Argomenti trattati. Tipi di acciai da costruzione

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1 Argomenti trattati Acciai per uso strutturale: Tipologie di acciai utilizzati in edilizia Processi produttivi Caratterizzazione degli acciai da costruzione Controlli di accettazione in cantiere Tipi di acciai da costruzione Acciai da costruzione di uso generale: 80% produzione di acciaio Basso costo di produzione Non è previsto il controllo della composizione chimica Piccoli tenori di elementi in lega Sono suddivisi in acciai di base e di qualità 1

2 Acciai di base Sono tutti quegli acciai che sono prodotti con ciclo di lavorazione semplice, senza microleganti Posti in opera dopo laminazione o normalizzazione (trattamento termico) Sono classificati in base alle caratteristiche meccaniche o all impiego: i più comuni sono: Fe360 Fe410 Acciai di qualità Sono acciai che prevedono l aggiunta di microleganti quali Niobio, Titanio e Vanadio per aumentare il carico di snervamento e grazie all esecuzione di opportune operazioni nel ciclo produttivo (normalizzazione o laminazione controllata) è possibile migliorare le caratteristiche meccaniche modificando la microstruttura 2

3 Acciai Cor-Ten Tra gli acciai di qualità sono state sviluppate leghe resistenti alla corrosione atmosferica quindi interessanti per l uso strutturale all esterno. Si tratta di leghe ferro-carbonio con l aggiunta di cromo, rame e nichel che favoriscono la formazione di uno strato di ossido continuo, impermeabile e di alto spessore. 3

4 Acciai speciali da costruzione (da bonifica) Sono acciai al carbonio debolmente legati che vengono posti in opera dopo trattamento termico di bonifica (tempra + rinvenimento) che conferisce loro un buon compromesso tra resistenza e tenacità. Vengono generalmente impiegati per componenti meccanici sottoposti ad alte sollecitazioni. I più famosi sono: C40 39NiCrMo3 Ecc Gli acciai inossidabili Sono acciai particolarmente resistenti alla corrosione. Sono leghe di ferro carbonio con aggiunta di cromo (11-12%) e nichel per migliorarne la resistenza alla corrosione. Si dividono in base alla loro microstruttura dipendente dal tenore di questi elementi in lega: Austenitici: AISI 304, 316 Ferritici: AISI 430 Martensitici: AISI 410 4

5 Acciai inossidabili Accaio al carbonio V cor Corrosione generalizzata Assenza di corrosione generalizzata Acciaio inossidabile (>12%Cr) 0 %Cr Effetto del contenuto di cromo in lega sulla resistenza alla corrosione generalizzata dell acciaio 12 Corrosione per pitting (acciaio inossidabile in acqua di mare) Vaiolatura o pit 5

6 Ni equivalente (%)= %Ni+%Co+30. %C+0,5. %Mn 18/05/2011 Tipi di acciai inossidabili (diagramma di Schaeffler) Acciai inossidabili Cr equivalente (%)= %Cr+1,5. %Mo+0,5. %Nb+2. %Si+5. %V Acciai inossidabili austenitici Tipi di acciai inossidabili (diagramma di Schaeffler) AISI 316 AISI Acciai inossidabili duplex Acciai inossidabili martensitici AISI 410 AISI 430 Acciai inossidabili ferritici 6

7 Principali tipi di acciai inossidabili Tipo Composizione Microstruttura AISI %Cr-10%Ni Austenitica AISI %Cr-10%Ni-2,5%Mo Austenitica AISI %Cr Ferritica AISI %Cr Martensitica %Cr-5%Ni-3%Mo-0.2%N Altri tipi Precipitation hardening (17-4 PH) Per getti Duplex (50%austenite-50%ferrite) PRINCIPALI APPLICAZIONI IN ARCHITETTURA Impieghi architettonici Edilizia e opere pubbliche rivestimenti, coperture, serramenti, armature, ancoraggi) Restauro degli edifici monumentali Arredo urbano 7

8 CONSOLIDAMENTO DEGLI EDIFICI STORICI ambienti Atmosfera Calcestruzzi e malte (alcalini o carbonatati, con o senza cloruri) Materiali diversi con o senza cloruri (materiali lapidei, laterizi, gesso, malte polimeriche, legno) 8

9 Altri tipi di acciai ACCIAI ZINCATI Gli acciai zincati, indicati nelle norme tecniche per le costruzioni, sono acciai che dopo la loro produzione vengono sottoposti all operazione di zincatura: viene depositato a caldo o a freddo uno strato sottile di zinco sulla superficie del materiale per migliorarne la resistenza alla corrosione senza ricorrere all utilizzo dei più costosi acciai inossidabili. 9

10 Acciai zincati Operazione di zincatura relativamente poco costosa Effetto protettivo del rivestimento di zinco anche dopo l abbassamento del ph del calcestruzzo dovuto alla carbonatazione I prodotti di corrosione dello zinco non sono espansivi, quindi non provocano danneggiamenti meccanici. Rallentamento della velocità di corrosione grazie all effetto sigillante dei prodotti di corrosione dello zinco su pori e microfessurazioni La zincatura Perché si fanno rivestimenti con zinco? Ragioni economiche Applicative Condizioni di impiego lo zinco permette di ottenere rivestimenti con sufficiente aderenza, impermeabilità, resistenza, tenacità e flessibilità per strutture grandi o piccoli componenti. 10

11 Il bagno di fusione deve contenere una percentuale di zinco non inferiore al 98,5%. Formazione sulla superficie dell'acciaio di uno strato di lega ferro-zinco. Rivestimenti metallici protezione attiva (catodica) dello zinco O 2 rivestimento di zinco I elettrolita acciaio reazione catodica O 2 +4e - +2H 2 O=4OH - e - reazione anodica Zn=Zn ++ +2e - 11

12 getti semilavorati 18/05/2011 Produzione dell acciaio Slebi Blumi Forno di riscaldo Gabbie di laminazione Billette Gabbie di laminazione a freddo da minerale Solidificazione Fusione Solidificazione da rottame Atomizzazione Ciclo di formatura dei metalli Deformazione plastica a caldo Solidificazione Deformazione plastica a freddo Compattazione Sinterizzazione sinterizzati Lavorazioni successive (trattamenti termici, macchine utensili, lavorazioni di carpenteria, trattamenti superficiali, trattamenti galvanici) 12

13 Caratteristiche degli acciai per c.a. La direttiva comunitaria sui prodotti da costruzione richiede che l acciaio per C.A. principalmente possieda due caratteristiche: Un livello minimo di resistenza allo snervamento Un livello minimo di duttilità Laminazione a caldo La laminazione è un procedimento tecnologico che consiste nell' obbligare un massello metallico a passare attraverso due cilindri, lisci o sagomati, previo riscaldamento (oppure anche a freddo), in modo che si verifichi un allungamento del massello, un allargamento ed una riduzione di altezza, nel caso di laminazione fra cilindri lisci; oppure una progressiva modificazione della forma della sezione e delle sue dimensioni, nel caso di cilindri sagomati. La laminazione a caldo sfrutta la grande plasticità del materiale ad alta temperatura e consente grandi deformazioni con carichi contenuti su cilindri di laminazione. 13

14 Laminazione a caldo Nel procedimento di laminazione a caldo i lingotti vengono prima riscaldati entro appositi forni alla temperatura di massima plasticità, successivamente vengono inviati ai laminatoi, nei quali il materiale viene fatto passare fra una coppia di cilindri rotanti che lo deformano e lo assottigliano. Le generatrici dei cilindri sono rettilinee o sagomate a seconda che si debbano produrre lamiere oppure barre e profilati. Terminate le operazioni di stiramento, si procede al taglio a caldo e si lascia raffreddare il prodotto su apposite placche di raffreddamento. La laminazione a caldo Forno preriscaldo 14

15 Produzione dei tondini per C.A. Processi produttivi Nella produzione di acciai per c.a. esistono diversi processi produttivi che rispondono differentemente alle proprietà richieste dalla normativa. Si possono quindi individuare cinque tipologie di acciai: Acciai tradizionali non saldabili Acciai microlegati Acciai trattati in laminazione Acciai da stretching Acciai deformati a freddo 15

16 Acciai tradizionali non saldabili Per questo processo il livello minimo di snervamento è ottenuto attraverso l'analisi chimica ed in particolare mediante un tenore di carbonio piuttosto elevato ( %). Dopo la laminazione a caldo un raffreddamento lento consente di ottenere elevati livelli di duttilità. L acciaio non è saldabile perché le zone circostanti la saldatura diventano fragili: il livello minimo della resistenza è mantenuto, ma si ha un calo drastico della duttilità. Acciai tradizionali non saldabili Se la fase elastica è oltrepassata il materiale non è in grado localmente di assorbire energia in modo duttile e cede di schianto. Data la notevole diffusione del processo di saldatura nei cantieri questi acciai sono ormai in disuso. 16

17 Acciai microlegati Per superare il problema della saldabilità in cantiere sono stati messi a punto acciai detti microlegati ai quali alcune aggiunte nella composizione chimica di elementi come vanadio, titanio, niobio, etc... consentono di raggiungere i livelli di resistenza previsti senza pregiudicare la duttilità. Anche questi acciai fanno parte dei laminati a caldo, così come gli acciai tradizionali. L alto costo di produzione spesso ne pregiudica l utilizzo. Acciai trattati in laminazione (Tempcore) La laminazione a caldo è seguita da un trattamento termico fatto in linea, quindi senza ricorrere ad analisi e all arricchimento in Carbonio o microleganti. Subito dopo l'ultima deformazione alla temperatura di laminazione ( C) il materiale viene investito da un getto d'acqua in pressione che provoca il rapido raffreddamento della superficie (tempra). Il cuore del tondo invece subisce un raffreddamento più lento. In questo modo si ottiene un materiale composto da due diverse strutture: una corona esterna temprata e rinvenuta caratterizzata da elevata resistenza ed una interna caratterizzata da elevata duttilità. I processi produttivi sono noti con i nomi commerciali di Thermex e Tempcore. 17

18 Il processo tempcore Trattamento Tempcore effetti microstrutturali 18

19 Acciai deformati a freddo Questo processo viene normalmente eseguito su materiali saldabili. Il livello di resistenza minimo viene ottenuto mediante una profonda deformazione a freddo con una riduzione della sezione sino al 30%: si parte da una vergella liscia di diametro 9mm per arrivare ad un filo "trafilato" nervato di diametro 8mm. Questa consistente deformazione provoca un incrudimento del materiale, quindi un aumento della sua resistenza, caratterizzato però da una riduzione della duttilità. Acciai deformati a freddo Sono materiali che hanno avuto una diffusione importante fino ad alcuni anni fa cioè finché non è emersa la necessità di privilegiare la duttilità soprattutto nelle strutture destinate alle zone sismiche. L'incrudimento del materiale riduce la capacità residua di assorbire energia deformandosi. L'introduzione nelle norme di parametri che indicano un limite inferiore alla duttilità ha comportato un calo nell utilizzo di questi materiali. 19

20 Incrudimento s f y3 f y2 R s R s incrudimento f y1 R s e Acciai da stretching E' un processo comparso negli ultimi anni Consiste nella ottimizzazione di analisi, condizioni di laminazione e deformazione a freddo L obiettivo è di garantire il livello richiesto di resistenza e di duttilità restando nel campo degli acciai saldabili. 20

21 Acciai da stretching La deformazione a freddo si concretizza in una operazione di raddrizzatura controllata che provoca una deformazione molto limitata (al di sotto del 5%) che conferisce un contributo all'incremento di resistenza senza intaccare la duttilità tipica della struttura del "laminato a caldo". Per questo motivo questo acciaio viene annoverato tra laminati a caldo. Acciai da stretching 21

22 Acciai laminati a caldo e a freddo 1. Carico di snervamento / incrudimento 2. Deformabilità 3. Rapporto ft/fy 4. Fattore di energia assorbita => duttilità 5. Calcolo di fy => retta 0.2% 22