Studio dei trattamenti termici per acciai speciali

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1 Università degli Studi di Brescia Facoltà di Ingegneria Corso di laurea in ingegneria dei materiali Studio dei trattamenti termici per acciai speciali Relatore: Ing. Marcello Gelfi Correlatore: Ing. Annalisa Pola Laureando: Fabio Melchiori Matricola Anno accademico

2 Trattamenti termici per lingotti Il trattamento principale per i lingotti di grandi dimensioni è la ricottura. Scopi : equilibrio chimico; equilibrio strutturale; equilibrio meccanico. La struttura perlitica così raggiunta comporta l'addolcimento massimo e quindi un'ottima lavorabilità a freddo. Per motivi economici viene eseguita una ricottura isotermica.

3 Problematiche Durante o alla fine del trattamento termico è possibile che il lingotto presenti delle cricche che portano alla rottura del pezzo durante l utilizzo. L origine delle cricche è dovuta alla formazioni di tensioni residue. Una volta che il lingotto è posto all aria, la zona centrale è nelle condizioni di trasformarsi in una struttura perlitico-bainitica, con un forte aumento di volume del cuore del lingotto, che pone in trazione la superficie.

4 Problematiche Microstruttura trovata in un lingotto criccato e successivamente sezionato. Superficie del lingotto : Ferrite+Perlite Cuore del lingotto : Bainite + Perlite

5 Obiettivi Determinazione delle curve di trasformazione del 14 CDV 6-9, acciaio per lingotti di grosse dimensioni. C % Mn % Si % P % S % Cu % Cr % Ni % Mo % Sn % Al % V % Nb % B % Ca % Ti % As % Sb % Co % W % Zr % Pb % Bi % In letteratura esistono già curve di trasformazioni per acciai con composizione molto simile. Problema I campioni utilizzati per ricavare le curve hanno grano fine (dimensione del grano ASTM = 10);

6 Obiettivi Il 10 CD 9-10, presenta una composizione molto simile al 14 CDV 6-9 curve di trasformazione per il 10 CD Per rispecchiare il comportamento del lingotto il trattamento termico subito dai campioni prevede una temperatura di austenitizzazione pari a 1300 C. GRANO GROSSO

7 Caratterizzazione con il DSC Il DSC (Differential Scanning Calorimetry) Viene impostata una rampa di temperatura (temperatura massima 1500 C); lo strumento fornisce un quantitativo di calore tale da mantenere uguale la temperatura del campione e del riferimento; viene calcolato il flusso termico. Pregi: rapidità della prova

8 Caratterizzazione con il DSC Codice prova A B C D E Condizioni di trattamento termico Rampa Temperatura Tempo Tempo raffreddamento mantenimento mantenimento a a 100 C/min fino 600 C, fino a 975 No 750 C 1 ora e mezza a 20 Cmin a 100 C/min fino 600 C, fino a 975 a 20 Cmin a 100 C/min fino 600 C, fino a 975 a 20 Cmin a 100 C/min fino 600 C, fino a 975 a 20 Cmin a 100 C/min fino 600 C, fino a 975 a 20 Cmin 5min 750 C 3 ore e mezza (210 min) 5min 750 C 20 ore 5min 715 C 3 ore e mezza (210 min) 5min 715 C 20 ore 5 prove ognuna con un diverso ciclo di trattamento termico; le prove sono state eseguite con temperatura di austenitizzazione pari a 975 C, temperatura alla quale sono state ricavate le curve di trasformazione in laboratorio. temperatura Ciclo termico standard tempo Verificare se lo strumento è adatto per questo tipo di caratterizzazione

9 I risultati con il DSC per ogni prova è stato possibile ottenere i punti critici dell acciaio. confrontati con quelli calcolati analiticamente utilizzando le formule di Andrews. Codice prova Punti critici ( C) Peso campione Dalle formule di Andrews: Ac3 Ac1 A 796,69 748, mg B 797,68 740, mg Ac3 Ac1 847 C 757 C C 797,73 737, mg D 797,71 746, mg E 796,20 733, mg Il punto Ac1 si avvicina molto a quello calcolato, mentre Ac3 è soggetto ad un errore più elevato. Ottenimento dei punti critici per l acciaio

10 I risultati con il DSC Dall analisi dei grafici Per questo motivo si è abbandonata la tecnica DSC e si sono realizzati esperimenti analoghi a quelli condotti storicamente da Bain per ricavare le curve TTT.

11 Caratterizzazione con il metodo di Bain Prove lunghe e laboriose: provini di acciaio forniti dall acciaieria ASO S.r.l lato variabile da 1 a 1,5 cm. austenitizzazione a 1300 C e successivo raffreddamento con mantenimento a 780, 760, 730 e 700 C. tempo di mantenimento dai 20 secondi a 93 ore. totale campioni analizzati: 45. Si può dividere il lavoro di caratterizzazione in cinque passi: 1. trattamenti termici sul campione; 2. preparazione dei provini: lucidatura e attacco acido; 3. analisi delle fasi presenti al microscopio ottico; 4. prova meccanica di microdurezza per verificare sperimentalmente la presenza delle fasi identificate al microscopio; 5. curve di trasformazione.

12 Temperatura di mantenimento: 780 C Identificazione Temperatura Tempo 780A 780 C 20 sec Dall analisi metallografica: 780B 780 C 2 min 780C 780 C 10 min 780D 780 C 20 min 780E 780 C 1 ora 780 C 780F 780 C 2 ore 780G 780 C 4 ore 780H 780 C 6 ore Dall analisi delle microdurezze per il provino G 780 G 780 G Punto di inizio trasformazione dopo 4 ore di mantenimento a 780 C Martensite Ferrite H

13 Microdurezze e micrografie Le impronte del penetratore sul campione mettono in evidenza le diverse caratteristiche meccaniche di durezza delle fasi presenti. Fase martensitica Fase ferritica

14 Temperatura di mantenimento: 760 C Identificazione Temperatura Tempo 760A 760 C 20 sec Dall analisi metallografica: 760B 760 C 2 min 760C 760 C 10 min 760D 760 C 20 min 760E 760 C 1 ora 760 C 760F 760 C 2 ore 760 D 760G 760 C 4 ore 760H 760 C 6 ore Dall analisi delle microdurezze per il provino D: 760 F Martensite Ferrite Punto di inizio trasformazione dopo 20 minuti di mantenimento a 760 C

15 Temperatura di mantenimento: 730 C Identificazione Temperatura Tempo 730A 730 C 20 sec 730B 730 C 2 min 730C 730 C 10 min 730D 730 C 20 min 730E 730 C 1 ora 730F 730 C 2 ore 730G 730 C 4 ore 730H 730 C 6 ore 730I 730 C 10 ore 730L 730 C 15 ore 730M 730 C 20 ore 730N 730 C 25.5 ore 730O 730 C 30 ore 730P 730 C 48 ore Dall analisi metallografica: 730 C 730 F 730 M 730 E L analisi delle microdurezze conferma che dopo 1 ora inizia la trasformazione austenite ferrite.

16 Analisi d immagine Obiettivo: trovare il tempo di fine trasformazione. Conteggio della percentuale di fase trasformata nei diversi campioni; Per motivi di tempo la misura è stata effettuata solo su 4 campioni (2 volte); I campioni scelti hanno una percentuale di fase trasformata maggiore del 10%. Punto di inizio trasformazione dopo 1 ora di mantenimento; Punto di fine trasformazione dopo 183 ore si mantenimento a 730 C.

17 Temperatura di mantenimento: 700 C Identificazione Temperatura Tempo 700A 700 C 20 sec 700B 700 C 2 min 700C 700 C 10 min 700D 700 C 20 min 700E 700 C 1 ora 700F 700 C 2 ore 700G 700 C 4 ore 700H 700 C 6 ore 700I 700 C 10 ore 700L 700 C 15 ore 700M 700 C 21 ore 700N 700 C 25 ore 700O 700 C 30 ore 700P 700 C 48 ore 700Q 700 C 93 ore Dall analisi metallografica: 700 B 700 F 700 G 700 N L analisi delle microdurezze conferma che dopo 2 minuti inizia la trasformazione austenite ferrite. 700 P

18 Analisi d immagine Mettendo in grafico i risultati dell analisi d immagine si ottiene il seguente grafico e la curva interpolatrice, anche in questo caso è possibile trovare il tempo di fine trasformazione: Punto di inizio trasformazione dopo 2 min di mantenimento; punto di fine trasformazione dopo 136 ore di mantenimento a 700 C.

19 La curva di trasformazione Punto di inizio trasformazione Punto di fine trasformazione le curve estrapolate risultano spostate verso tempi più lunghi; questo è un effetto della diversità del grano grosso dei campioni considerati; non viene invece modificate la temperatura del naso della curva.

20 Conclusioni Il lavoro di questa tesi ha portato alle seguenti conclusioni: Il DSC permette di trovare i punti critici dell acciaio, ma non è in grado di identificare i punti di punti di inizio e fine trasformazione delle curve TTT. Risultati migliori si sono ottenuti con il metodo di Bain, nonostante esso fosse afflitto da significativi errori sperimentali. Si è osservato che la dimensione grossolana del grano austenitico degli acciai colati in lingotto comporta lo spostamento delle curve di trasformazione verso tempi più lunghi. Non si sono potute osservare spostamenti significativi del naso della curva. Questi risultati forniscono utili indicazioni per la messa a punto dei trattamenti termici dei lingotti di acciaio, contribuendo a prevenire il rischio di rotture.

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