle acciaierie in Italia = E = acciaierie elettriche; = CI = acciaierie a ciclo integrale dati: Federacciai 2003 rivisitati;immagine: Federacciai) PROVINCIA TIPOLOGIA NUMERO UNITÀ Aosta E 1 Bergamo E 2 Bolzano E 1 Brescia E 13 Catania E 1 Cremona E 1 Cuneo E 1 Genova CI 1 Livorno CI 1 Milano E 1 Modena E 1 Novara E 1 Padova E 1 Potenza E 1 Taranto CI 1 Terni E 1 Torino E 2 Trento E 1 Trieste CI 1 Udine E 2 Varese E 2 Verona E 1 Vicenza E 2 Totale 40 3

4 Ciclo produttivo primario Si produce l acciaio in altoforno Gli impianti sono localizzati in zona costiera per favorire gli approvvigionamenti delle materie prime Alti costi di esercizio a causa delle quantità in gioco (volumi di carbone e minerale di ferro) Materie prime Minerale di ferro Carbone coke Calcare 4

5 Preparazione del COKE In Cokeria il carbone fossile viene frantumato, vagliato e miscelato con acqua e olio minerale Il materiale passa in una batteria di forni dove permane per 18 ore a 1000 C, diventando COKE Viene spento mediante pioggia d acqua nella torre di spegnimento Viene di nuovo frantumato e vagliato Il minerale di ferro Viene frantumato ed agglomerato con polverino di COKE e calcare, con funzione di fondente Si porta la miscela a fusione ottenendo un agglomerato Si procede a frantumazione dell agglomerato così ottenuto 5

6 L altoforno Reattore chimico costituito da un involucro metallico rivestito internamente da materiale refrattario, periodicamente reintegrato Produzione dell acciaio ciclo primario da minerale Altoforno 6

7 Conversione della ghisa Convertitore rivestito in refrattario inclinato e caricato con: 70% Ghisa liquida (da altoforno) 30% Rottame Viene insufflato ossigeno dal fondo Reazione violenta e rapida di decarburazione e trasformazione della ghisa in acciaio Produzione dell acciaio ciclo primario da minerale Cockeria Coke Impianto di trattamento Calcare Altoforno ghisa acciaio Convertitore Siviera Impianto di solidificazione Impianto di trattamento Minerale di ferro Rottame Elementi alliganti (Mn,Si,Al) 7

8 Ciclo produttivo secondario La materia prima è essenzialmente il ROTTAME Ciclo produttivo secondario Si utilizza un forno tondo basculante ad arco diretto trifase, rivestito in materiale refrattario e talvolta con pareti raffreddate ad acqua L arco fusorio si innesca calando gli elettrodi nel forno dove sono stati caricati in precedenza i rottami 8

9 Produzione dell acciaio (ciclo da rottame) Ciclo produttivo secondario Il rottame si riscalda e fonde sia per irraggiamento sia grazie alla presenza di bruciatori di ossicombustibile Il bagno di acciaio fuso si raccoglie sul fondo del forno mentre le scorie si depositano sulla superficie e vengono rimosse durante la descorificazione 9

10 Ciclo produttivo secondario Durante la fusione vengono estratti campioni di materiale fuso per verificarne la composizione chimica che può essere corretta mediante l aggiunta di elementi di lega carenti L acciaio fuso può passare alla siviera Operazioni in siviera Degasaggio con gas inerte Omogeneizzazione dell analisi di colata ed eventuale aggiunta di ulteriori ferroleghe Eventuale decarburazione ulteriore dell acciaio Desolforazione e defosforazione 10

11 lingottiera 18/05/2011 La produzione del semilavorato Lingottiera Colata continua Solidificazione in colata continua paniera 11

12 Produzione dell acciaio Le bramme sono prodotti di sezione rettangolare, ottenuti o dalla laminazione dei lingotti colati o dalla colata continua. Impianto di solidificazione Slebi Le billette e i blumi sono prodotti di forma Colata continua quadrata o rettangolare, ottenuti o dalla laminazione dei Forno di Gabbie di Blumi lingotti colati o dalla colata riscaldo laminazione continua. I blumi, rispetto alle billette, hanno Gabbie di Lingottiera Lingotti laminazione una sezione primaria maggiore. Blumi e billette sono in Billette Gabbie di genere utilizzati per la realizzazione di prodotti laminazione a freddo laminati a caldo lunghi. Laminazione a caldo Processo di deformazione plastica effettuato a circa C Necessario per cambiare forma al semilavorato derivante da lingotto o dalla laminazione continua Treno di laminazione composto da cilindri sagomati Ottenimento di numerose tipologie di prodotti per uso strutturale (tondo per ca) 12

13 Processo produttivo dell acciaio Fonderia: Metallo fuso Solidificazione in stampi dei getti Lavorazione di finitura superficiale del prodotto intermedio Processo produttivo dell acciaio Solidificazione e successiva deformazione Deformazione del semilavorato a caldo o a freddo Diverse proprietà meccaniche 13

14 getti semilavorati 18/05/2011 Processo produttivo dell acciaio Metallurgia delle polveri: sinterizzazione Il metallo liquido viene atomizzato in particelle dal diametro controllato Compattazione delle polveri Minore difettosità e maggiori costi da minerale Solidificazione Fusione Solidificazione da rottame Atomizzazione Ciclo di formatura dei metalli Deformazione plastica a caldo Solidificazione Deformazione plastica a freddo Compattazione Sinterizzazione sinterizzati Lavorazioni successive (trattamenti termici, macchine utensili, lavorazioni di carpenteria, trattamenti superficiali, trattamenti galvanici) 14

15 Proprietà meccaniche dei materiali Elasticità Rigidità Resistenza Plasticità Fragilità Resistenza all usura Durezza Resistenza a fatica Capacità di riprendere forma dopo la rimozione della sollecitazione Capacità di mantenere la forma in presenza di sollecitazione Capacità di resistere ai carichi Capacità di modificare la forma in modo permanente senza rompersi Tendenza a rompersi in frantumi a seguito di un urto (inverso della tenacità) Resistenza all azione superficiale di un altro corpo in contatto, in movimento relativo Resistenza alla scalfitura o alla penetrazione Resistenza all azione di una sollecitazione ciclica Equilibrio dei corpi rigidi F 1 i Fi 0 F 2 15

16 Azioni interne (definizione di tensione o sforzo) F 1 F F s S s F 2 s F S Unità di misura della tensione: [N/mm 2 ] 1 [N/mm 2 ] = 1 [MPa] Effetto di un carico di trazione/compressione F F F F compressione trazione 16

17 Definizione di deformazione F L/2 L n L L t l l l/2 F l/2 L/2 l l Le deformazioni sono grandezze adimensionali Prova di trazione È la prova principale per la caratterizzazione dell acciaio Permette la determinazione dei parametri reali del materiale che devono verificare quelli utilizzati dal progettista della struttura (D.M. 14/09/2005) 17

18 Prova di trazione La prova è eseguita attraverso macchine idrauliche o elettromeccaniche nelle quali sono afferrate le due estremità di un provino metallico a sezione tonda o rettangolare. Durante la trazione il provino è sottoposto ad una deformazione crescente fino alla sua rottura. Sono registrati i valori del carico applicato e dell allungamento del provino, da cui è possibile ricavare rispettivamente: - lo sforzo nominale, dividendo per l area della sezione iniziale del provino (la sezione minima resistente) - la deformazione nominale, calcolata utilizzando la lunghezza iniziale del tratto utile del provino. Prova di trazione: Curva sforzo - deformazione Il comportamento dell acciaio è di tipo elastoplastico o duttile Nel diagramma sono presenti 3 zone ben distinte: Il primo tratto, con andamento lineare, individua il comportamento elastico del materiale. Il secondo tratto è caratterizzato da una deviazione rispetto la proporzionalità diretta: è il campo di deformazione plastica uniforme del materiale metallico Il terzo tratto rappresenta il campo di deformazione plastica localizzata, che prende il nome di strizione, al termine della quale si verifica la rottura duttile del provino 18

19 f t Deformazione plastica uniforme Deformazione plastica localizzata f y Snervamento Deformazione elastica Prova di trazione: Curva sforzi reali - deformazioni reali Le curve sforzo-deformazione nominali non danno un indicazione completamente aderente alla realtà fisica poiché sono calcolate rispetto alle dimensioni originali del provino. Per determinare lo sforzo reale è necessario dividere il carico per l area minima istantanea della sezione trasversale del provino. Si può ricavare per lo sforzo reale la relazione: s s 1 R N Analogamente per la deformazione reale è necessario considerare la lunghezza istantanea del provino e si può ottenere la relazione: ln L R L 0 19

20 Curve Sforzo-Deformazione Nominali e Reali s R s N Stress 1 True Stress - Strain Curve Fracture f t Fracture Ultimate Tensile Strength Engineering Stress - Strain Curve R ln L L 0 Strain Comportamento elastico Nel tratto elastico il comportamento del materiale segue una relazione di proporzionalità diretta tra sforzo e deformazione La deformazione è di tipo reversibile: supponendo di rimuovere il carico in questo tratto della curva, il provino recupererebbe le sue dimensioni originali 20

21 Comportamento elastico s Moduli di elasticità Una grandezza direttamente ricavabile dalla curva sforzo-deformazione è il modulo di elasticità o di Young (E) che rappresenta la costante di proporzionalità che lega tensioni e deformazioni nel campo di validità della legge di Hooke. Questa legge descrive il legame costitutivo del materiale. s E n Si definisce modulo di Poisson (u il rapporto tra le deformazioni in direzione perpendicolare alla retta di applicazione del carico e nella direzione ad essa parallela t u n 21

22 Modulo di Young [GPa] 18/05/2011 s Moduli di elasticità n t s E n E = modulo di Young u t n s u = modulo di Poisson Malte, calcestruzzi Moduli di elasticità Acciai Densità [kg/dm 3 ] 22

23 Moduli di elasticità degli acciai: dati caratteristici Acciai generali da costruzione: N/mm 2 < E < N/mm 2 Acciai inossidabili: E = N/mm 2 TUTTI gli acciai: u pari a circa 0.3 La tensione di snervamento Nella progettazione di una struttura civile ha notevole interesse ingegneristico il valore della tensione in corrispondenza del quale viene meno la proporzionalità diretta tra sforzo e deformazione, ovvero Se la curva di trazione presenta un punto angoloso il valore dello sforzo in corrispondenza di questo rappresenta la tensione di snervamento f y 23

24 La tensione di snervamento Quando si verifica il fenomeno dello snervamento discontinuo, si determinano due distinti valori della tensione di snervamento f y corrispondenti al massimo ed al minimo registrati nella zona ad andamento oscillante. Se la curva è continua, il valore di f y è quello che produce una deformazione (ovviamente plastica) residua dello 0.2%. Si ricava tracciando una retta parallela al tratto elastico che interseca l asse delle deformazioni nel punto di ascissa 0.2% ed individuando l intersezione di questa con la curva sperimentale. Definizione di tensione di snervamento s Fig. 1 s Fig. 2 s Fig. 3 f y f y sup fy inf f y, % Snervamento discontinuo Snervamento continuo 24

25 Comportamento plastico Nel tratto compreso tra la tensione di snervamento e la tensione massima il materiale ha un comportamento di tipo plastico: si hanno deformazioni irreversibili uniformemente distribuite su tutta la lunghezza del tratto utile del provino. Supponendo di scaricare il provino in questo tratto la deformazione elastica accumulata nella fase di carico è completamente recuperata. Permane tuttavia una deformazione residua dovuta alla plasticizzazione del materiale. L ampiezza del tratto plastico indica la capacità del materiale di cambiare forma in modo permanente, ovvero dell attitudine a subire determinate lavorazioni. Comportamento plastico s Limite elastico p e 25

26 L incrudimento Supponendo di caricare nuovamente un provino già deformato plasticamente si ottiene una curva di trazione con un tratto elastico che si estende fino al massimo valore di tensione raggiunto durante la prima deformazione. Questo fenomeno di incremento del valore della tensione di snervamento è detto incrudimento. Incrudimento s f y3 R s R s f y2 incrudimento f y1 R s 26

27 Tensione di rottura La tensione di rottura f t è la massima tensione nominale raggiunta durante la prova di trazione e costituisce quindi il massimo valore di tensione sopportabile in esercizio, oltre il quale si giunge a rottura. La tensione di rottura individua la suddivisione del campo di deformazione plastica uniforme e quello di deformazione plastica localizzata (strizione). La semplicità di determinazione ed una consolidata consuetudine ne hanno fatto un importante parametro di caratterizzazione del materiale, spesso utilizzato in fase di specifica o di accettazione. Deformazione plastica uniforme Deformazione plastica localizzata f t f y Deformazione elastica 27

28 La strizione Fenomeno di deformazione plastica localizzata in un breve tratto del provino Si manifesta sino alla rottura del provino, con separazione delle due metà lungo una sezione perpendicolare all asse di applicazione del carico È indice della duttilità del materiale è quantificata attraverso il parametro Z% Strizione percentuale Z% s i s s i f Difficoltà di misurazione Allungamento percentuale a rottura A% l f l l i i 28

29 Energia elastica e energia per la deformazione plastica s Energia plastica Energia elastica L area sottesa alla curva di trazione rappresenta l energia (per unità di volume) necessaria rompere il provino Tale energia è un indice della TENACITÀ del materiale: Resistenza del materiale all innesco della frattura Fattori che influenzano l insorgenza della frattura fragile L acciaio non sempre si rompe in modo duttile, esistono alcuni fattori che possono determinare una frattura di tipo fragile, ovvero una rottura caratterizzata da una deformazione plastica minore o del tutto assente, con una corrispondente minor capacità di assorbimento di energia del materiale. Questi fattori sono: Bassa temperatura Alta velocità di carico (urto) Triassialità degli sforzi» Alto spessore» Difetti acuti (effetto intaglio) 29

30 La prova di resilienza: il pendolo di Charpy L effetto di temperatura ed urti sull acciaio è valutato tramite la prova di resilienza. Questa consiste nel colpire un provino intagliato con un coltello montato sul maglio del cosiddetto pendolo di Charpy (l urto avviene sul lato opposto rispetto all intaglio). La differenza tra l energia potenziale del maglio nella posizione di partenza, nota, e l energia potenziale all arresto del maglio, calcolabile misurando la risalita dello stesso dopo l urto e la rottura del provino, permette di ottenere l energia assorbita dal materiale. La prova di resilienza: pendolo di Charpy 30

31 a) Resilienza (J) b) Cristallinità (%) 18/05/2011 La prova di resilienza: temperatura di transizione duttile-fragile La prova di resilienza è eseguita su provini a differente temperatura, valutando l energia assorbita nell urto. È possibile quindi determinare una temperatura di transizione duttile-fragile T tr che identifica il passaggio del materiale da un comportamento di tipo fragile, con basso assorbimento di energia, ad uno duttile. Convenzionalmente T tr è individuata in corrispondenza del valor medio di energia assorbita. In alternativa, poiché la frattura di tipo fragile è caratterizzata da un aspetto cristallino, si può determinare la T tr come il valore di temperatura in corrispondenza del quale si ha un grado di cristallinità del 50%. Temperatura di transizione duttile / fragile T tr Temperatura ( C) 31

32 Effetto della temperatura sulle caratteristiche meccaniche La temperatura non influenza solamente la capacità del materiale di assorbire energia, ma determina una variazione anche delle altre proprietà meccaniche del materiale. All aumentare della temperatura diminuiscono infatti sia il modulo di elasticità dell acciaio che la sua resistenza meccanica (minor tensione di snervamento e minor tensione di rottura). Effetto della temperatura sul modulo di elasticità 32

33 Effetto della temperatura sulla resistenza di un acciaio s Incremento T Applicazioni strutturali in condizioni di bassa e alta temperatura Data l influenza della temperatura sulle caratteristiche dell acciaio è necessario, in particolari condizioni di esercizio, valutare gli eventuali problemi connessi. In condizioni climatiche estremamente rigide sarà necessario considerare il possibile effetto di urti sulla struttura, specialmente in presenza di intagli o zone di concentrazione delle tensioni. In modo analogo si terrà conto del forte degrado delle proprietà meccaniche in presenza di alte temperature, ad esempio in situazioni di incendio, dove in caso di struttura in cemento armato sarà fondamentale l azione isolante del copriferro. 33

34 Ambienti a basse temperature Effetto del calore sulle proprietà meccaniche: il rischio incendi 34

35 s n (N/mm 2 ) 18/05/2011 Comportamento a compressione F F compressione Comportamento a trazione/compressione Trazione Acciaio strutturale x Compressione ε n 35

36 s n (N/mm 2 ) 18/05/2011 Comportamento a trazione/compressione Calcestruzzo Trazione x Compressione ε n 36