Composizione degli acciai Conoscere bene per comprare meglio

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1 Composizione degli acciai Conoscere bene per comprare meglio Manuele Dabalà Dip. Ingegneria Industriale Università di Padova

2 Introduzione Cos è l acciaio? Norma UNI EN 10020/01 Materiale il cui tenore in massa di ferro è maggiore di quello di ciascuno degli altri elementi ed il cui tenore di carbonio è generalmente minore del 2%, e contenente altri elementi.

3 Introduzione Dalla definizione si intende che l acciaio è costituito principalmente da ferro con quantità variabili di carbonio. Oltre a questi 2 elementi, altri alliganti in quantità più o meno elevata possono essere presenti nell acciaio. La norma suddivide e classifica gli acciai in: acciai non legati e acciai legati

4 Acciai non legati

5 Acciai legati Viene invece considerato acciaio legato qualsiasi acciaio il cui tenore di almeno un elemento in lega superi il valore indicato in tabella Convenzione si definisce acciaio bassolegato un acciaio in cui il tenore di qualsiasi elemento in lega è < 5 %, mentre acciaio altolegato un acciaio in cui vi sia almeno un elemento in lega con tenore superiore al 5 %

6 Ferro 1,2,3,4 grani 5 bordo grano

7 Ferro Struttura dei grani e dei bordi di grano

8 Ferro La disposizione degli atomi del ferro è di due tipi a seconda della T La transizione avviene a 912 C

9 Ferro Variazioni della struttura con la temperatura

10 Acciaio Se nel ferro viene sciolto carbonio si ottiene l acciaio Il carbonio produce una modifica delle temperature alle quali avvengono le trasformazioni della struttura del ferro Questo effetto è visibile nel diagramma Fe-C

11 Acciaio

12 Acciaio Variazioni della struttura in raffreddamento

13 Acciaio

14 Acciaio Variazioni della struttura in raffreddamento

15 Acciaio

16 Ferro La perlite presenta una struttura a lamelle di Fe a e di Fe 3 C

17 Acciaio Se il raffreddamento avviene rapidamente si inibisce la formazione di Fe3C e si ottiene una struttura metastabile detta martensite

18 Acciaio Vi sono due tipi di martensite

19 Acciaio Vi sono due tipi di martensite

20 Acciaio La martensite è dura e fragile e la sua durezza dipende dal contenuto di C

21 Acciaio La T alla quale si forma la martensite dipende dal tenore di C così come la quantità di austenite residua

22 Acciaio Un successivo riscaldamento provoca la scomparsa della martensite e la formazione di carburi. In questo modo si ottiene elevata resilienza

23 Elementi alliganti Negli acciai oltre al carbonio vi sono altri elementi che influenzano le proprietà del materiale Gli elementi alliganti si possono dividere in due gruppi: Elementi che espandono il campo austenitico (gammageni) Elementi che riducono il campo austenitico (alfageni)

24 Elementi alliganti Ni, Mn, Co, Rh, Ru, Pt Si, Al, P, Be, Cr, Mo, W, Ti C, N, Cu, Zn, Au Zr, Ta, Nb, B

25 Elementi alliganti Gli elementi gammageni aumentano l intervallo delle temperature di trasformazione austenitica Diminuiscono la T - e aumentano T - L effetto maggiore lo mostrano il Nickel e il Manganese Carbonio e Azoto hanno lo stesso effetto ma solubilità limitata

26 Elementi alliganti Gli elementi alfageni riducono l intervallo delle temperature di trasformazione austenitica Aumentano la T - e diminuiscono T - L effetto maggiore lo mostrano il Silicio, il Cromo e il Molibdeno Cromo, Molibdeno, Tungsteno e Vanadio formano carburi che induriscono l acciaio

27 Elementi alliganti Gli elementi alliganti cambiano inoltre il valore del carbonio all eutettoide

28 Elementi alliganti Negli acciai gli elementi alliganti possono trovarsi: in soluzione solida in forma di composti intermetallici come ossidi, solfuri o altre forme di inclusioni come carburi Elementi che formano carburi: Cr, Mn, Mo, W, V, Ti, Nb Elementi che non formano carburi: Ni, Si, Co, Al, Cu e N

29 Elementi alliganti Gli elementi formatori di carburi hanno un forte effetto di indurimento dell acciaio quando, mediante trattamento termico, si provoca la formazione dei carburi. I carburi possono però sciogliersi quando l acciaio viene scaldato ad alta T per lunghi tempi di permanenza.

30 Elementi alliganti

31 Elementi alliganti Tutti gli elementi alliganti modificano le curve di trasformazione al raffreddamento

32 Elementi alliganti Inoltre abbassano la T di trasformazione martensitica (ad eccezione di Al e Co)

33 Elementi alliganti Questo fa si che maggiore è il contenuto di elementi, maggiore è la temprabilità

34 Elementi alliganti La maggiore temparabilità dovuta agli elementi alliganti tuttavia produce una riduzione della saldabilità Si ha la tendenza a formazione di martensite nelle zone termicamente alterate

35 Elementi alliganti Gli elementi formatori di carburi inibiscono la crescita del grano durante il riscaldamento Maggiore resistenza a caldo

36 Elementi alliganti Alluminio ( %): disossidante. Usato per limitare la crescita del grano austenitico. Boro ( %): Aumenta la deformabilità e la temprabilità. Molto efficace negli acciai a basso carbonio. Cromo (0.5-18%): Component chiave. Aumenta resistenza a corrosione, temprabilità, resistenza e antiusura

37 Elementi alliganti Cobalto: Aumenta resistenza ad alta T. Rame ( %): elemento residuo. Aumenta fragilità e resistenza a corrosione Piombo: Aumenta truciolabilità. Manganese ( %): Aumenta resistenza ad alta T (rimuove i solfuri di ferro). Aumenta la duttilità e la resistenza ad usura

38 Elementi alliganti Molibdeno ( %): Aumenta temprabilità e resistenza ad alte T, resistenza a corrosione. Nickel (2-20%): Aumenta resistenza a impatto, corrosione e tenacità a basse T. Niobio: forma carburi duri, aumenta snervamento e carico di rottura. Riduce l ingrossamento del grano.

39 Elementi alliganti Fosforo: dannoso, usato talvolta per aumentare truciolabilità Silicio ( %): Aumenta elasticità provoca ingrossamento della grana, disossidante. Zolfo ( %): in piccola quantità aumenta truciolabilità, peggiora le proprietà a caldo dell acciaio

40 Elementi alliganti Titanio: Aumenta resistenza meccanica e a corrosione, limita crescita del grano. Tungsteno: Produce carburi molto stabili e affina la grana incrementando durezza ad alta T. Vanadio (0.15%): Come titanio e niobio, produce carburi stabili che aumentano la resistenza ad alta T e promuove l affinamento della grana cristallina

41 Acciai strutturali Vengono designati in base al carico di snervamento minimo in N/mm 2 del prodotto con spessore più ridotto

42 Acciai strutturali Vengono designati in base al carico di snervamento minimo in N/mm 2 del prodotto con spessore più ridotto

43 Acciai strutturali La saldatura degli acciai può essere eseguita con uno dei procedimenti all arco elettrico codificati secondo la norma EN ISO Sono richieste caratteristiche di duttilità, snervamento, resistenza e tenacità in zona fusa ed in zona termicamente alterata non inferiore a quella del materiale base

44 Acciai strutturali La composizione chimica ha notevole importanza sulla saldabilità

45 Acciai strutturali La composizione chimica ha notevole importanza sulla saldabilità

46 Acciai strutturali

47 Acciai strutturali In presenza di tenori di carbonio equival. C > 0,22% > 0,41 e di spessori >= 40 mm, sono richieste precauzioni speciali per effettuare la saldatura, particolarmente per quanto riguarda il tenore di idrogeno del metallo fuso, la temperatura di pre-riscaldo e le condizioni di apporto termico. Gli acciai per impieghi a basse temperature (< -20 C) non dovranno comunque avere un tenore di zolfo superiore a 0,010 %.

48 Acciai strutturali Anche nelle norme di prodotto, di acciai ritenuti idonei ai vari processi di saldatura, l idoneità non è illimitata, in quanto oltre alla qualità e quindi alla composizione chimica, entrano in gioco, altre varianti da non sottovalutare come per esempio lo spessore, la pulizia dei lembi di saldatura, la presenza di umidità ecc.

49 Acciai strutturali All aumentare: - dello spessore della lamiera, - dei valori resistenziali, -della percentuale di carbonio equiv. aumenta quindi il rischio della formazione di cricche a freddo. Tale fenomeno pertanto può essere la conseguenza della presenza di idrogeno diffusibile nel metallo di saldatura, di una struttura fragile nella zona termicamente alterata e della concentrazione rilevante di sollecitazioni a trazione nel giunto saldato.

50 Acciai strutturali S185 S235JR S235J0 S235J2 S275JR S275J0 S275J2 S355JR S355J0 S355J2 S355K2 Le due lettere (JR, JO, J2 e K2) indicano l attitudine all insensibilità alla rottura fragile (in parole più semplici potremmo dire il comportamento del materiale sottoposto ad un urto).

51 Acciai strutturali S185 S235JR S235J0 S235J2 S275JR S275J0 S275J2 S355JR S355J0 S355J2 S355K2 Altre sigle che si possono trovare in queste tipologie di acciai sono

52 Acciai strutturali

53 Acciai strutturali La composizione chimica

54 Acciai strutturali Fragilità alle basse temperature La scelta della qualità dell acciaio e l eventuale richiesta di ulteriori requisiti particolari dovrebbe essere fatta in modo da evitare fenomeni di rottura fragile. In particolare per la scelta della qualità dell acciaio strutturale da impiegare a basse temperature possono essere utilizzate le tabelle seguenti

55 Acciai strutturali

56 Acciai strutturali Fragilità alle basse temperature La scelta della qualità dell acciaio e l eventuale richiesta di ulteriori requisiti particolari dovrebbe essere fatta in modo da evitare fenomeni di rottura fragile. In particolare per la scelta della qualità dell acciaio strutturale da impiegare a basse temperature possono essere utilizzate le tabelle seguenti

57 Qualità dell acciaio La qualità dell acciaio è determinata dai difetti presenti. Scheggiature, cricche e bolle (superficiali) Cricche, porosità, inclusioni e segregazioni (interni) Le inclusioni in genere sono i peggiori difetti nell acciaio Acciai calmati con alluminio hanno maggiore contenuto di inclusioni

58 Qualità dell acciaio Le inclusioni di alluminio provocano la formazione di scheggiature o di microcricche

59 Qualità dell acciaio Rame e stagno sono particolarmente nocivi negli acciai

60 Qualità dell acciaio Il tipico problema che si riscontra è quello dell hot shortness

61 Qualità dell acciaio La segregazione a bande degli elementi alliganti è un altro dei principali problemi negli acciai strutturali Essa deriva da una segregazione durante la solidificazione.

62 Qualità dell acciaio Il principale elemento che provoca questo fenomeno è il Mn

63 Qualità dell acciaio Pertanto è importante che negli acciai strutturali non vi sia Mn > 1,8% Teoricamente è possibile ridurre il bandeggiamento mediante trattamento termico ma risulta troppo oneroso

64 Qualità dell acciaio Il fosforo è un potente infragilente dell acciaio in quanto forma fasi eutettiche a bordo grano Comunemente non deve superare 0,04%, ma se sono richieste alte duttilità, esso deve essere il più basso possibile Vi sono acciai rifosforati con P= 0,1% che sono usati per rulli di laminazione

65 Qualità dell acciaio Cosa fare per sapere se l acciaio è conforme. Verificare se le composizioni chimiche rientrano nelle specifiche Verificare che le specifiche siano adatte alla applicazione Misurare la durezzapuò essere una valida alternativa per gli acciai strutturali

66 Qualità dell acciaio La durezza da un valore approssimato del carico di resistenza dell acciaio

67 Qualità dell acciaio Verificare se vi sono difetti caratteristici Se il pezzo è stato ricavato da deformazione plastica a caldo (forgiatura, laminazione..) vi possono essere filature, inclusioni, bruciature che possono influire negativamente sull utilizzo

68 Qualità dell acciaio Verificare se vi sono difetti caratteristici Nel caso di getti vi possono essere cavità da ritiro, gocce fredde, soffiature, cricche a caldo sopratutto superficiali

69 Qualità dell acciaio Verificare se vi sono difetti caratteristici Nel caso di getti vi possono essere cavità da ritiro, gocce fredde, soffiature, cricche a caldo sopratutto superficiali

70 Qualità dell acciaio Verificare se vi sono difetti caratteristici Nel caso di saldature verificare la posizione del difetto Se sul il cordone probabilmente erano presenti soffiature, cricche sottopelle Se nella ZTA verificare le caratteristiche del metallo (composizione)

71 Conclusione La composizione e la qualità dell acciaio (assenza di difetti) sono fondamentali per un suo corretto impiego Ciononostante è fondamentale avere tutte le informazioni per poter eseguire correttamente la lavorazione e nel caso di problemi, risalire alla causa che ha scatenato il problema.

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