Effetto degli elementi in lega

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1 Effetto degli elementi in lega Gli acciai non sono semplici leghe Fe-C ma contengono anche altri elementi: Elementi volutamente aggiunti durante il processo di fabbricazione per migliorare il processo produttivo (es. Mn e Si). Elementi sempre presenti come impurezze che non si riescono a eliminare completamente (S, P), inclusioni non metalliche, atomi di gas presenti come interstiziali (H, N). Elementi volutamente aggiunti per migliorare alcune specifiche proprietà degli acciai (Cr, Ni, Mo).

2 DESIGNAZIONE CONVENZIONALE DEGLI ACCIAI SECONDO UNI EU 27 La tabella UNI EU 27 [ex UNI 5372] suddivide gli acciai in due gruppi principali: - Gruppo I: acciai designati in base alle caratteristiche meccaniche, oppure in base al tipo di impiego; - Gruppo II: acciai designati in base alla composizione chimica. Esempio gruppo I: S235JR: acciaio per impieghi strutturali (S) con carico unitario di snervamento minimo prescritto di 235 MPa. JR è un indicazione supplementare e indica che l energia assorbita prima della rottura (test di resislienza) è 27 J a 20 C. B500: acciaio per cemento armato (B) con carico unitario di snervamento caratteristico di 500 MPa.

3 Designazione in base alla composizione chimica Fanno parte di questo gruppo: Acciai non legati al carbonio - Acciai non legati al carbonio - Acciai debolmente legati - Acciai legati - Cifra indicante il grado qualitativo dell acciaio (può mancare) - Simbolo C - Una lettera indicante l impiego specifico (può mancare) D = uso generale per vergella B = bulloneria G = per getti -Un numero pari a 100 volte il tenore di carbonio Esempio: C40: acciaio non legato, da trattamento termico, con tenore medio di Carbonio pari allo 0,40%.

4 Acciai debolmente legati Il tenore di ogni elemento è < 5% Per la designazione, si tiene conto, nell ordine, dei seguenti punti: - Un numero pari a 100 volte il tenore di carbonio - I simboli chimici degli elementi di lega, in ordine decrescente di tenore percentuale -Un numero, riferito al primo elemento di lega, indicante convenzionalmente (secondo i coefficienti della tabella di seguito) il suo tenore percentuale. Co Cr Mn Ni Si W 4 N P S 100 B 1000 Al Be Cu Mo Nb Pb 10 Ta Ti V Zr - Esempio: 40 Ni Cr Mo 7 UNI 5332: acciaio con lo 0,4 % di C e con 7/4 = 1,75 % di Ni e percentuali decrescenti rispettivamente di Cr e di Mo.

5 Acciai legati Il tenore di almeno un elemento è > 5% Per la designazione, si tiene conto, nell ordine, dei seguenti punti: - Lettera X che avverte che i tenori degli elementi di lega sono indicati direttamente (senza ulteriori calcoli) - Un numero pari a 100 volte il tenore di carbonio - I simboli chimici degli elementi di lega, in ordine decrescente di tenore percentuale -I numeri indicanti i tenori percentuali, riferiti nell ordine Esempio: X 82 W Mo 0605 UNI 2955 : acciaio con lo 0,82 % di C e con il 6 % di W e il 5% di Mo X10C13: acciaio inossidabile al Cr con tenori medi di C = 0,10% e Cr = 13%

6 Classificazione degli acciai Ai fini pratici è utile riferirsi alle applicazioni, per cui si considererà la seguente classificazione generale: Acciai da costruzione di uso generale (al carbonio, da bonifica,.. ) Acciai speciali da costruzione Acciai da utensili Acciai per usi particolari (impieghi ad alta e bassa temperatura) Acciai inossidabili

7 Acciai da costruzione di uso generale: Rappresentano la categoria più importante come tonnellaggio (80% produzione acciaio) in quanto elevate quantità di tali acciai vengono impiegate soprattutto nelle costruzioni civili. Devono avere un determinato valore dello sforzo di rottura (o dello sforzo di snervamento) o in alternativa altre caratteristiche come la saldabilità. Si possono dividere in: Acciai di base Acciai di qualità

8 Acciai da costruzione di uso generale: Rappresentano la categoria più importante come tonnellaggio (80% produzione acciaio) in quanto elevate quantità di tali acciai vengono impiegate soprattutto nelle costruzioni civili. Devono avere un determinato valore dello sforzo di rottura (o dello sforzo di snervamento) o in alternativa altre caratteristiche come la saldabilità. Si possono dividere in: Acciai di base Acciai di qualità

9 Acciai di base Prodotti con cicli tecnologici semplici senza aggiunta di microleganti Posti in opera allo stato grezzo di deformazione a caldo Applicazioni: tondino per cemento armato, lamiera per imbutitura e stampaggio Tondo per cemento armato 500C: S= acciai per impieghi strutturali, 500 MPa = σ s S

10 Acciai di qualità Acciai nei quali attraverso l aggiunta di microleganti (es: Al, Nb, N, V, Ti), in tenori spesso inferiori allo 0,01%, e opportune lavorazioni (laminazione controllata, tempra) si migliorano alcune caratteristiche: Sforzo di rottura o di snervamento Saldabilità e/o stampabilità tenacità In genere il miglioramento delle caratteristiche meccaniche avviene per affinamento dei grani cristallini.

11 Acciai CorTen (acciai di qualità) Sono acciai patinabili (o weathering steels), ovvero acciai con migliorata resistenza alla corrosione atmosferica grazie all aggiunta di tenori moderati di Cu, Cr, P e Ni Su tali acciai dopo diversi mesi di esposizione agli agenti atmosferici si forma uno strato superficiale di ossido aderente e di alto spessore (colorazione bruna)che rallenta la velocità di corrosione dell acciaio sottostante, senza la necessità di rivestimenti protettivi. Tale ossido non si forma nel terreno o in acqua o in ambienti fortemente inquinanti (Cl - e SO 2 ). L acronimo CorTen sottolinea la buona resistenza a corrosione, ma anche le ottime proprietà meccaniche (Ten=Tensile strength)

12 Acciai CorTen Utilizzati per elementi di arredo urbano (panchine o statue), cancellate, guardrail, ma anche per elementi strutturali. Panchina ricavata da un unico taglio al laser di lamiera d acciaio Corten, opportunamente sagomata, sabbiata e trattata con un particolare ciclo di ossidazione dotata di coppia di braccioli in fusione di alluminio lucidati e fissati tramite boccole tornite in acciaio con relative viti.

13 Acciai Cor-Ten (weathering steels)

14 Acciai Cor-Ten: strato di ossido protettivo 1. Lo strato di ossido formato inizialmente è simile a quello degli acciai tradizionali; 2. Nei successivi cicli alternati di umidificazione - asciugatura (nottegiorno) si formano ossidi addizionali e prodotti di corrosione solubili; 3. Continuando l esposizione all atmosfera lo strato di ossido ricristallizza e si consolida; 4. Da questo momento la velocità di corrosione diminuisce sensibilmente (circa 10 volte minore rispetto un acciaio al C); 5. Il tempo necessario a questa trasformazione dipende dall ambiente. Urbano: meno di 1 anno; industriale: 2-3 anni; rurale: 5 anni. 6. Solo con queste condizioni si forma l ossido protettivo (la mancanza del ciclo di asciugatura ne inibisce la formazione)

15 Acciai Cor-Ten influenza delle condizioni climatiche locali Grande influenza sulla crescita dell ossido e sulla velocità di corrosione atmosferica di: 1. temperatura, umidità, giorni di pioggia, distanza dal mare (cloruri), inquinamento (solfuri, cloruri, piogge/deposizioni acide, ecc.). 2. orientazione ed esposizione. 3. E importante studiare la geometria dei componenti, in modo da evitare il ristagno di acqua piovana e la presenza di cloruri.

16 Acciai speciali da costruzione Acciai al solo carbonio (es: C40) oppure legati con modeste percentuali di elementi in lega. Si utilizzano dopo tempra + rinvenimento che fa loro acquisire un buon compromesso di resistenza e tenacità. Il C aumenta la resistenza, l aggiunta di altri elementi in lega migliorano la temprabilità o la tenecità (es. Ni) o altro

17 Acciai inossidabili Sono delle leghe Fe-C-Cr e Fe-C-Cr-Ni-(Mo) resistenti in numerosi ambienti corrosivi, in un campo esteso di temperature. L elemento indispensabile perché un acciaio sia inossidabile è il Cr che deve essere presente con un tenore minimo del 12% (ottima passivabilità: formazione dell ossido Cr 2 O 3 film sottilissimo e invisibile che protegge il materiale dalla corrosione). Gli elementi di lega hanno una influenza sulla struttura di tipo: Alfageno (es: Cr, Mo) Gammageno (es: Ni, Mn)

18 Acciai inossidabili Diagramma di Schaeffler (valido per le leghe dopo solidificazione): permette di determinare la microstruttura dominante, nota la composizione chimica e la velocità di raffreddamento. %Creq= somma pesata elementi in lega che stabilizzano la fase α %Nieq= somma pesata degli elementi che stabilizzano la fase γ Scegliendo opportunamente la % degli elementi in lega si possono ottenere acciai inox ferritici, austenitici, martenisitici o duplex. Questi acciai vengono usualmente classificati in base alla microstruttura e, spesso, viene per essi utilizzata la designazione americana AISI. Serie 400: acciai inossidabili ferritici e martensitici Serie 200 e 300: acciai inossidabili austenitici

19 Acciai inossidabili In generale gli austenitici sono quelli che presentano la migliore resistenza a corrosione, seguiti dai ferritici e dai martensitici. Le migliori caratteristiche meccaniche le possiedono i martensitici, seguiti dai ferritici e dagli austenitici (tuttavia gli austenitici sono molto più deformabili e quindi possono essere notevolmente incruditi aumento resistenza fino a MPa. I più costosi sono gli austenitici per la presenza di elevati tenori di Ni, seguiti dai martensitici che, pur essendo meno legati dei ferritici hanno elevati costi di trattamento termico e più difficile lavorabilità.

20 Acciai inossidabili austenitici Serie 300 (60% della produzione) AISI 304 (X8 CrNi 18-8 o 18-10) rappresenta 1/3 della produzione di Inox; AISI 316 (Mo = 2-3 %): alta resistenza a corrosione localizzata (pitting) e ai cloruri, ambiente marino; AISI 304 L 316 L (low-carbon: miglior resistenza a corrosione e saldabilità) AISI 304 N 316 N (all azoto: più elevate caratteristiche meccaniche) Cappa in inox 304 Vaporiera Alessi in inox 18-10

21 Acciai inossidabili austenitici ferritici

22 Acciai inossidabili martensitici Coltello da macellaio in inox martensitico

23 Ghise Sono leghe Fe-C che contengono anche il Silicio. Il tenore di carbonio varia dal 2,06% al 4%, tenori più elevati renderebbero il materiale eccessivamente fragile. Principali caratteristiche Fondono con maggior facilità (costi minori) e possono essere colate anche in forme complesse. Hanno buona resistenza alla corrosione atmosferica. Costano relativamente poco. Svantaggi basse caratteristiche meccaniche e fragilità non sono in genere lavorabili per deformazione plastica né a freddo né a caldo Struttura Le ghise vengono classificate in funzione della struttura metallografica, cioè se il carbonio è presente come cementite o come particelle grafite e dalla morfologia e distribuzione di queste ultime.

24 Ghise: arredo urbano

25 Diagramma Fe-C: la regione delle ghise