ACCIAI INOSSIDABILI. classificazioni composizioni trattamenti microstrutture proprietà

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1 ACCIAI INOSSIDABILI classificazioni composizioni trattamenti microstrutture proprietà Prof. G. SAMBOGNA Alma Mater Studiorum Università di Bologna Dip. S METECH Viale Risorgimento, 4 I BOLOGNA : samb@bomet.fci.unibo.it

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3 CLASSIFICAZIONE GENERALE DI LEGHE FERROSE

4 LA MAPPA DEGLI ACCIAI

5 ACCIAI INOSSIDABILI Leghe ferrose Fe-C-Cr Cr,, con Cr > 10,5 % (EN 10088), caratterizzate da alta resistenza all ossidazione ( (corrosione). La resistenza chimica deriva dalla capacità di passivarsi in condizioni ossidanti, coprendosi di un sottile e tenace film di ossido (Cr 2 O 3 ), che protegge il materiale sottostante dall ulteriore ossidazione. Il film di ossido, se scalfito, si riforma in presenza di ossigeno, ripristinando le condizioni di resistenza chimica dell acciaio. La curva di Tamman mostra che il Cromo in lega determini la minor perdita di peso in ambien- te corrosivo.

6 LE PRINCIPALI FAMIGLIE DI ACCIAI INOX C O M P O S I Z I O N I T I P I C H E Denominazione C, wt % Cr, wt % Ni, wt % Mo, wt% FERRITICI 0,010 0,12 10,5 30 0,2 2,5 AUSTENITICI 0,015 0, DUPLEX (austeno-ferritici) 0,030 0, ,5 8 0,1 4,5 MARTENSITICI 0,08 1, ,2 1,5 I processi produttivi di questi acciai devono essere condotti in modo che la decarburazione della lega in elaborazione, ottenuta per ossidazione del carbonio, non possa influire negativamente sulla ossidazione del cro- mo,, elemento che per altro presenta un elevata affinità per l ossigeno. l

7 CLASSIFICAZIONI ACCIAI INOX Nell ambito della famiglia degli acciai inossidabili si possono distinguere: FERRITICI: a struttura ferritica stabile indipendente dalla temperatura. AUSTENITICI: a struttura austenitica stabile indipendente dalla temperatura DUPLEX: a struttura austeno-ferritica MARTENSITICI: induribili con trattamento termico. A queste quattro serie se ne sono aggiunte altre con particolari caratteristiche: Precipitation Hardening (PH), ELI, etc.

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9 ELABORAZIONE DEGLI ACCIAI INOX L aggiunta di Ar o di altro gas inerte serve a diluire il CO che si sviluppa nel Il processo VOD è più adatto alle bagno a seguito della reazione acciaierie miste dove la quota esotermica carbonio-ossigeno. ossigeno. produttiva di acciai inox è più Variando il rapporto argon/ossigeno è modesta accanto ad acciai non possibile regolare a pressione parziale inossidabili. dell ossido di carbonio e così favorire la decarburazione del bagno. Adatto anche al semplice dega- saggio di acciai convenzionali.

10 APPLICAZIONI GENERALI Industria ali- mentare, chimica, nucleare, petrolchimica, farmaceutica, edilizia, arredamento, trasporti, etc. Gli acciai inox sono molto validi dove sia richiesta la resistenza alla corrosione, congiunta ad altre proprietà,, quali: resistenza meccanica (R m = MPa) lavorabilità alle macchine utensili e per deformazione plastica

11 DIAGRAMMA D EQUILIBRIO Fe - Cr Cr: dilata il campo α restringe il campo γ (completamente chiuso). Azione alfagena o ferritizzante, come Mo, Si, Ti, Nb, Ta, Al Fase σ: riduce tenacità e resistenza alla corrosione.

12 DIAGRAMMA Fe - Cr Il carbonio è fortemente gammageno ( allarga il campo γ) Il C se > 0,2% allarga il campo γ fino a valori di Cr mag- giori del 15% permette di avere acciai inox che possono essere sottoposti a tempra.

13 DIAGRAMMA D EQUILIBRIO Fe - Ni Ni: dilata il campo γ,, restringe il campo α stabilizza l austenitel come C, N, Mn,, Cu. Aumenta la resistenza alla corrosione. Assicura tenacità e deformabilità a freddo

14 DIAGRAMMA D EQUILIBRIO TERNARIO Fe Cr - Ni

15 CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI INOSSIDABILI RIPARTIZIONE DEGI ACCIAI INOX IN CLASSI O SERIE, SUDDIVISE A LORO VOLTA IN TIPI. UN TIPO DI ACCIAIO È INDIVIDUATO DA CARATTERISTICHE E PROPRIETÀ CHIMICHE, FISICHE E MECCANICHE PER LE QUALI SONO RIPORTATI VALORI INDICATIVI OPPURE VALORI DI MINIMO E MASSIMO. Classificazione secondo EN, AISI, SAE per inox: ferritici,, al cromo: Cr = 16 30%, C< 0,1% (in certi casi fino a 0,35) austenitici al cromo-nichel: Cr = 16 26%, Ni = 6 22%, C < 0,1% martensitici al cromo: Cr=11 18%, C=0,1 0,5% (in certi casi fino a 1%),

16 NORMAZIONE SERVE A LIMITARE ED ACCORPARE I TIPI E LE PRESCRIZIONI ALLO SCOPO DI AGEVOLARE L INDIVIDUAZIONE L E LA SCELTA DEL MATERIALE. Norme: - Internazionali ISO - Comunitarie (EUROPA( EUROPA) EN - Nazionali (europei) UNI (I) AFNOR (F) DIN, W.N. (D) SIS (S) UNE (E) BS (UK) - Extraeuropei GOST (CSI) (ex URSS) AISI,, SAE, UNS (USA) JIS (J) etc.

17 CORRISPONDENZE NORMAZIONI AMERICANE AISI - UNS

18 DESIGNAZIONI NAZIONALI DEGLI INOX

19 EURONORM

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23 INFLUENZA DEI PRINCIPALI ELEMENTI DI LEGA Mo Aumenta la stabilità della pellicola passivante, specie in ambienti riducenti. Ha anche una influenza positiva sulle proprietà meccaniche a caldo degli acciai austenitici. Si Aumenta la resistenza all'ossidazione a caldo. Ti, Nb, Ta Hanno forte tendenza a formare carburi: affinano il grano e inibiscono la corrosione intergranulare. Al Come il silicio, aumenta la resistenza alla ossidazione a caldo degli acciai refrattari. Mn Negli acciai austenitici per sostituire parzialmente il nichel come elemento austenitizzante.

24 RUOLO DI PARTICOLARI ELEMENTI DI LEGA Elementi di lega possono favorire la precipitazione di carburi, nitruri e carbonitruri. Elemento Ti Nb Ta Mo Cr Fe Composti TiC NbC Ta 2 C MoC Mo 2 C Cr 2 C 2 Cr 7 C 3 Cr 4 C Fe 3 C Gli elementi formatori di carburi promuovono un affinamento del grano ed in genere un aumento di durezza. La precipitazione di carburi di Cr durante la sensibilizzazione avviene principalmente al bordo dei grani e comporta un peggioramento delle proprietà chimiche corrosione intergranulare.

25 DIAGRAMMA DI SCHAEFFLER Austenite A+M Austenite+ Ferrite Martensite A+M+F M+F Ferrite Cr eq = % Cr + %Mo + 1,5% Si + 0,5% Nb (elementi ferritizzanti) Ni eq = % Ni + 30%C + 0,5% Mn (elementi austenitizzanti) Ni eq

26 DIAGRAMMA di De Long o Schaeffler modificato Austenite A+M Austenite+ Ferrite Cr eq = %Cr + %Mo + 1,5% Si + 0,5 %Nb Ni eq = %Ni + 30%C + 30%N + 0,5% Mn (Cr eq = 18 26%) (Ni eq = 12 24%) 24%)

27 Acciai inox in funzione del tenore di Cr e Ni Acciai inox in funzione del tenore di C e Cr

28 PROPRIETÀ CHIMICHE E MECCANICHE DEGLI INOX

29 RESILIENZA DI ACCIAI INOX

30 ACCIAI INOSSIDABILI FERRITICI (AISI 4XX) Leghe Fe, Cr = 16 30%, C < 0,1% (in alcuni casi fino a 0,35) Hanno struttura ferritica (eventualmente con carburi). Sono ferromagnetici. Non hanno i punti critici A 3 e A 1 : impossibilità di esecuzione dei trattamenti termici. Eventuale rinforzo avviene per incrudimento (deformazioni plastiche a freddo: trafilatura, laminazione..)

31 ACCIAI INOX FERRITICI Vantaggi Buona resistenza a corrosione, nettamente superiore ai martensitici Rispetto agli austenitici, più resistenti alla corrosione sotto sforzo Magnetici Buona deformabilità (inferiore agli austenitici) Meno costosi degli austenitici (per l assenza di Ni) Limiti Generalmente saldabili, ma con tendenza all ingrossamento dei grani. Presenza di temperatura di transizione.

32 COMPOSIZIONE DI ACCIAI INOX FERRITICI

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34 QUALITÀ SPECIFICHE DI ACCIAI FERRITICI

35 PROPRIETÀ MECCANICHE DI LAMINATI INOX FERRITICI

36 PROPRIETÀ MECCANICHE DI INOX FERRITICI

37 COMPOSIZIONE E PROPRIETÀ DI INOX FERRITICI E L I

38 RESILIENZA ACCIAI INOX FERRITICI Gli acciai inox ferritici sono i meno adatti all utilizzo per le basse temperature perché presentano transizione duttile-fragile attorno alla T ambiente.

39 ACCIAI INOX FERRITICI E L I Basso contenuto d interstiziali: d carbonio + azoto = 0,02 0,05%. Resistenza alla corrosione (generalizzata e puntiforme) superiore ai ferritici convenzionali. Maggiore resistenza alla corrosione sotto sforzo. Le proprietà meccaniche simili ai ferritici convenzionali con resilienza che presenta una temperatura di transizione più bassa. Applicazioni: scambiatori di calore, condensatori, pompe, serbatoi, industria alimentare e farmaceutica.

40 TRATTAMENTI TERMICI INOX FERRITICI Per l assenza di A 1 e A 3, non sono adatti a subire alcuni trattamenti termici es. tempra Possono subire ricottura per: ricristallizzare il materiale, precedentemente sottoposto a deformazione plastica a freddo, eliminare le tensioni interne indotte da deformazione o saldatura migliorano le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione. Riscaldamento a T= C, per h Raffreddamento in aria, cercando di non sostare tra 400 e 570 C, per pericolo di infragilimento.

41 TRATTAMENTI DI RICRISTALLIZZAZIONE Le temperature ed i tempi di permanenza devono essere controllati al fine di evitare un indesiderato ingrossamento dei grani.

42 PROPRIETÀ DI ACCIAI FERRITICI Possono essere rinforzati per incrudimento ma l incremento l ottenibile di proprietà resistenziali è inferiore a quello raggiungibile negli inox austenitici. L incrudimento non ha particolari effetti sulle proprietà magnetiche.

43 SALDATURA DEGLI ACCIAI INOSSIDABILI FERRITICI Buona saldabilità,, comunque inferiore a quella degli austenitici Possibile formazione di frazioni di martensite in zona fusa e in ZTA. Rischio di ingrossamento dei grani ( ( calo di resilienza). Precipitazione di carburi e formazione di fase σ. Per un AISI 430 (0,08%C) con il riscaldamento si arriva in campo δ (ingrossamento grano) e nel raffreddamento si forma in parte fase γ che origina martensite Diagramma pseudobinario Fe-Cr Cr-C con Cr = 13% (C 1 = M 23 C 6, C 2 = M 7 C 3 )

44 PROPRIETÀ DEGLI INOX FERRITICI AD ALTE TEMPERATURE Resistenza all ossidazione a caldo Buona resistenza a fatica termica, basse sollecitazioni termiche Proprietà a scorrimento viscoso Resistenza a creep inferiori a quelle degli inox austenitici acciai ferritici resistenti al calore: acciai per rotori di turbine (modificazioni del 12%Cr, con Mo e W) acciai per tubi di caldaie (10Cr-2Mo con Nb e V) Acciai inox ferritici utilizzati in regime di creep Acciai quali AISI 430, 409, 446 sono utilizzati per condotti di scarico, apparecchiature di forni, scambiatori di calore Acciai per rotori: nei gradi più recenti le temperature di servizio sono anche 620 C C (540 C C per il 12%Cr)

45 PROPRIETÀ A TEMPERATURE SUPERIORI A QUELLA AMBIENTE Inox ferritici sono particolarmente suscettibile a fenomeni di infragilimento. A seguito di mantenimento per tempi lunghi a T= C o ad un lento raffreddamento in questo intervallo si ha formazione della fase σ che comporta una diminuzione di duttilità,, tenacità,, resistenza alla corrosione. Formazione favorita da alti tenori di Cr. A seguito di permanenza a T= C (infragilimento a 475 C) si ha precipitazione di una fase α ai bordi grano più ricca in Cr.. La presenza di questa fase determina un aumento della resistenza, ma una diminuzione elevata della resilienza. Gli acciai più soggetti sono quelli ad alto Cr. TALI FENOMENI SI MANIFESTANO SOPRATTUTTO NEL CORSO DEL RAFFREDDAMENTO.

46 ACCIAI INOX AUSTENITICI Hanno una struttura austenitica stabile a qualsiasi temperatura quindi non suscettibili di trattamento termico.. Allo stato solubilizzato sono amagnetici,, se sottoposti a lavorazioni a freddo (laminazione, imbutitura, trafilatura) incrudiscono aumentando i valori di propriet prietà meccaniche e sviluppano, nello stesso tempo, un certo magnetismo. Si dividono in tre gruppi: Al Cr-Ni Ni: : caratterizzati da Cr 16-20% e Ni 7-12% con aggiunta di elementi come Zolfo e Selenio per facilitare le lavorazioni, oppure Ti e/o Nb come stabilizzanti per evitare la formazione di carburi. Possiedono ottima resilienza a temperature molto basse ed hanno buona resistenza a fatica. Al Cr-Ni Ni-Mo: : composizione tipica Cr % 18% Ni 10-18% 18% Mo 2-2 6%. La presenza di Mo conferisce resistenza alla corrosione sotto tensione e puntiforme, consentendo l impiego l in ambiente di forte aggressività chimica, anche in presenza di ioni cloro. Austenitici per alte temperature: : caratterizzati da Cr e Ni 20% e Si > 1%, per impieghi a temperature fino a 1150 C, mantenendo buona inossidabilità e adeguate proprietà meccaniche.

47 ACCIAI INOX AUSTENITICI al Cr-Ni (serie 3XX) Vantaggi Ottima resistenza a corrosione Ottima deformabilità plastica Elevata tenacità Assenza di temperatura di transizione Buona resistenza a creep Elevata resistenza a fatica Possono essere rinforzati per incrudimento Buona saldabilità Sono in genere amagnetici Limiti Costi elevati Basse proprietà resistenziali Produzione: più del 60% degli inox.

48 ACCIAI INOX AUSTENITICI Cr = 16 26%, 26%, Ni = 6 22%, 6 C < 0,1% Microstruttura austenitica (non non possiedono A 1 e A 3 ) Fe-C-Cr-Ni (serie 3XX) Leghe Fe-C-Cr-Mn-Ni (serie 2XX)

49 COMPOSIZIONE ACCIAI INOX AUSTENITICI

50 PREPARAZIONE DI INOX AUSTENITICI A PARTIRE DA AISI 304

51 QUALITÀ SPECIFICHE DI ACCIAI INOX AUSTENITICI

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54 PROPRIETÀ FISICHE DI ACCIAI INOX AUSTENITICI

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56 ALCUNE PROPRIETÀ DI ACCIAI INOX AUSTENITICI

57 PRECIPITAZIONE DI CARBURI (SENSIBILIZZAZIONE( SENSIBILIZZAZIONE) Precipitazione di carburi di Cr (Cr,Fe,Ni) 23 C 6 al bordo grano, che si verifica quando questi acciai vengono raffreddati lentamente oppure mantenuti per tempi opportuni a T= C. Impoverimento di Cr (< 10,5%, valore minimo per la passività in aria) vicino ai bordi di grano perdità di inossidabilità il bordo grano, in certi ambienti, diventa suscettibile di attacco corrosivo corrosione intergranulare (demolizione selettiva del contorno dei grani) drastica diminuzione delle proprietà meccaniche.

58 DIAGRAMMA D EQUILIBRIO Cr - C La cinetica di formazione dei carburi di Cr, in realtà (Cr,Fe,Ni) 23 C 6 è massima nell intervallo di temperatura di ca. T C.

59 PRECIPITAZIONE DI CARBURI (SENSIBILIZZAZIONE) Spesso la sensibilizzazione è indotta da: saldatura o taglio al cannello, da deformazioni plastiche a caldo (fucinatura, curvatura ), da trattamenti termici di distensione ad alta temperatura. La precipitazione di carburi avviene anche sulle bande di scorrimento in acciai de- formati plasticamente. AISI 304

60 CONDIZIONI DI SENSIBILIZZAZIONE La cinetica di precipitazione dei carburi dipende da vari fattori: temperatura, tempo, % di Carbonio, dimensioni dei grani, contenuto to di altri elementi di lega. La precipitazione è tanto più elevata e rapida quanto maggiore è il tenore di C. Una diminuzione del tenore di C ( ( 0,03%) sposta a tempi molto lunghi la precipitazione ACCIAI LOW CARBON tipo AISI 304L, AISI 316 L

61 SENSIBILIZZAZIONE E CORROSIONE INTERGRANULARE Affinché si abbia corrosione intergranulare, l acciaio l deve essere sensibilizzato,, e deve esserci un ambiente aggressivo come: le soluzioni solforiche (soprattutto presenza di sali rameici e ferrici). le soluzioni nitriche calde (contenenti dal 50% al 100% di acido nitrico). le miscele solfo-nitriche o fluoro-nitriche. acqua di mare, petroli grezzi, solventi clorurati salse e condimenti alimentari (cloruri).

62 TEMPI DI SENSIBILIZZAZIONE La precipitazione inizia sul bordo dei grani dopo pochi secondi di permanenza a 800 C, mentre è necessaria una permanenza di un centinaio di ore a 550 C C per avere precipitazione all interno dei grani. Tempo di precipitazione dei carburi M 23 C 6 in funzione della temperatura nei diversi siti di precipitazione per: (a) AISI 304, con C = 0,05% 05% solubilizzato a 1250 C; (b) analogo acciaio ma con C = 0,038%, solubilizzato a 1260 C.

63 MORFOLOGIA DI CORROSIONE INTERGRANULARE La corrosione intergranulare provoca la demolizione selettiva del bordo grano diminuzione delle proprietà meccaniche, soprattutto della tenacità a bassa temperatura e della plasticità,, con possibile formazione di cricche.

64 STABILIZZAZIONE DEGLI ACCIAI INOX Aggiunta di piccole quantità di elementi di lega ad alta affinità con il C (elementi stabilizzanti ): Ti, Nb, Ta formazione di carburi di questi elementi, limita la precipitazione di carburi di Cr: Acciai Stabilizzati (AISI 321, AISI 347, 316Ti, 316Nb..) Nella zona immediatamente adiacente al cordone si raggiungono T così elevate da mandare in soluzione i carburi TiC, NbC... Se nelle successive operazioni termiche l acciaio l viene portato alle T di sensibilizzazione, in quella zona si avrà precipitazione di carburi di Cr suscettibilità alla corrosione intergranulare corrosione a lama di coltello (per la zona ristretta).

65 SENSIBILIZZAZIONE NEGLI INOX AUSTENITICI Riduzione del tenore di C (C<0,03%): Acciai Low Carbon (AISI 304L, AISI 316L, AISI 317 L). C < 0,03%: immunità alla sensibilizzazione per periodi di riscaldamento relativamente brevi (come in saldatura o stampaggio). Per periodi più lunghi il C deve esse mantenuto a livelli ancora più bassi. La riduzione del C comporta una riduzione delle proprietà meccaniche.

66 SOLUBILIZZAZIONE ACCIAI INOX Trattamento termico di solubilizzazione: riscaldamento a T=1050 C e rapido raffreddamento in acqua. Difficoltà nell esecuzione esecuzione del trattamento, ad es. per le saldature a causa di: Elevate T, necessarie a solubilizzare i carburi di Cr possibili deformazioni del manufatto. Problemi associati al necessario raffreddamento rapido. Eventuale ossidazione del pezzo. Impossibilità di esecuzione del trattamento nel caso di pezzi di grandi dimensioni.

67 TEMPERATURE DI SENSIBILIZZAZIONE Gli intervalli di temperatura di sensibilizzazione sono: T = C, per gli inox austenitici T > 950 C C per gli inox ferritici T = C C per gli inox stabilizzati

68 INOX AUSTENITICI Costituiscono una modifica al AISI 304 (X8CrNi 18 8) + Mo: per aumentare la resistenza al pitting - C: per ridurre la sensibilizzazione, in particolare nelle saldature: acciai low carbon + Ti, Nb, Ta + Cr, Ni Ta: per prevenire la sensibilizzazio- ne: Acciai stabilizzati Ni: per aumentare la resistenza all ossi ossi- dazione a caldo: Acciai refrattari per le alte temperature AISI 316 AISI 317 AISI 304L AISI 316L AISI 321 AISI 347 AISI 309 AISI 310

69 TRATTAMENTI TERMICI INOX AUSTENITICI SOLUBILIZZAZIONE o Tempra Austenitica Scopo: rimuovere le alterazioni strutturali dovuti ai processi di deformazione plastica; solubilizzare i carburi. Riscaldamento a T sufficientemente elevate ( 1000( 1100 C) e per tempi brevi, dipendenti dallo spessore (per evitare ingrossa- mento dei grani effetto negativo sulla corrosione intergranu- lare) Raffreddamento rapido (in acqua) per evitare la precipitazione di d carburi nell intervallo critico ( C). Il miglior comportamento dal punto di vista della resistenza alla corrosione si ha con una struttura austenitica omogenea

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71 TRATTAMENTI TERMICI Distensione Scopo: Eliminare le tensioni interne dopo cicli di formatura ridur- re il pericolo della corrosione sotto sforzo (tensocorrosione( tensocorrosione). Riscaldamento a T< intervallo critico (450 C): T = C, Permanenza: 30 min 2 h, a seconda dello spessore Raffreddamento in aria. Sensibilizzazione Scopo: Non comporta alcun miglioramento delle proprietà; ; serve a determinare le condizioni (Temperatura, tempo) per la precipitazione di carburi a saggiare la suscettibilità alla corrosione intergranulare.

72 TRATTAMENTI TERMICI Cont. Stabilizzazione Scopo: Aumentare la resistenza a corrosione intergranu- lare di acciai stabilizzati (AISI 321, AISI 347). Riscaldamento a T= C, per ~5 5 h Raffreddamento in aria Effetti: Formazione di fine dispersione di carburi TiC, NbC evita la formazione di carburi di Cr. Stabilizzazione dell austenite austenite.

73 EFFETTO DELL INCRUDIMENTO SU INOX AUSTENITICI Deformazioni plastiche a freddo (trafilatura, laminazione, imbutitura, stampaggio..) aumentano le proprietà resistenziali e il limite di fatica, con una corrispondente riduzione di allungamento, strizione e resilienza. Con l incrudimento l aumenta la permeabilità magnetica. AISI 304

74 Microstrutture di un acciaio inossidabile austenitico tipo AISI 304 allo stato solubilizzato (a sinistra, 100x) e incrudito (a destra, 200x).

75 Resistenza a trazione vs. tasso di riduzione di sezione per trafilatura a freddo Effetto della riduzione di sezione sulla % di martensite AISI 201 = 17Cr - 5Ni - 4Mn - 0,18N AISI 301 = 17Cr - 7Ni AISI 310 = 24Cr - 20Ni AISI 304 = 18Cr - 8Ni L aumento delle proprietà resistenziali è dovuto alla moltiplicazione delle dislocazioni e in alcuni tipi alla formazione di martensite.

76 RESISTENZA A FATICA INOX AUSTENITICI Le caratteristiche di fatica sono buone, se si tiene conto dei bassi valori di snervamento Il limite di fatica aumenta con il tasso di incrudimento, in relazione all aumento aumento del carico di rottura

77 PROPRIETÀ A TEMPERATURE SOTTOZERO Effetto della sensibilizzazione L assenza di temperatura di transizione li rende idonei per la realizzazione di serbatoi di stoccaggio per impieghi criogenici (gas liquefatti). La sensibilizzazione provoca su alcuni inox (AISI 302) un calo vistoso della resilienza al diminuire della T. Problematiche nella realizzazione di strutture saldate operanti a basse T

78 PROPRIETÀ A TEMPERATURE SOPRA QUELLA AMBIENTE È la classe di acciai inox con le migliori caratteristiche di resistenza all ossidazione a caldo e a creep. Tipi più utilizzati: AISI 309 e 310, a tenore di Cr e Ni nettamente più elevato rispetto all AISI 304

79 SALDATURA DEGLI ACCIAI INOSSIDABILI AUSTENITICI Tra i vari acciai inox, quelli austenitici sono i più facilmente saldabili, sia per le ottime doti di tenacità che per la buona stabilità della struttura austenitica. Precipitazione di carburi in zona fusa e in ZTA di solito la precipita- zione di carburi inte- ressa la ZTA e meno la zona fusa per l elevata l velocità di raffredda- mento. Contrariamente agli acciai al C tradizionali, gli inox non manifestano mai il fenomeno della formazione di cricche a freddo dopo saldatura.

80 ACCIAI INOSSIDABILI MARTENSITICI (AISI 4XX4 XX) Fe, Cr = 11 18%, C = 0,1 0,5% (in certi casi C fino a 1%) Talora contengono Ni e Mo, per evitare fragilità da rinvenimento Avendo i punti A 1 e A 3 sono suscettibili di tempra Possono avere struttura completamente martensitica o martensite + carburi ( durezze molto diverse) Sono utilizzati quando oltre ad una certa resistenza alla corrosione sono richieste elevate caratteristiche di resistenza a trazione durezza, resistenza ad usura.

81 ACCIAI INOX MARTENSITICI Vantaggi Resistenza meccanica molto elevata. Ferromagnetici. Limiti Minor resistenza alla corrosione (sensibilità ai cloruri corrosione puntiforme e sotto tensione). Impieghi in: palette di turbine a vapore, corpi delle valvole, bulloneria e viteria, coltelleria, strumenti chirurgici, industria estrattiva, cuscinetti.

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83 COMPOSIZIONE ACCIAI INOX MARTENSITICI

84 QUALITÀ SPECIFICHE DI ACCIAI MARTENSITICI

85 AISI 410 e 403 (a basso tenore di C 0,15%) buona possibilità di formatura a freddo, discreta lavorabilità alle macchine utensili per asportazione di truciolo. Impieghi: viti autofilettanti, coltelleria, canne per armi da fuoco, sfibratrici per legno, calibri e strumenti di misura, cilindri di laminazione, palette per turbine a vapore. AISI 420 (a medio % di C 0,30%) dopo TT hanno alta durezza e buona tenacità Impieghi: INOX MARTENSITICI coltelleria, strumenti chirurgici, valvole, alberi per pompe

86 INOX MARTENSITICI AISI 414, 431 (a maggiore % di Cr + aggiunte di Ni) Hanno la maggiore resistenza alla corrosione, con elevata resistenza meccanica e durezza. Impieghi consigliati: alberi portaelica,, molle, coclee, viti ad alta resistenza, centrifughe per industrie alimentari e per l industria l della carta. AISI 440 (alte % di Cr ~18% e di C fino a ~ 1.2%) dopo TT microstruttura costituita da martensite e carburi, che incrementano durezza e resistenza all usura. Impieghi consigliati: strumenti chirurgici ed odontoiatrici, cuscinetti a sfere, coltelleria speciale, blocchetti di riscontro.

87 TRATTAMENTI TERMICI TTT CCT Avendo i punti A 3 e A 1 sono suscettibili di ricottura completa, isoterma, di lavorabilità e tempra seguita da rinvenimento o distensione. Sono temprabili in olio e più spesso in aria (autotempranti( autotempranti). Sono ad alta penetrazione di tempra.

88 RICOTTURA COMPLETA, ISOTERMA E DI LAVORABILITÀ Ricottura completa o isoterma: riscaldamento sopra A c3 seguita da raffreddamento lento in forno o da raffreddamento rapido sotto A c1 e successiva permanenza in condizioni isoterme. Conferisce al materiale il massimo addolcimento e quindi precede le operazioni di severa deformazione plastica a freddo. Ricottura di lavorabilità: riscaldamento a T< Ac 1. Migliora le caratteristiche di lavorabilità alle macchine utensili e di deformabilità a freddo. AISI 420 B ricotto (780 C): carburi fini in matrice ferritica

89 Ricottura Completa Ricottura di Lavorabilità

90 TEMPRA Riscaldamento a T > A c3 per tempi sufficienti alla completa austenitizzazione. Consigliabili riscaldamenti molto lenti o pre-riscaldi riscaldi (soprattutto per pezzi incruditi o di grandi dimensioni). Raffreddamento in aria calma (autotempranti( autotempranti) ) o olio (riscaldato a T=40 90 C). M s C Essendo fortemente legati si temprano anche su pezzi di grande spessore AISI 420 B temprato (980 C in olio): carburi fini in matrice di martensite

91 La durezza aumenta con il tenore di C }

92 DISTENSIONE E RINVENIMENTO Le migliori caratteristiche di resistenza alla corrosione si hanno no sul materiale temprato o disteso a T = C. Problema: tenacità molto bassa. Le migliori caratteristiche di tenacità si ottengono con rinvenimenti a T = C. L intervallo T= C è pericoloso, sia per la diminuzione di tenacità (fragilità da rinvenimento o malattia di Krupp) ) che per la diminuzione della resistenza alla corrosione.

93 TEMPERATURE INFERIORI A QUELLA AMBIENTE Il trattamento termico influisce in modo significativo sulla resilienza

94 PROPRIETÀ A TEMPERATURE INFERIORI A T AMBIENTE Gli acciai inox martensitici,, quando sottoposti a bonifica ( ( struttura di martensite rinvenuta), possiedono discrete proprietà a bassa T, del tutto confrontabili con quelle di acciai da costruzione da bonifica, ica,

95 PROPRIETÀ A TEMPERATURE SUPERIORI A T AMBIENTE Gli inox martensitici non sono solitamente impiegati alle alte temperature. La temperatura di rinvenimento deve essere C C più elevata di quella d esercizio d (stabilità microstrutturale). Rapido calo delle proprietà meccaniche sopra C. Per brevi periodi si possono raggiungere i 590 C. I più utilizzati ad alta temperatura sono: AISI 403 AISI 410 AISI 422 Impieghi tipici: in palettature di turbine a vapore per le buone caratteristiche di resistenza all ossidazione.

96 ACCIAI DUPLEX (DSS, duplex stainless steel) Contengono austenite e ferrite in circa eguali proporzioni. Rappresentano la parte più innovativa degli acciai inox Cr = 18,5 28%, Ni = 4,5 6,5, Mo = 1,5 3% APPLICAZIONI: Dove siano richieste: buona saldabilità, elevate caratteristiche meccaniche elevata resistenza alla corrosione. Microstruttura di un acciaio inossidabile duplex laminato

97 INOX BIFASICI Esistono due principali tipologie di bifasici %Cr % Ni DESIGNAZIONE E [GPa] R p 0.2 [MPa] R m [MPa] A [%] solubilizzato 2507 solubilizzato % %

98 Considerando una sezione del diagramma ternario al 70%Fe A partire dalla fase liquida e raffreddando per successivi stadi di equilibrio: Si forma ferrite Sotto 1220 C C la struttura diventa bifasica e vi resta fino a T ambiente Importante per la saldatura

99 RESISTENZA CHIMICA (RESISTENZA ALLA CORROSIONE) Gli acciai duplex presentano elevata resistenza alla corrosione, nettamente superiore agli austenitici tradizionali (tipo 304 e 316), nelle stesse condizioni ambientali. Occorre distinguere tra Corrosione generalizzata Corrosione localizzata Pitting (vaiolatura) Stress corrosion Crevice (in fessura)

100 RESISTENZA ALLA CORROSIONE Pitting Resistance Equivalent Number PREN = %Cr + 3,3%(Mo+0,5%W) + 16%N I Superduplex hanno PREN> 40 Indice di riferimento per resistenza alla corro-sione poiché il pitting è la forma di corrosione cui tutti gli acciai sono soggetti

101 DSS a basso costo, senza Mo: 23Cr4Ni0,1N, PREN~25 Alternativa ai 304 e 316. DSS tipo 22Cr5Ni3Mo0,17N, PREN~35 Resistenza a corrosione intermedia tra 316 e superaustenitici al 6%Mo+N. DSS al 25%Cr, con contenuti variabili i Mo e N, con PREN compreso tra 35 e 39. Super DSS tipo 25Cr7Ni4Mo0,27N, con valori di PREN>40.

102 COMPOSIZIONE CHIMICA INDICATIVA DI ALCUNI DUPLEX I costi dei duplex sono maggiori degli austenitici

103 RESISTENZA MECCANICA I duplex mostrano sensibili incrementi delle proprietà meccaniche rispetto all AISI 304 e 316 a causa della struttura mista. R m (α/γ)) = 2R m (γ) Sensibile riduzione degli spessori dei componenti (risparmio in peso). Buona tenacità alla frattura Buona resilienza, ma, per la presenza della ferrite, presentano temperatura di transizione a ca. (-( 90 C). Elevata resistenza a fatica: L f 0,25(R p0,2 +R m ) + 50

104 TRATTAMENTI TERMICI DUPLEX Si esegue solo la solubilizzazione: A T > 1100 C C si solubilizzano eventuali fasi indesiderate o composti ricchi di Cr e per effetto del raffreddamento rapido stessa struttura bifasica dell alta temperatura. A seconda della T di solubilizzazione si ottengono diversi rapporti tra fase δ e fase γ. Aumentando la T di solubilizzazione aumenta d rispetto a γ. Sia da un punto di vista meccanico che di resistenza alla corrosione è opportuno avere 50/50 (sono accettate anche 40/60 o 60/40)

105 FORMAZIONE DELLA FASE σ Cinetica di formazione della fase σ al variare della T in un acciaio superduplex

106 ACCIAI DUPLEX E SUPERDUPLEX Duplex (DSS, duplex stainless steel): 50%a-50g + Fasi indesiderate a causa di raffreddamenti o TT o processi di saldatura SuperDuplex (SDSS, superduplex stainless steel): Sono definiti come DSS con indice di resistenza al pitting PREN>40 Fase σ: : si forma in tutti i DSS e SDSS e influenza negativamente la tenacità.

107 ACCIAI INOX INDURENTI PER PRECIPITAZIONE

108 ACCIAI PH (PRECIPITATION( HARDENING) VANTAGGI Proprietà meccaniche elevatissime con buona resistenza a corrosione LIMITI Necessità di opportuni trattamenti termici (indurimento per precipitazione).

109 COMPOSIZIONE INOX PH

110 PROPRIETÀ ACCIAI PH

111 TRATTAMENTI TERMICI INOX PH

112 TRATTAMENTI TERMICI INOX PH

113 25% 12% 38% Corrosione sotto sforzo Corrosione uniforme Altri Corrosione puntiforme 7% 18% Corrosione intergranulare I PH sono suscettibili soprattutto di corrosione localizzata

114 CORROSIONE SOTTO TENSIONE (STRESS-CORROSION) Si manifesta unicamente se sono presenti contemporaneamente tre condizioni: un ambiente specifico uno stato di sollecitazione di trazione ben individuati tipi di acciai Diagnosi: cricche su piani perpendicolari a quelli di applicazione del carico, nella forma di: linea spezzata che segue il bordo dei grani (intergranulare) (a), linea diritta semplice (b) o ramificata (c) che attraversa i grani cristallini (transgranulare semplice o a delta di fiume).

115 CORROSIONE PER VAIOLATURA (PITTING( CORROSION) Morfologia dell attacco localizzato: ad ulcera (a), a cratere (b), a punto di spillo (c), a caverna (d). Localizzazione dell attacco su un area molto limitata a seguito di locale fessurazione del film passivante. Velocità di penetrazione molto elevata e tale da portare, in tempi brevi, alla foratura di spessori anche notevoli. L innesco si verifica sui punti più deboli della passività: bordi di grano; bande di scorrimento; inclusioni non metalliche Gli ambienti più favorevoli all attacco attacco puntiforme sono soluzioni a carattere ossidante e contenenti anioni ad azione specifica (Cl -, Br - etc.)

116 ESEMPI DI CORROSIONE PUNTIFORME Tubo in AISI 304L che ha presentato attacco corrosivo vaiolante a seguito di contatto con ioni Cl -

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119 INOSSIDABILI SOTTOPOSTI A NITRURAZIONE

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121 COSTI DI DIVERSI ACCIAI Life Cycle Cost Analysis di un viadotto autostradale Costi Acciaio al carbonio AISI 316 AISI Tempo (anni) Il maggior costo dell acciaio inossidabile utilizzato (valutato tra l 1% e il 15% in relazione alla complessità della costruzione) è ampiamente ripagato dalla riduzione dei costi di manutenzione della struttura; se tale valutazione è poi fatta tenendo anche in considerazione i costi di smaltimento, i vantaggi legati all uso dell acciaio inossidabile diventano ancora più evidenti.

122 LA FASE σ Fase σ in acciai austenitici Fe-Cr Cr-Ni Nella scelta degli acciai resistenti a caldo occorre considerare il la sensibilità all infragilimento dovuto sia a precipitazione di carburi che a separazione della fase σ. La formazione di fase s è estremamente lenta a T< 600 C, mentre la massima velocità si ha a T = C. Conduce ad un peggioramento delle caratteristiche di resistenza all urto sia a T ambiente che a bassa temperatura; riduce anche la resistenza alla corrosione. Elementi che la favoriscono: Si, Mo, Ti, Nb,, Al Elementi che la ostacolano: C, N e il Mn.

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