ASPETTI METALLURGICI SULLE TECNICHE DI AFFINAMENTO DEL GRANO CRISTALLINO NEGLI ACCIAI

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1 Memorie >> Acciaio ASPETTI METALLURGICI SULLE TECNICHE DI AFFINAMENTO DEL GRANO CRISTALLINO NEGLI ACCIAI Stato dell arte ui trattamenti Termo-meccanici TMP e ulla deformazione platica evera SPD M. El Mehtedi, M. Cabibbo Gli acciai ferritici a grano ultrafine UFG ono degli acciai da cotruzione per uo generale con bao contenuto di carbonio. Sono chiamati coì perché la loro microtruttura è cotituita da grani di dimenione inferiore a 3 μm, di olito contengono anche piccole quantità di elementi microleganti come Nb, V e qualche volta il Ti; queti elementi giocano un ruolo importante ull affinamento del grano. Comunque acciai che contengono tali elementi fanno parte di una ottocategoria degli acciai generali da cotruzione denominata HSLA (High Strength Low Alloy) [1-2]. Il motivo dell enorme importanza di queti acciai è dovuto al fatto che l affinamento del grano ferritico è l unico metodo di rafforzamento dei metalli che oltre ad aumentare la reitenza meccanica migliora allo teo tempo la tenacità alle bae temperature [3]. PAROLE CHIAVE: acciaio, deformazioni platiche, lav. platiche caldo, trattamenti termo-meccanici, controllo procei INTRODUZIONE Come i può notare nella Fig. 1, la reitenza allo nervamento e la variazione della temperatura di tranizione migliorano contemporaneamente oltanto con l affinamento del grano. Con gli altri metodi i ha l aumento della reitenza a capito della tenacità. Norman Petch nel periodo inieme al uo collega Eric Hall è tato il primo dopo anni di prove a dimotrare perimentalmente la relazione che intercorre fra dimenione del grano e la reitenza allo nervamento [4]. In realtà Petch all inizio aveva trovato che il diametro medio del grano era inveramente proporzionale alla reitenza alle bae temperature e al clivaggio. Hall e Petch all inizio degli anni 50 ono riuciti a decrivere queto comportamento in un equazione detta appunto Relazione di Hall-Petch, è rimata nella toria per la ua importanza ed è fore una delle equazioni più importanti nella cienza dei materiali [5]. Mohamad El Mehtedi, Marcello Cabibbo Dipartimento di Meccanica, Univerità Politecnica delle Marche Via Brecce Bianche, I Ancona, Tel: Fax: , e.mail: elmehtedi@univpm.it Fig. 1 Effetto dei diveri meccanimi di rafforzamento ulla temperatura di tranizione duttile fragile. Effect of the trengthening mechanim on the ductile brittle tranition temperature. la metallurgia italiana >> giugno

2 Acciaio << Memorie Fig. 2 Andamento della reitenza allo nervamento e della tenacità in funzione della dimenione del grano. Yielding and fracture toughne a a function of the grain ize. ó y = ó 0 +k y* d -1/2 dove ó y ó 0 k y d è la reitenza allo nervamento in MPa è la reitenza intrineca o meglio la reitenza del reticolo al moto delle dilocazioni è il coefficiente di Hall-Petch e rappreenta il rafforzamento dovuto ai confini di grano è il diametro del grano Queta equazione è tata etea anche ad altre proprietà come la tenione di rottura per clivaggio ó f (Cottrell-Petch): ó f = k f* d -1/2 e alla temperatura di tranizione duttile - fragile T.T.T. T.T.T. = A B*ln(d -1/2 ) dove A e B ono delle cotanti. Per capire il potenziale dell affinamento del grano, uando la relazione di Hall-Petch, una diminuzione del diametro medio del grano da 5μm a 1μm produce un incremento del punto di nervamento di 350 MPa come i può anche verificare dalla Fig. 2. È facile quindi capire l importanza della grandezza del grano ulle proprietà meccaniche e oprattutto u reitenza e tenacità. Poiché i grani ferritici nucleano ai bordi del grano autenitico di partenza, tanto più piccolo è il grano tanto più il grano finale arà fine. Per contenere le dimenioni dei grani autenitici i aggiungono elementi microleganti e i eeguono particolari procei termomeccanici. CENNI STORICI Nella prima metà del ecolo paato i progettava baandoi ul carico di rottura dando cara importanza alla tenacità e alla aldabilità, vito che il principale metodo di giunzione era la chiodatura. Per innalzarne il carico di rottura queti dovevano avere elevati tenori di carbonio [3]. Negli anni 40 però con lo viluppo della aldatura i è capito che i deve diminuire il tenore di C e per non perdere di reitenza i è aumentato il tenore di Mn anche e all inizio non era noto il uo effetto benefico ulla tenacità. Le fratture fragili di trutture aldate (navi LIBERTY) hanno evidenziato l importanza della tenacità, vale a dire, la neceità di una baa temperatura di tranizione duttile - fragile. Per far ciò i è ridotto ulteriormente il tenore di C e i è tenuto ancora elevato quello di Mn. Negli anni 50 i riconobbe l importanza dell affinamento del grano e del manganee ulla tenacità. All inizio per affinare il grano i aggiungeva dell alluminio e coì il carico di nervamento aumentava di 80 MPa e la tranizione avveniva a circa zero Celiu. Già negli anni con l aggiunta di elementi come Nb, V, Ti e con lo viluppo dei procei termomeccanici i è arrivati ad avere grani ferritici con dá= 3-5μm. Con l avvento della guerra fredda, i avverte negli Stati uniti d America il biogno di trovare nuovi tipi di acciai che offrono elevata reitenza alla corroione, buona tenacità e aldabilità [6]. I frutti di queta ricerca ono tati oggetto di un convegno effettuato nel 1969 i cui riultati ono tati pubblicati l anno dopo [7]. E tato riportato che i poono ottenere grani ferritici con dimenioni inferiori ai 3 μm partendo da acciai a bao carbonio, acciai HSLA o acciai inoidabili duplex. Attravero queti tudi è tata chiarita l importanza dell affinamento del grano ulle proprietà meccaniche ma ono tati anche evidenziati dei problemi che il grano ultrafine porta. Queti erano l alto rapporto di nervamento-rottura che uperava il 90 % e la diminuzione della duttilità. Notevole importanza ullo viluppo degli UFG hanno volto le ricerche negli anni 70 in Giappone per produrre acciai per tubi. L indutria dei tubi ha avuto in quei tempi un grandiimo incremento vita la richieta empre maggiore di energia e quindi la neceità di poter traportare per eempio ga naturale da zone fredde (Siberia) nel reto del mondo [6-10]. Poiché le ditanze da percorrere erano grandi e le condizioni ambientali difficili queti tubi dovevano avere baa T.T.T. e reitenti agli agenti corroive inieme ad una buona aldabilità. È chiaro come attravero lo viluppo dei procei termomeccanici i è riucito ad ottenere l affinamento del grano e quindi il netto miglioramento delle proprietà meccaniche. Ultimamente i ono cotruiti laminati piani di acciaio con microtruttura cotituita da grani ferritici in uperficie con d=2 μm fino ad una profondità di 3-4 mm, che prendono il nome di urface ultrafine teel SUF [11]. Gli acciai SUF vengono fabbricati con un proceo Termomeccanico che i baa ul rapido raffreddamento dopo laminazione controllata a bae temperature, in modo di avere elevato numero di iti di nucleazione che conentono di ottenere grani fini in uperficie. Queti SUF teel vengono oprattutto impiegati nelle cotruzioni navali, data l elevata reitenza che ei hanno contro la propagazione di fratture fragili. L importanza degli acciai con microtruttura ultrafine non i ferma oltanto nelle applicazioni opra elencate. In Giappone è partito un progetto di tipo ecologico con l obiettivo di ridurre del 6% le emiioni di anidride carbonica nel periodo [12]. Per oddifare quet obiettivo, tutte le indutrie automobilitiche dovevano progettare macchine più leggere che conumano meno e quindi viluppano meno CO 2. Oggi le indutrie impiegano materiali come l alluminio e il magneio per abbaare il peo delle autovetture, facendo però aumentare allo teo tempo il loro coto. Il fatto di dover comunque cedere ad un compromeo ha portato all uo degli acciai ferritici ultrafini che e ottenuti da procei termomeccanici e enza l aggiunta di elementi alliganti conentono di avere a dipoizione un materiale più reitente e leggero a bao coto. Il 34 giugno 2008 << la metallurgia italiana

3 Memorie >> Acciaio fatto di non uare materiali come il Nb e il V non olo abbaa il coto ma aumenta anche la capacità di queti acciai ad eere riciclati. L itituto nazionale ulla ricerca dei materiali Giapponee ha meo in atto il progetto denominato Ultra Steel STX-21 [13], che poneva come obiettivo portare la reitenza di nervamento da 400 MPa a 800 MPa attravero l affinamento del grano da 10 μm a 1μm, partendo da un acciaio di compoizione chimica normale e enza l uo di microleganti. Attualmente ono riuciti ad ottenere con dá= 0.77 μm una reitenza dell ordine di 760 MPa. Per realizzare ciò, hanno effettuato una laminazione nella zona di non ricritallizzazione dell autenite. La deformazione indotta dalla traformazione ã á e la ricritallizzazione tatica della ferrite hanno conentito di ottenere dei grani ferritici coì piccoli, come fra l altro i vedrà di eguito quando i parlerà dei vari procei in modo più dettagliato. METODI DI AFFINAMENTO DEL GRANO La neceità di ottenere degli acciai la cui microtruttura è cotituita da grani ultrafini, ha fatto ì che i viluppino nel mondo diveri procei di vario tipo, la maggior parte dei quali ha come bae i procei termomeccanici [1,9,15,16]. Con procei termomeccanici di olito i intende una combinazione di laminazione controllata e raffreddamento controllato. Queti ci conentono di ottenere una dimenione del grano da 2 a 5μm con coneguente miglioramento delle proprietà meccaniche. Queti procei permettono fra l altro alle indutrie di effettuare un riparmio energetico non indifferente attravero la minimizzazione dei trattamenti termici dopo la deformazione, neceari nel cao dei procei di laminazione convenzionali, aumentando in tal eno anche la produttività. Negli ultimi anni, tecniche denominate evere deformazioni platiche (Severe Platic Deformation, SPD) ono emere prepotentemente all attenzione del mondo cientifico. Tali tecniche i baano ull introduzione di altiime deformazioni platiche effettuate a temperature relativamente bae. Queti procei però hanno due punti deboli: il primo è che hanno biogno di macchine di formatura con grandi capacità di carico e degli tampi molto cotoi. Il econdo punto è la baiima produttività e la limitata quantità di materiali prodotti. Per queto non ono appropriati per applicazioni pratiche pecialmente per materiali trutturali di grandi dimenioni. Di eguito, verranno trattati in maniera più dettagliata i eguenti procei: 1. Laminazione convenzionale (diametro medio ~ 20 μm) 2. Procei Termomeccanici TMP (diametro medio 3-7 μm) 3. Procei innovativi (diametro medio 1-3 μm) 4. Procei di evera deformazione platica SPD (diametro medio 1 μm) Laminazione convenzionale Intorno al 10% della produzione mondiale degli acciai i ottiene mediante laminazione convenzionale. È tato il primo meccanimo applicato in cala indutriale. Il proceo è baato ulla deformazione dei grani critallini autenitici in modo che i creino molti iti di nucleazione nei confini del grano e bande di deformazione all interno del grano. Queti iti permettono la formazione di un grano ferritico fine (20μm) durante il raffreddamento. Richiede un tao di laminazione elevato dell ordine del 80% ed è applicato in un range di temperature ( C) dove il grano autenitico non ricritallizza taticamente tra una paata e l altra. Procei Termo-meccanici TMP La laminazione a caldo con il paare degli anni è diventata un operazione empre più controllata. Queto ignifica che nei vari tadi del proceo ono otto controllo diveri parametri come la temperatura, il tao di laminazione e il raffreddamento ma oprattutto i ha otto controllo la microtruttura che i viluppa e quindi la dimenione del grano. Per queta ragione è chiamata laminazione controllata [17]. I procei termo-meccanici ono rappreentati dalla laminazione controllata inieme al raffreddamento controllato. La laminazione controllata può eere con ricritallizzazione tatica SRX oppure con ricritallizzazione dinamica DRX. i. Laminazione controllata con ricritallizzazione tatica: come è tato accennato, per ottenere un grano ferritico molto fine è neceario che la temperatura finale della laminazione ia baa. Però, per alcune applicazioni le temperature non poono cendere al di otto un certo limite e quindi è inevitabile, deformando ad alte temperature, far avvenire il fenomeno della ricritallizzazione tatica durante il tempo che intercorre fra le paate. Queto porta alla formazione di nuovi grani con dimenione più groolana (8-10μm). ii. Laminazione controllata con ricritallizzazione dinamica: Quando il tempo fra le paate è troppo breve, non i preenta il fenomeno della ricritallizzazione tatica come anche non avviene la precipitazione dei carburi. In queto cao durante la deformazione avviene il fenomeno della ricritallizzazione dinamica che richiede però un elevato tao di deformazione per paata. Nel cao della DRX i grani autenitici ono fini (10μm) e conentono di ottenere grani ferritici con dimenione fra 5 μm e 3 μm. Quindi, il meccanimo della ricritallizzazione conente di ottenere dei grani nuovi indeformati e rappreenta uno dei metodi per l affinamento del grano. A tale propoito, i cerca di avere grani autenitici i più fini poibili perché i grani ferritici nucleano ai loro bordi. Seguiamo pao per pao lo chema di laminazione riportato in Fig. 3 e cerchiamo di capire l evoluzione microtrutturale durante tutte le fai del proceo. Partendo da una truttura autenitica groolana, nel pri Fig. 3 I vari tadi della laminazione. Different tep of rolling chedule. la metallurgia italiana >> giugno

4 Acciaio << Memorie Nei punti precedenti ono tati eaminati i procei termomeccanici, ottolineando la loro importanza nella pratica indutriale per lo viluppo e la produzione di acciai ad alta qualità. Con l attuale tecnologia però i è riucito ad arrivare ad una dimenione del grano ferritico di 3-5μm. Queto ignifica che queti acciai hanno una reitenza allo nervamento circa MPa e temperatura di tranizio Fig. 4 Andamento del grano autenitico in funzione della temperatura di autenitizzazione. The effect of the heating temperature on autenitic grain ize. mo tadio che va da 1200 a 950 C, avviene la ricritallizzazione tatica dell autenite nel tempo che intercorre tra le varie paate, i grani autenitici vengono affinati fino ad una dimenione di 20 μm. Scendendo con le temperature al di otto della T nr (temperatura di non ricritallizzazione tatica) i grani autenitici rimangono allungati con preenza di ottotrutture all interno del grano. Eeguendo la deformazione in queta zona la percentuale della nucleazione della ferrite ai confini del grano autenitico aumenta come anche all interno dello teo grano. La nucleazione intergranulare della ferrite è uno degli apetti più importanti della laminazione controllata. È queta la differenza fra la laminazione controllata e quella emplice eguita da normalizzazione, perché nel econdo cao la nucleazione della ferrite avviene oltanto ai confini del grano e non al loro interno. Durante il raffreddamento i grani allungati c vengono traformati in grani ferritici c. A temperature ancora più bae la deformazione avviene nella zona di coeitenza á+ã detta bifaica. Bande di deformazione continuano a formari ed inoltre la ferrite deformata produce della ottotruttura (punto d). Dopo la laminazione e durante il raffreddamento, i grani autenitici non ricritallizzati i traformano in grani ferritici equiaici mentre la ferrite deformata i preenta con ottograni d. Dopo queti cenni ulla laminazione controllata, poiamo ritornare ai procei termomeccanici facendo prima un quadro riauntivo ugli accorgimenti poibili che conentono di ottenere grani ferritici fini. La temperatura di ricaldo del pezzo deve eere la più baa poibile, compatibilmente con la dioluzione degli elementi precipitati, tale da opprimere l ingroamento del grano autenitico. La laminazione controllata deve portare ad un elevato numero di iti di nucleazione e permettere l introduzione delle bande di deformazione nel grano autenitico allungato. Il raffreddamento accelerato che egue la deformazione è applicato per poter aumentare la driving force per la traformazione ã á e per aumentare la denità di nuclei nell autenite. Attravero i procei termomeccanici e eguendo quete regole i può arrivare ad ottenere una dimenione del grano ferritico di 2-5μm. Quindi l obiettivo dei procei termomeccanici in acciai legati o non, è quello di ottenere delle ottime proprietà meccaniche attravero il controllo della microtruttura finale. Sia le proprietà che la microtruttura dipendono fortemente dalla compoizione chimica dell acciaio, dai parametri di laminazione e dalle condizioni del raffreddamento. In eguito arà eaminata l influenza di queti parametri ulle divere proprietà meccaniche per un acciaio che contiene 0.1% C, 0.036%Nb e 0.01% V inieme ad altri elementi [18]. - Effetto della temperatura di ricaldo ul grano autenitico: la Fig. 4 motra la dipendenza del grano autenitico dalla temperatura di ricaldamento [19]. Fra i 900 e 1000 C il grano ingroa leggermente ma fra 1000 e 1250 C il grano aumenta brucamente da 20 μm a 180 μm. - Effetto del tao di riduzione ulle proprietà e ul grano ferritico: Durante laminazione nella zona á + ã ia ã che á ono comprei. I grani ã ono allungati e i grani á traformati diventano più fini. Queti grani ferritici ono anch ei allungati durante la deformazione è diventano fini dopo la ricritallizzazione. L aumento del tao di laminazione ha un effetto benefico nel range di temperature C. La reitenza aumenta notevolmente, la duttilità diminuice, la tenacità migliora e il grano viene affinato. - Effetto della temperatura finale di laminazione ulle proprietà e ul grano ferritico: La diminuzione della temperatura porta all affinamento del grano ferritico. Ciò è dovuto alla deformazione dell autenite otto la temperatura di non ricritallizzazione Tnr e al ucceivo raffreddamento. Entrambi i procei portano all incremento della nucleazione della fae ferritica. La reitenza allo nervamento e quella a rottura aumentano notevolmente con il diminuire della temperatura mentre l allungamento diminuice; la temperatura di tranizione duttile - fragile, che rappreenta una miura della tenacità, diminuice fino a 760 C per poi riprendere ad aumentare; l affinamento del grano aumenta con l abbaari della temperatura. - Effetto della velocità di raffreddamento ( C/) ulle proprietà e ul grano ferritico: laminazione controllata eguita da raffreddamento accelerato, portano ad un aumento della reitenza in termini di nervamento e rottura a capito della tenacità che diminuice; la grandezza del grano ubice un effetto benefico. Per velocità uperiori di 25 C/ l autenite non i traforma più in ferrite ma i formano trutture divere tipo la bainite o la martenite per velocità più elevate di raffreddamento. PROCESSI INNOVATIVI 36 giugno 2008 << la metallurgia italiana

5 Memorie >> Acciaio a b Fig. 5 (a) Microtruttura dopo laminazione convenzionale, (b) microtruttura dopo il proceo di Leinonen. (a) Microtructure after conventional rolling, (b) microtructure after Leinomen proce. ne duttile - fragile intorno a -40 C. Per poter migliorare ulteriormente quete proprietà i ono viluppati in tutto il mondo dei procei innovativi molti dei quali i baano u procei termomeccanici già applicabili nell indutria. Lo viluppo di queti progetti è partito dopo la econda metà degli anni 90 in molti paei e opratutto in Giappone ma anche in Cina, Corea del Sud, Autralia e Finlandia. Il principale obiettivo di queti progetti è quello di ottenere degli acciai con microtruttura cotituita da grani ferritici di dimenione inferiore a 3 μm in modo di aicurare contemporaneamente una reitenza di 800 MPa ed una temperatura di tranizione duttile - fragile intorno a K. I procei innovativi ono molteplici, in queta memoria tratteremo quelli che hanno avuto maggior impatto indutriale. Ultra-Artic o Super Artic Steel: Un importante proceo termomeccanico è tato realizzato dal Dr Jouko I. Leinonen [13,20] in Finlandia riucendo ad ottenere dei grani ferriti con dimenione 2 μm. L acciaio viene prima ricaldato fino ad una temperatura leggermente uperiore alla Ac3 in modo che avviene la completa autenizzazione. Il tempo di permanenza a queta temperatura ( C) deve eere tale da non permettere al grano autenitico di uperare i 15 μm e preferibilmente tare vicino ai 10 μm. Succeivamente l acciaio viene raffreddato otto la zona di non ricritallizzazione Tnr, dove viene laminato a caldo e quindi i grani autenitici deformati ed allungati non ricritallizzano. La Tnr per la maggior parte degli acciai è intorno a 850 C e può eere determinata facilmente mediate prove interrotte di torione. La laminazione controllata normalmente finice a temperature uperiori all Ar1 ( C). Il tao di laminazione deve eere uperiore al 15% con un effetto benefico ull affinamento del grano. Dopo la laminazione controllata avviene il raffreddamento controllato fino a 500 C con una velocità che deve eere maggiore di 5 C/ in modo da garantire l affinamento voluto ma non deve eere troppo elevata onde evitare una microtruttura martenitica che come appiamo è molto fragile. L acciaio uato da Leinonen aveva una compoizione chimica nominale (0.005% C, 2.5% Mn 0.1% Si). La relativa elevata quantità di manganee embra produrre una truttura che contiene bainite (Fig. 5). È importante notare che una laminazione emplice avrebbe prodotto una dimenione del grano intorno ai 10μm. La reitenza a rottura paa da 660 MPa a 690 MPa, la reitenza allo nervamento aumenta di 100 MPa e l allungamento uniforme del 40%. Il principale miglioramento ottenuto però è in termini di tenacità. L energia aorbita nella prova Charpy a 85 C era 96 J che rappreenta una tenacità eccellente per un acciaio generale da cotruzione. Per il fatto che queti acciai hanno una temperatura TTT coì baa vengono chiamati ULTRA-ARCTIC o SUPER- ARCTIC STEELS grazie al loro poibile uo per cotruire linee di tubi per traportare fluidi da zone artiche. Super Metal Project: Come è tato già riferito, in Giappone da qualche anno c è gran fervore per riucire finalmente a produrre degli acciai ultrafini. Per queta ragione nel 1997 è partito un maxi progetto di durata decennale che ricercatori Giapponei portano avanti con l aiuto del governo, dell itituto nazionale di ricerca e delle indutrie dell acciaio. Il progetto è chiamato Ferrou Super Metal Project [21] che ha come obiettivo quello di raddoppiare la reitenza e la vita a fatica, diminuendo allo teo tempo i coti dei materiali trutturali. In poche parole ottenere ó = 800 MPa con d = 1μm partendo da ó =400 MPa e d=10 μm. Attualmente ono arrivati ad ottenere ó = 700 MPa con d = 1.2 μm. E tato oervato che una deformazione peante otto determinate condizioni è la chiave del ucceo di queto proceo per le eguenti ragioni: i ha un grande aumento dei iti di nucleazione e della driving force per la ricritallizzazione. La traformazione che rafforza i meccanimi diffuionali per la traformazione ã á e per la ricritallizzazione dell autenite i trova a temperature inferiori a la metallurgia italiana >> giugno

6 Acciaio << Memorie Quete barre ono caratterizzate da ottimo compromeo fra reitenza, allungamento e tenacità. Deformation Induced Ferrite Tranformation (DIFT) Nonotante una grande epanione dei procei per affina Fig. 6 (a) Microtruttura dopo ricottura a 500 C, (b) Diorientazione dei confini di grano. (a) Microtructure after annealing at 500 C, (b) Miorientation of the grain boundarie. quelle uate in una laminazione convenzionale. Si ha inoltre un rafforzamento dei fenomeni dinamici come la traformazione e la ricritallizzazione dinamica che prende luogo durante la deformazione con riultato di affinare la microtruttura. L acciaio utilizzato ha la eguente compoizione chimica (0.1 % C, 1.3% Mn, 0.005% Nb). Grani molto fini (1.8μm) i ono ottenuti nel campione il quale era otto-raffreddato a 700 C e deformato con å = 1.5. Deformando a 800 C invece e enza ottoraffreddamento la dimenione media dei grani riulta 5 μm che corriponde ad una dimenione claica ottenuta con i TMCP. Studi effettuati al TEM hanno rilevato che la microtruttura è cotituita da grani ferritici equiaici con baa denità di dilocazioni, confini di grano ad alto angolo e con cementite precipitata ai bordi e queto ha uggerito che la traformazione ã á è dovuta a fenomeni diffuionali. Queto ignifica che la forte deformazione rafforza la diffuione a lungo raggio del carbonio. Il ripritino dinamico e la formazione dei ottograni è il meccanimo di controllo della fae á durante la deformazione a caldo. È tato vito che l elevata deformazione incrementa l angolo fra i ottograni e la microtruttura riulta ricritallizzata. Inoltre la deformazione localizzata intorno ai precipitati di econda fae funge come iti di nucleazione per nuovi grani ricritallizzati dinamicamente o taticamente. Concludendo i può dire che attravero il proceo vito i ono fatti i primi pai per ottenere una microtruttura ultrafine in un acciaio non legato ed in particolare per la fabbricazione di groe barre con grano ferritico di 1 μm. Acciai ferritici ultrafini partendo da una truttura martenitica Queto progetto è tato realizzato all univerità di Oaka in Giappone con il finanziamento delle organizzazioni NEDO (Indutrial Technology Reearch Grant Program nel 2001 from New Energy and Indutrial Technology Development Organization) e ISIJ (Iron and Steel Intitute of Japan ) [22-24]. Il proceo realizzato i ditingue per la ua emplicità e per il fatto di utilizzare un acciaio normale da cotruzione enza far uo di elementi microleganti come Nb e V tenendo bao il coto dell acciaio. L acciaio utilizzato ha la eguente compoizione chimica (0.13% C, 0.37% Mn, 0.01% Si). Le lamiere vengono autenizzate a 1000 C, egue un trattamento di tempra per ottenere una microtruttura martenitica. Poiché un acciaio a bao carbonio non legato preenta una durezza relativamente baa, le condizioni di autenitizzazione ono celte in modo che i grani autenitici riecono a crecere abbatanza arrivando a d ã = 260 μm. Dopo la tempra il pezzo con microtruttura martenitica viene laminato a freddo con tao di riduzione del 50% che ignifica una deformazione equivalente å = 0.8. La laminazione avviene in tre paate attravero due cilindri di diametro 310 mm e con l uo di lubrificazione. Succeivamente il laminato viene ricotto a temperature che vanno da 200 a 700 C. la microtruttura dopo la ricottura a 600 C è cotituita da un inieme di grani ferritici ultrafini con d = 0.18μm, carburi e blocchi di martenite. Un analii più dettagliata al TEM è tata effettuata nella truttura a grana fine ottenuta dopo la ricottura a 500 C, i vedono dei grani ferritici ultrafini equiaici inieme a carburi fini (Fig. 6 (a)). Nella Fig. 6 (b), le zone di colore grigio, rappreentano i carburi. Come i può notare una gran parte dei confini che circolano i grani ultrafini ono ad alto angolo. L acciaio temprato non ricotto preenta una notevole reitenza dell ordine di 1.1GPa con un allungamento uniforme però candente. Con l aumento della temperatura di ricottura, la reitenza diminuice, a temperature tipo 550 C i abbia una reitenza di 710 MPa con 20 % di allungamento totale. Della prova Charpy, riulta che allo tato temprato, la temperatura di tranizione duttile fragile è di 123 K, dopo laminazione a freddo l energia aorbita diminuice, il campione ricotto con microtruttura ultrafine preenta un aorbimento di energia maggiore e la temperatura di tranizione è inferiore a 100K. Cerchiamo di capire a queto punto il perché del fatto che partendo da una truttura martenitica, riuciamo ad ottenere dei grani ultrafini e di coneguenza delle ottime proprietà meccaniche. Uno dei promotori di queto progetto, il Dr. Tuji, ha chiarito che il proceo di formazione dei grani ultrafini nei materiali ottopoti ad elevata deformazione può eere caratterizzato dalla uddiviione dei grani durante la deformazione e dal fenomeno di ripritino che forma dei confini di grano intorno ai grani, che ha chiamato in itu recrytallization e ha uppoto che arà lo teo meccanimo reponabile per la formazione dei micrograni ottenuti nel cao tudiato. 38 giugno 2008 << la metallurgia italiana

7 Memorie >> Acciaio re il grano enza fare uo degli elementi leganti, eitono delle difficoltà cientifiche ed indutriali da riolvere. Procei termomeccanici convenzionali inclui anche quelli che operano la ricritallizzazione dinamica. Il minitero di cienza e tecnologia del governo Cinee ha finanziato un programma di ricerca chiamato Fundamental reearch of new generation of teel con l obiettivo di invetigare ulla poibilità di ottenere grani ferritici ultrafini con deformazione a caldo in più paate con tao di riduzione accettabile in cala indutriale [25-26]. Le prove ono tate fatte in laboratorio e la imulazione della deformazione è effettuata con la compreione a caldo. I riultati hanno motrato che con un attento controllo della deformazione, potenziata dalla traformazione in combinazione con la ricritallizzazione dinamica, i poono ottenere dai grani ferritici con d = 2-3 μm. Si è vito che la traformazione di fae (ã á) avviene a temperature uperiori a A r3 a caua dell aumento dell energia libera di deformazione. L attivazione della zona DIFT obbedice al criterio del critical train (å c ) che è funzione della temperatura di deformazione; all aumentare della temperatura aumenta la deformazione critica che attiva la traformazione. Inoltre, l intervallo di temperatura idoneo per l attivazione della DIFT è molto ritretto (A r3 -A c3 ). Altri parametri importanti che influicono ulla deformazione critica (å c ) ono il tenore di carbonio, la dimenione del grano autenitico iniziale e la velocità di deformazione; l aumento dei primi due produce un innalzamento della deformazione critica, invece å c diminuice all aumentare della velocità di deformazione. Riaumendo, i parametri più importanti per il controllo della DIFT ono: dimenione del grano autenitico iniziale, baa temperatura di deformazione e alta velocità di deformazione. Alte deformazioni di taglio in uperficie e bae temperature di deformazione ono i fattori principali per la formazione di trati di ferrite ultrafine. Infatti, la microtruttura del laminato non è omogenea lungo tutto lo peore. Nella regione vicino la uperficie che i etende per 4 mm di profondità ci ono dei grani ferritici ultrafini con d = μm. PROCESSI DI SEVERA DEFORMAZIONE PLASTICA SPD Fig. 7 Rappreentazione chematica dell attrezzatura HPT. Layout of High Preure Torion proce. Negli ultimi anni, tecniche denominate evere deformazioni platiche ono emere prepotentemente all attenzione del mondo cientifico. Tali tecniche i baano ull introduzione di altiime deformazioni platiche effettuate a temperature relativamente bae. Dimenione media del grano (con deformazioni SPD) è in genere al di otto di 1 μm, nei metalli puri può cendere fino a nm; mentre nelle leghe i può arrivare anche al di otto dei 100 nm. I materiali a grano ultrafine (e. leghe di alluminio) preentano inoltre duttilità uperplatica a bae temperature. Le trutture complee del proceo SPD poono generare delle proprietà multifunzionali (oprattutto dal punto di vita magnetico). L uo della evera deformazione platica per affinare il grano è molto tudiato vita la ua poibile applicabilità nella pratica indutriale. Eitono diveri tipi di procei per deformazione platica: - HPT High Preure Torion - ARB Accumulative Roll Bonding - ECAP Equal Channel Angular Preing - TE Twit Extruion - MDF Multi-Directional Forging - CEC Cyclic Extruion and Compreion - RCS Repetitive Corrugation and Straightening - altri in fae di viluppo Queti procei però hanno due punti deboli: il primo è che hanno biogno di macchine di formatura con grande capacità di carico e degli tampi molto cotoi, il econdo punto è la baiima produttività e la limitata quantità di materiali prodotti. Perciò non ono appropriati per applicazioni pratiche pecialmente per materiali trutturali di grandi dimenioni. HPT High Preure Torion Queta tecnica i baa ull applicazione di una rotazione ad un dico di materiale, ottoponendolo contemporaneamente ad una preione idrotatica (fino a 2 GPa) come i vede nella Fig. 7. Al momento impiegata per dichi di piccole dimenioni, i cerca di etenderlo a dichi di grandi dimenioni. La microtruttura riulta già affinata dopo olo un giro completo dell incudine ottenendo un grano di dimenione intorno a 0.1 μm ed una microtruttura cotituita da confini ad alto angolo. Per far ì che la truttura ia omogenea è neceario che i completino più giri. Il vantaggio di queta tecnica è la poibilità di regolare la deformazione accumulata, la preione applicata e la velocità di deformazione. Il grande vantaggio ta nel fatto che poiamo produrre oltanto pezzi di piccole dimenioni con diametro maimo di 20 mm e peore di 2 mm. ARB Accumulative Roll Bonding Si ua un itema di rullatura tradizionale. Si rulla un foglio metallico o una lamiere dimezzandone lo peore, lo i taglia a metà, e le due metà i ovrappongono a formare un foglio dallo peore originale, che viene di nuovo la metallurgia italiana >> giugno

8 Acciaio << Memorie Fig. 8 Illutrazione chematica del proceo ARB. Schematic layout of ARB proce. Fig. 9 Illutrazione chematica del proceo ECAP continuo. Schematic layout of continuou ECAP proce. proceato (Fig. 8). La truttura ultrafine non è equiaica, ma riulta allungata nella direzione laterale alla rullatura. Nell ARB la laminazione non è oltanto un proceo di deformazione ma anche un proceo di incollaggio metallurgico. Concludendo, queto proceo è molto promettente, il uo più grande vantaggio è l elevata produttività e la ua adattabilità alla produzione di materiali di groe dimenioni. Inoltre non richiede l uo di particolari macchine tenendo coì bai i coti della produzione e permettendo la ua applicazione u cala indutriale. ECAP Equal Channel Angular Preing Il principio di funzionamento del metodo ECAP [27-28] è tato viluppato per la prima volta più di venti anni fa, nell Unione Sovietica di allora. Gli ultimi anni, vita la gran neceità di affinare il grano ferritico, molti ricercatori hanno ritoccato il proceo proponendo divere oluzioni migliorative. Comunque i può dire che è la tecnica SPD più viluppata, i baa ulla deformazione di una billetta che viene ottopota ad una preatura ripetitiva che fa fluire il materiale in condotti con angoli differenti. Di olito vengono effettuati quattro paate attravero lo tampo per un totale di deformazione effettiva pari a 4. Nella prima i ha la formazione di ottograni non equiaici, ma allungati in bande di deformazione che i delineano chiaramente, con confini che hanno bao angolo di diorientazione. Nella econda paata le bande dei ottograni cominciano a romperi e la diorientazione comincia ad aumentare. Nella terza non eite più neuna traccia di queti e la microtruttura è cotituita da grani equiaici con alcuni bordi ad alto angolo. Nell ultima paata i ha nella maggior parte della truttura confini ad alto angolo con dimenione media del grano intorno ad un micron. Il ucceivo trattamento è una ricottura condotta a 480 C per tempi che variano da 1 a 72 ore. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, l acciaio dopo ECAP preenta un elevato nervamento circa 1000MPa ma l allungamento crolla fino al 10%, dopo una ricottura di 24 ore la reitenza allo nervamento cende a 700MPa e rimane tabile con l aumentare del tempo di trattamento, invece la duttilità continua a crecere fino a raggiungere valori in termini di allungamento del 20%. Concludendo, i può affermare che attravero il proceo ECAP, i riece ad ottenere in un acciaio a bao carbonio dei grani ultrafini. Sotto determinate condizioni di ricottura (500 C, 72 h) il cambiamento microtrutturale è dominato dal fenomeno del ripritino. Al momento i tanno viluppando procei ECAP continui (ECAE - equalized Channel angular Extruion, ed ECAP - conform) Fig. 9. Il principale vantaggio dell ECAP è la ua capacità di ottoporre il pezzo a preioni elevatiime, affinando coì il grano, mantenendo la geometria iniziale del pezzo. In ogni ciclo di preione è poibile cegliere fra tre divere modalità di avanzamento del proceo chiamati route A, B, C dove il campione viene ruotato di 0, 90,180 ripettivamente lungo l ae longitudinale. TE Twit Extruion Un proceo nato nel 2004, combina un etruione ed una torione del pezzo lavorato Fig. 10 (a). Si poono ottenere billette di varie ezioni, tranne circolari. La microtruttura i ottiene in modo non omogeneo: maggiore è la ditanza dal centro, maggiore è la deformazione ubita e più fine è la microtruttura. MDF multi-directional forging Queta tecnica conite in una erie di traformazioni di forgiatura con cambio di ai di applicazione del carico Fig.10 (b). La truttura finale è meno omogenea di quelle precedenti, ma i può uare per materiali più fragili, dal momento che le deformazioni applicate ono minori. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE L affinamento dei grani con metodi termo-meccanici apre nuovi campi di applicazioni ai materiali metallici a grani ultrafini per le elevate pretazioni che ei poono offrire. Molte proprietà ono in fae di aetamento e richiedendo approfondimenti ulla natura del confine di grano. Gli viluppi indutriali, pur promettenti, ono condizionati dal traferimento delle tecniche di laboratorio alle linee di produzione. Acciai a grano ultrafine (1-3 μm) ono tati prodotti da varie tecniche di affinamento del grano (advanced thermomechanical proce, evere platic deformation, aymmetric rolling) e per divere compoizioni chimiche. Inoltre l affinamento del grano migliora la reitenza meccanica, la tenacità e diminuice la temperatura di tranizione duttile - fragile. I materiali metallici in generale e gli acciai in particolare a grano ultrafine 40 giugno 2008 << la metallurgia italiana

9 Memorie >> Acciaio a b Fig. 10 Illutrazione dei procei TE (a) e MDF (b). Schematic layout of TE (a) and MDF (b). potrebbero permettere la realizzazione di componenti di icurezza con pretazioni maggiori (oprattutto in termini di fatica), i potrebbero inoltre evitare i trattamenti termici e meccanici ucceivi per l incremento delle pretazioni meccaniche; in alcuni acciai non arebbero più neceari alliganti cotoi per il raggiungimento di certe pretazioni, migliorando coì il grado di riciclabilità. Per quanto concerne i procei SPD, ia l ARB che l ECAP riecono a produrre acciai a grano ultrafine ub-micrometrico. Tali tecniche però ono ancora applicate in fae di laboratorio. Alcuni apetti negativi che accumunano i procei trattati ono la diminuzione della duttilità, l aumento dei coti di produzione a caua delle bae temperature di deformazione, la non ripetitività delle proprietà meccaniche ed infine la non omogeneità della truttura tra uperficie e cuore per alcuni di ei. RINGRAZIAMENTI Gli autori ringraziano il Prof. Maurizio Vedani e l AIM per l invito a preentare queta memoria in occaione della giornata di tudio Gli acciai a grano ultrafine. BIBLIOGRAFIA 1) G. Tither, HSLA Steel: Proceing, propertie and Application (1992) pp ) A.M. Sage, HSLA Steel: Proceing, propertie and Application. (1992) pp ) A. Cigada Struttura e proprietà dei materiali metallici pp. 409 Caa editrice Città Studi. 4) R.W.Armotrong, Mat.Re.Soc.Symp.Proc. Vol. 362 (1995), pp ) J.W.Morri. Jr., The influence of grain ize on the mechanical propertie of Steel, pp ) C. Ouchi, ISIJ International Vol 41 (2001) No 6 pp ) ASM SPECIALITY HANDBOOK Carbon and Alloy Steel, pp ) H.G.Hillenbrand, M.Graf. Development and production of high trength pipeline teel, Niobium (2001).Orlando,USA, pp ) H.Tamehino, R.Habu, N.Yamada, T.Matuda, et.al. Accelerated Cooling of Steel. pp ) M.C. Zhao, K. Yang, Y. Shan. Material Science and Engineering A335 (2002) pp ) T.Haegawa, T.ISHIKAWA, R.Mabuchi. ISIJ International, Vol. 39 (1999) No 5. 12) T.Senuma. ISIJ International Vol 41 (2001) No 6 pp ) J.I.Leinonen, Advanced Material and Proce (USA) Vol. 156 (1999) pp. H29 H30. 14) M.Niikura, M.Fujioka, Y.Adochi, A.Matakura, T.Yokoto, Y.Shiroto, Y. Hagivvara. J. of Mat. Proceing Technology, Vol. 117 (2001) pp ) F.J. Humphhrey, P.B.Pragnell, R. Prietner. Current opinion in Solid State and Material Science 5 (2001), pp ) K.Okamato, A.Yohie, H.Nakao. Phyical metal. of direct quenched teel, (1993) pp ) J.Zrnik, T.Krackaj, A.Prongpaybul, J.Vilk, P.Stricharonchai, V.Vrehovinky. Mat. Science and Engineering A (2001) pp ) A.Bakaloglu. Material Letter Vol. 56 Iue 3, October (2002) pp ) J.Zrnik, T.Krackaj, D.Sripinpoach, P.Srinharoencha. Journal of Material Proceing Technology 8 (2002), pp ) J.I.Leinonen. Advanced Material and Proce. November (2001) pp ) M.Niikura, M.Fujiuka, Y.Adachi, A.Matukura, T.Yokoza, Y.Shirota, J. of Mat. Proc. Tech. 117 (2001) pp ) R.Uezi, N.Tjuji, Y.Minamino, Y.Koizumi, Y.Saito. Ultrafine Grained material 2 (2002) pp ) R.Uezi, N.Tjuji, Y.Minamino, Y.Saito. Scripta Materiala 46 (2002) pp ) R.Uezi, N.Tjuji, Y.Minamino, Y.Koizumi. Acta Materiala 50 (2002) pp ) Z.Q.Sun, W.Y.Yang, J.J.Qi, A.M.Hu. Mat. Sci. and Eng. A334 (2002) pp ) Z.Q.Sun, W.Y.Yang, A.M.Hu, P.Yang. Acta Metallurgica Sinica 14 (2) (2001) pp ) H.S.Kim, M.H.Seo, S.I.Hong. J. of Mat. Proc. Tech. 113 (2001) pp ) J.Kim, I.Kim, D.H.Shin. Scripta Materiala 45 (2001) pp la metallurgia italiana >> giugno

10 Acciaio << Memorie METALLURGICAL ASPECTS AND GRAIN REFINEMENT TECHNIQUES OF STEELS STATE OF ART OF THERMOMECHANICAL PROCESSING TMP AND SEVERE PLASTIC DEFORMATION SPD Keyword: teel,platic deformation, thermomechanical procee, evere platic deformation, ultrafine grain In the lat year, ultrafine grained material have attracted coniderable reearch interet becaue they tend to poe high trength without acrificing toughne and ductility. The role of grain ize refinement in improving both trength and toughne i well known. The development of ultrafine grained teel through thermomechanical proceing and evere platic deformation i being conidered by many reearcher group around the word. It i poible to refine the grain ize trough control of the tranformation reaction or through recrytallization proceing. The variou procee currently being reearched are reviewed and ummaried. It appear that it i relatively eay to form a uniformly fine tructure through train-induced tranformation, although how to implement thi indutrially i till an iue. The ucce of TMP in achieving uitable final ferrite grain refinement depend upon two effect: (i) obtaining the proper autenite conditioning during hot rolling, which implie having the correct microtructure and compoition in the autenite at the point of tranformation; and (ii) uing the optimum pot-rolling cooling path. The earliet form of TMP involved controlled rolling where coare-grained autenite wa pancaked by rolling below the non tatic recrytallization temperature Tnr. The controlled recrytallization procee, both dynamic and tatic, can alo be ued to either refine the autenite prior tranformation or to refine tranformed ferrite. A controlled rolling and accelerated cooling have a trong role ABSTRACT in grain refinement. In microalloyed teel it i now common to have ferrite grain ize after TMP of approximately 5 μm compared with conventional value of 20 μm for a low C teel rolled without control over the proceing condition. The effect of the different parameter uch a rolling temperature, reduction per pa, finihing temperature and cooling rate were alo treated. Advanced Thermomechanical procee were alo illutrated, thee new procee lead to have very fine ferrite grain about 3μm and in ome proce even le than 1μm. It ha been hown that the ductility decreae dramatically when grain ize i below 1μm. The optimum compromiing between yielding, toughne and ductility i reached for ferrite grain ize around 2-3μm. It ha been already well known alo that evere platic deformation (SPD) of metallic material i capable of producing ultrafine grained (UFG) material with ubmicrometer or nanometer grain ize. Many technique were illutrated. Since ECAP wa introduced in the literature a an innovative technology of manufacturing bulk UFG metallic material, many reearch group worldwide have devoted effort to dicover not only the proceing characteritic but alo the microtructural and mechanical characteritic of ultrafined material. Early invetigation uing ECAP proceing were very often focued on pure aluminium and copper or their alloy. Very recently, ignificant interet ha hifted to the ue of ECAP in proceing of UFG low carbon teel. Thi interet ha been motivated in part by the fact that UFG low carbon teel can be ued in many application a tructural material and in part by ECAP capability to improve the trength of teel without a need to change their chemical compoition. It wa oberved that the ultimate tenile trength (UTS) increaed with increaed number of pae. On the other hand, the number of reearch work on SPD of commercial medium carbon teel i till limited and at laboratory cale, probably becaue ytematic SPD proceing in indutrial production i relatively difficult in teel with higher flow tree and low productivity. 42 giugno 2008 << la metallurgia italiana