CAPITOLO 6 GLI ACCIAI Sinossi N el Capitolo 4 è stato presentato il diagramma di fase del sistema Fe-Fe 3 C, rappresentativo degli acciai al carbonio (Fig.4.23 e 4.25); nello stesso capitolo sono stati descritti i principali trattamenti termici applicati a questo tipo di acciai. Gli acciai al carbonio, tuttavia, possiedono caratteristiche meccaniche, di lavorabilità, di resistenza a corrosione che ne limitano l'impiego in applicazioni, come quelle tipiche del settore aerospaziale, in cui sono richieste particolari prestazioni anche in termini di durata e affidabilità in condizioni operative molto variabili. In pratica, gli acciai al carbonio trovano applicazioni di interesse aerospaziale molto limitate. D'altra parte l'aggiunta di elementi di lega permette di modificare la struttura cristallina, la risposta ai diversi trattamenti termici, la resistenza a ossidazione, le prestazioni meccaniche, estendendo in modo molto significativo i campi di impiego. In questo capitolo vengono descritti gli effetti dei principali alliganti utilizzati negli acciai legati e vengono presi in esame gli acciai inossidabili e gli acciai speciali, alcuni dei quali, nonostante la densità piuttosto elevata, pari a circa 7,8 g/cm 3, sono di notevole interesse per la produzione di componenti altamente sollecitati in campo aeronautico e spaziale. 6.2 Acciai legati comuni acciai al carbonio possono raggiungere I caratteristiche di resistenza meccanica anche molto elevate, ma trovano molte limitazioni quando queste caratteristiche devono essere combinate con buona tenacità e duttilità a temperature anche basse, resistenza a corrosione e ossidazione, facile lavorabilità. L'aggiunta di specifici elementi di lega può modificare queste caratteristiche, anche se a spese di un aumento nel costo del materiale. Non esiste un'unica classificazione degli acciai al carbonio e degli acciai legati, ma vengono comunemente impiegate diverse classificazioni che possono fare riferimento alle caratteristiche meccaniche (ad esempio la resistenza) o al contenuto di elementi di lega o alla temprabilità, inossidabilità, ecc. Inoltre, soprattutto per gli acciai speciali di più recente sviluppo, vengono spesso seguite classificazioni e denominazioni stabilite dai produttori o da associazioni di produttori/utilizzatori. Nella classificazione UNI, italiana, gli acciai dolci, a basso tenore di carbonio, vengono classificati con la sigla Fe seguita da una sigla alfanumerica indicativa dell'applicazione e della resistenza dell'acciaio. Gli acciai da costruzione a maggiore tenore di C, destinati a trattamenti termici, vengono designati con la lettera C seguita da un numero indicativo del contenuto di carbonio. Per gli acciai legati, tra le classificazioni maggiormente usate a livello internazionale vi è quella definita dall'american Iron and Steel Institute (AISI). L'acciaio viene classificato con 4 o 5 cifre: le prime due sono indicative dei principali elementi o gruppo di elementi di lega, le ultime 2 o 3 cifre si riferiscono al contenuto di carbonio. La Tab.6.1 riporta la classificazione AISI dei principali tipi di acciai legati. La classificazione del British Standard Institute (BSI) è per certi aspetti simile a quella dell'aisi: l'acciaio è classificato con 6 caratteri alfanumerici: le prime tre cifre indicano la 1
famiglia a cui l'acciaio appartiene (ad esempio, 000-199 per gli acciai al carbonio; 300-499 per gli acciai inossidabili e resistenti ad alta temperatura); il quarto carattere indica la caratteristica di controllo richiesta (A-composizione chimica, M-resistenza meccanica, H-temprabilità, S-inossidabilità); le ultime due cifre sono indicative del contenuto di carbonio. La Tab.6.2 riporta le composizioni e le classificazioni secondo AISI e BSI di alcuni acciai al carbonio e legati. Tabella 6.1: Classificazione AISI, caratteristiche, applicazioni di alcuni acciai legati Tabella 6.2: Classificazione AISI BS e relativa composizione di alcuni acciai al carbonio e legati 6.3 Effetto degli elementi di lega L'aggiunta degli alliganti ha lo scopo di migliorare diverse proprietà degli acciai, come ad esempio la durezza e la resistenza meccanica, la temprabilità, la resistenza al rinvenimento ad alta temperatura, la tenacità a basse temperature, la resistenza ad ossidazione e corrosione. Il miglioramento di alcune di queste caratteristiche può, tuttavia, determinare il peggioramento di altre; è necessario quindi un accurato dosaggio delle quantità introdotte. Dal punto di vista 2
della modifica delle caratteristiche meccaniche, l'azione degli elementi di lega è costituita essenzialmente da: - aumento della resistenza per soluzione solida sostituzionale a seguito di dissoluzione nella fase ferritica o austenitica. La distorsione del reticolo interferisce con il movimento delle dislocazioni aumentandone la resistenza a scorrimento. - combinazione col carbonio presente e formazione di carburi che possono essere in miscela con la cementite (carburo di Fe), oppure semplici, dispersi nel materiale. La formazione di carburi può essere controllata, per prevenirla ovvero per attivarla, durante i trattamenti termici. per questo è importante valutare la risposta a solubilizzazione ad alta temperatura e a precipitazione a seguito di raffreddamento. - spostamento delle curve di TTT (di Bain) e CCT con conseguente aumento della temprabilità e possibilità di ottenere struttura martensitica anche a seguito di raffreddamento lento. L'aumento della temprabilità comporta una maggiore profondità di tempra con possibilità di ottenere elevate resistenza e uniformità di caratteristiche anche su componenti di grande spessore. E' necessario considerare che l'aggiunta di alliganti può variare le temperature delle trasformazioni di equilibrio oltre che di inizio e fine formazione della martensite (M s e M f ). Questo significa che le temperature caratteristiche dei trattamenti termici devono variare di conseguenza. La Fig.6.1 e la Fig.6.2 mostrano ad esempio l'effetto di alcuni alliganti sulla temperatura di formazione dell'eutettoide Fe-Fe 3 C. Figura 6.1: Spostamento dell'eutettoide a seguito di aggiunta di Mn Due metalli tendono a formare soluzioni solide in un ampio range di composizione quando i reticoli cristallini sono simili. Così, salvo alcune eccezioni, elementi con struttura CCC, come il Cr o il Mo, si solubilizzano prevalentemente nella fase ferritica, stabilizzandola (elementi α-stabilizzanti), mentre elementi con struttura CFC, come Ni o Mn, si solubilizzano prevalentemente nella fase austenitica (elementi γ-stabilizzanti). La stabilizzazione della fase α determina una riduzione del campo di esistenza della fase γ, che, per certe composizioni, può anche scomparire. Figura 6.2: Temperatura dell'eutettoide in funzione del contenuto di alliganti La Fig.6.3 riporta il diagramma di fase Fe-Cr che mostra come a contenuti superiori a 14% Cr non sia possibile la fase austenitica; la contemporanea presenza di C sposta tale limite a valori superiori. Una conseguenza di questo comportamento, ad esempio, è che ad alti tenori di Cr non sono possibili trattamenti di tempra in quanto non esiste trasformazione austenite ---> ferrite o martensite. Viceversa, elementi che stabilizzano la fase γ, allargano il campo di esistenza dell'austenite, abbassando la temperatura di trasformazione γ ---> α; in alcuni casi, come con Ni o Mn, ad alti tenori di alligante è possibile ottenere austenite stabile o metastabile a temperatura ambiente o anche molto inferiore. L'aggiunta di questi elementi consente quindi di ottenere acciai austenitici, dotati di buona deformabilità, tenacità, risposta a incrudimento, anche a basse temperature. Anche in questo caso un trattamento di tempra martensitica non è possibile in quanto l'acciaio mantiene la sua struttura austenitica in tutto il campo di temperatura. Gli alliganti più comunemente usati sono Cr, Ni, Si, Mn e, inoltre, Al, Mn, Ti, V, W. Di seguito vengono indicati gli effetti dei principali elementi impiegati. Il cromo aumenta la temprabilità, consentendo mezzi di tempra più blandi all'aumentare del suo tenore, ma soprattutto migliora la resistenza a corrosione. Leghe metalliche con elevate caratteristiche di resistenza a ossidazione e corrosione a caldo, non solo acciai, contengono generalmente alti tenori di Cr. Gli acciai inossidabili hanno contenuti di cromo superiori al 12%. Il cromo, in presenza di carbonio forma facilmente carburi difficilmente solubili e che precipitano lentamente, prevalentemente ai bordi di grano, limitandone l'ingrossamento. I carburi aumentano la durezza, resistenza meccanica, la resistenza a creep ad alta temperatura. Ad alti tenori di C, l'aggiunta di Cr insieme ad altri elementi in grado di formare carburi, ad esempio vanadio, molibdeno, tungsteno, consente 3
un forte incremento della durezza, anche a seguito di trattamenti termici di tempra e rinvenimento, mantenendo discreta tenacità. Inoltre il cromo riduce sensibilmente la conducibilità termica dell'acciaio. Come conseguenza, i trattamenti termici richiedono in generale temperature e tempi di mantenimento superiori. Particolare cura nei trattamenti termici è necessaria anche per evitare il fenomeno dell'infragilimento da rinvenimento: il mantenimento o raffreddamento lento in un intervallo di temperatura intorno a 550 C determina un marcato infragilimento del materiale a seguito di formazione di precipitati continui ai bordi di grano. Figura 6.3: Diagramma di fase Fe -Cr Fig. 6.4 Effetto dell'infragilimento da rinvenimento in un acciaio al Cr-Mn Il problema viene evitato raffreddando velocemente dopo rinvenimento a 600 C oppure con l'aggiunta di Mo e V. La Fig.6.4 confronta l'effetto di rinvenimento a 525 C (fragilizzato) e a 600 C seguito da raffreddamento veloce in acqua (non fragilizzato): si nota la variazione della temperatura di transizione fragile-duttile. La transizione fragile-duttile definisce il passaggio da un materiale tenace, deformabile ad un comportamento marcatamente fragile al diminuire della temperatura in un intervallo ristretto. Questa caratteristica, tipica dei materiali con struttura cristallina CCC (ad esempio gli acciai non austenitici), diventa particolarmente critica quando la temperatura di transizione ricade nel campo delle condizioni operative, in quanto può determinare un brusco cambiamento nel comportamento meccanico del materiale. In generale, metalli con struttura cristallina CFC non presentano transizione fragileduttile o questa avviene a temperature molto basse; questi materiali mantengono cioè caratteristiche di tenacità e deformabilità anche a temperature ridotte. 4
In funzione della composizione e dei trattamenti termici è possibile ottenere acciai al Cr perlitici, ferritici, martensitici. Acciai al cromo trovano applicazioni soprattutto ove è richiesta una elevata durezza e stabilità anche a temperature elevate. La Tab.6.3 riporta le composizioni di alcune classi di acciai al cromo. Tabella 6.3: Composizione di diverse classi di acciai Il Cr è spesso associato a Ni sia ad alti (inox austenitici) che a bassi tenori; la presenza di Ni determina un miglioramento della temprabilità e della tenacità, oltre che della resistenza a ossidazione. Il nickel è un elemento austenitizzante, stabilizza cioè la fase γ. Al crescere del tenore di Ni e in presenza di C, anch'esso austenitizzante, sono possibili acciai ferritici, bifasici ferritici-austenitici, o completamente austenitici a temperatura ambiente, già al di sopra del 8% Ni; contenuti superiori stabilizzano ulteriormente l'austenite. La Fig.6.5 mostra il diagramma di fase Fe- Ni da cui si osserva che all'aumentare del contenuto di Ni la temperatura di trasformazione dell'austenite si riduce. Nella realtà, a causa della lenta cinetica della trasformazione è possibile ottenere struttura austenica praticamente stabile già a contenuti molto inferiori a quanto previsto dal diagramma di equilibrio. Figura 6.5: Diagramma di fase Fe-Ni Gli effetti del Ni sono riassunti di seguito: - riduce la temperatura dei trattamenti termici (ricottura e tempra) a seguito delle temperature delle trasformazioni (temperature A c1 e A c3 ). - migliora moderatamente la temprabilità e la penetrazione di tempra - aumenta la tenacità a parità di resistenza, in generale per tutte le strutture di ricottura e rinvenimento della martensite - mantiene elevati valori di deformabilità sia a caldo che a freddo, diminuendo la temperatura di transizione fragile-duttile o eliminandola del tutto - affina il grano conferendo resistenza meccanica e all'usura 5
- migliora la resistenza a ossidazione a seguito dell'effetto di passivazione derivante dalla formazione di ossidi di Ni stabili. Acciai al Ni si prestano ad applicazioni a temperature anche molto basse quali tubazioni e serbatoi a contatto con gas liquefatti a temperature criogeniche grazie alle caratteristiche di saldabilità e tenacità a bassa temperatura. La cella cristallina CFC di leghe Fe-Ni raggiunge le massime dimensioni a circa 40% Ni, a cui corrisponde un valore del coefficiente di espansione termica quasi nullo. Leghe Fe-Ni (INVAR, NILO) a diversa composizione posseggono coefficiente di dilatazione variabile tra 0 e 12*10-6 -13*10-6, corrispondenti ai coefficienti di Fe e Ni. Il manganese è un forte austenitizzante e viene comunemente aggiunto agli acciai come desolforante per prevenire la fragilità da zolfo. Ha effetti simili al Ni (a costo inferiore), ma non migliora la resistenza a ossidazione a caldo. Acciai al Mn presentano ottima resistenza, tenacità, risposta a incrudimento; trovano larga applicazione in utensileria e per componenti resistenti a urti e usura. Il silicio è marcatamente α-stabilizzante e favorisce la formazione di carbonio grafitico; per questo è generalmente accompagnato da elementi stabilizzatori di carburi come Cr e/o Mn. Oltre ad aumentare la temperatura di riscaldamento prima della tempra, il Si aumenta considerevolmente la resistenza a rinvenimento della martensite (a scapito della duttilità, tenacità, saldabilità), incrementando il carico di snervamento anche a temperature elevate. L'impiego tipico di acciai contenenti Si, Cr ed altri elementi è nella produzione di leghe ad elevato limite di snervamento per molle operanti anche a temperature superiori a 600-700 C, ad esempio in campo motoristico. L'alluminio forma composti intermetallici col Fe e con altri alliganti consentendo indurimento per precipitazione. Migliora fortemente la resistenza a ossidazione. Trattamenti di diffusione superficiale di Al (calorizzazione) consentono il miglioramento della resistenza a ossidazione a caldo. Acciai refrattari, resistenti a ossidazione fino a 1000 C contengono elevati tenori di Al e Cr. Molibdeno, vanadio e tungsteno formano carburi limitando l'accrescimento dei grani. Conferiscono migliore resistenza a caldo e a creep. 6.4 Acciai speciali Esistono molte diverse categorie di acciai speciali che trovano specifiche applicazioni nelle costruzioni meccaniche ed aeronautiche; tra queste particolare importanza rivestono gli acciai maraging, gli acciai per utensili, gli acciai basso legati ad alta resistenza (HSLA - high strength low alloy) e microlegati, gli acciai bifasici (dual phase). Gli acciai maraging sono stati sviluppati dopo gli anni '50 per rispondere alle esigenze dell'industria aerospaziale. La loro particolarità è di possedere resistenza meccanica molto elevata, accoppiata a buona resistenza a frattura. Sono costituiti da leghe ferrose con elevata quantità di alliganti, fino a quasi 40%, soprattutto Ni (17-25% Ni), ma con un tenore di carbonio molto basso (< 0,03%). La Tab.6.4 riporta la composizione di alcuni acciai maraging. La produzione degli acciai maraging è fondata sulla formazione di una fase martensitica che viene successivamente sottoposta a trattamento di invecchiamento (martensite-aging). Come già citato in precedenza, a presenza di Ni stabilizza la fase austenitica, abbassando la temperatura di trasformazione austenite ---> ferrite; tuttavia questa trasformazione è caratterizzata da una forte isteresi, per cui la conversione di nuovo in austenite, a seguito di riscaldamento, può avvenire solo a temperature sensibilmente superiori. Tabella 6.4: Composizione di alcuni acciai maraging La Fig.6.6 mostra il diagramma Fe-Ni con l'isteresi della trasformazione. Nella pratica, il raffreddamento anche in aria dell'austenite porta alla formazione di martensite (anzichè ferrite): a causa del basso contenuto di carbonio e della scarsa deformazione del reticolo cubico corpo centrato, questa martensite ha durezza molto inferiore a quella dei normali acciai temprati ed è deformabile, così da consentire deformazione plastica a freddo e lavorazione alle macchine utensili. Inoltre possiede alta tenacità e, grazie all'isteresi della trasformazione, si mantiene stabile fino a temperatura di circa 500 C. La particolarità di questi acciai consiste nella possibilità di effettuare trattamento termico di invecchiamento, senza sostanziale infragilimento della lega. Per potere effettuare l'invecchiamento è necessaria la presenza di elementi come Co e Mo in quantità consistenti (12-18%), oltre che Ti e Al in quantità minori (solitamente < 1,5%), in grado di formare precipitati coerenti finemente dispersi. Il 6
trattamento termico tipico dei maraging consiste in un primo riscaldamento di austenitizzazione e solubilizzazione dei composti intermetallici presenti a temperatura superiore a 800 C per tempi variabili tra alcune decine di minuti ad alcune ore, in funzione delle dimensioni del pezzo. Figura 6.7: Curva di indurimento per invecchiamento di un acciao maraging 18 Ni 250 dopo solubilizzazione a 820 C seguita da raffreddamento in aria. La Fig.6.7 mostra la curva di indurimento a seguito di invecchiamento di un acciao maraging. La Fig.6.8 mostra a titolo di esempio le curve sforzodeformazione di due acciai maraging. Figura 6.6: Diagramma di fase Fe-Ni. Viene evidenziata l'isteresi della trasformazione Dopo raffreddamento in aria, con formazione di martensite, il materiale può essere sottoposto a lavorazione a freddo e incrudimento (marforming). Un successivo riscaldamento per alcune ore a temperature intorno a 470-500 C, al di sotto della temperatura di formazione dell'austenite, determina un forte aumento della resistenza per precipitazione senza corrispondente infragilimento. Il riscaldamento per tempi/temperature superiori provoca il sovrainvecchiamento del materiale, peraltro, con limitata riduzione delle caratteristiche di resistenza. Figura 6.8: Curve sforzo-deformazione di due acciai maraging Proprietà 18 Ni 200 18 Ni 250 18 Ni 300 Durezza Rockwell (HRC) 27 44-48 29 48-50 32 51-55 Resistenza a trazione (MPa) 1000 1360-1600 1000 1700-1900 1000 1850-2100 Carico di snervamento (MPa) 840 1300-1500 820 1650-1800 810 1800-2100 Allungamento a rottura (%) 17 6-12 19 6-10 17 5-10 Tabella 6.5: Effetto dell'invecchiamento sulle caratteristiche meccaniche di alcuni acciai maraging. La prima riga si riferisca allo stato ricotto, la seconda riga allo stato invecchiato. Questi acciai, nello stato invecchiato, posseggono resistenza ultima e a snervamento tipicamente di 1600-2500 MPa (Tab.6.5). Ulteriori utili caratteristiche dei maraging sono quella di non presentare transizione fragile-duttile a bassa temperatura e di potere essere saldate, ripetendo il trattamento di invecchiamento dopo saldatura. Acciai maraging contenenti anche Cr sono inossidabili. Acciai non inossidabili possono essere trattati superficialmente (ad esempio mediante cadmiatura) per migliorarne la resistenza a ossidazione. Nel settore aerospaziale, trovano importante applicazione per la costruzione di componenti 7
criticamente sollecitati, come parti del carrello di atterraggio, elementi del motore, valvole, alberi e ingranaggi, componenti di armi, involucri (case) di razzi, grazie anche alla possibilità di ottenere strutture saldate, anziché rivettate. Nonostante il costo, l'uso dei maraging si è esteso anche ad altri settori industriali come quelli delle lavorazioni meccaniche (utensili, stampi. ecc.) e dalla produzione di energia. Gli acciai per utensili sono costituiti da acciai di elevata durezza, resistenza meccanica e stabilità termica che trovano impieghi soprattutto per la costruzione di utensili per la lavorazione dei metalli (elementi di taglio, stampi, filiere, ecc.). In generale contengono elevato tenore di C (fino oltre 1,5%) e di alliganti (fino oltre 25 %) in grado di formare carburi come Cr, W, V, Mo. L'alto contenuto di alliganti e di carburi stabili consente di avere ottima temprabilità, così da mantenere alta durezza e resistenza anche a bassa velocità di raffreddamento dopo i trattamenti, e di ottenere martensite stabile anche a temperature elevate. La formazione di carburi a temperature intorno a 500 C determina negli acciai altamente legati la presenza di ulteriore indurimento (durezza secondaria) che ne incrementa la resistenza e la fragilità. (La Tab.6.6 riporta le composizioni e le caratteristiche principali di alcuni acciai per utensili. Tabella 6.6: Composizioni e caratteristiche principali di alcuni acciai per utensili Negli acciai HSLA e microlegati caratteristiche di resistenza desiderate (fino a circa 550 MPa) sono ottenute con un basso contenuto di C ma con la presenza di piccole quantità di alliganti in grado di formare precipitati (carburi e nitruri di Nb, V, Ti, Zr) e con accurato controllo della microstruttura (dispersione dei precipitati, dimensione dei garni, ecc.) della lega. Il basso contenuto di alliganti conferisce una buona saldabilità. Gli acciai bifasici (dual phase) hanno un contenuto di C relativamente basso e contengono una fase martensitica uniformemente dispersa all'interno della fase ferritica. Tale struttura viene ottenuta a seguito di riscaldamento nel campo bifasico ferrite+austenite del diagramma di fase Fe-Fe 3 C (Fig.4.25) seguita da tempra: la fase austenitica, più ricca di C, si trasforma in martensite, dura, all'interno di matrice ferritica, più deformabile. Si ottengono acciai con resistenza fino a 1000 MPa. 6.5 Acciai inossidabili Gli acciai inossidabili vengono selezionati per la loro eccellente resistenza a corrosione. Tutti gli acciai inossidabili contengono almeno il 12 % Cr che, a seguito della formazione di uno strato superficiale di ossido passivante, consente la protezione dell'acciaio. Il cromo è quindi l'alligante che caratterizza gli acciai inossidabili. In funzione del contenuto di Cr e di altri alliganti, ad esempio C, Ni, Mn, gli acciai inossidabili possono presentare struttura ferritica, martensitica, austenitica o mista. Gli acciai inossidabili vengono classificati secondo AISI mediante un codice di tre cifre: la prima cifra è 4 per gli inossidabili ferritici e martensitici (esenti da Ni) e 3 per gli inossidabili austenitici, contenenti anche Ni, (1 o 2 quando è presente anche Mn); le ultime due cifre non sono riferite alla composizione. Il codice numerico può, eventualmente, essere seguito da una lettera indicativa di variazioni rispetto alla lega base (ad esempio L, indica basso tenore di C, inferiore a 0,03% per ridurre la possibilità di sensibilizzazione). Anche per gli inossidabili sono di uso comune indicazioni e sigle non o parzialmente corrispondenti a classificazioni ufficiali; ad esempio, le sigle 18/8 o 18/10 impiegate per acciai inossidabili di largo impiego fanno riferimento al contenuto di Cr (18%) e di Ni (8-10%). Gli inossidabili ferritici sono costituiti essenzialmente da leghe Fe-Cr con contenuto di Cr superiore a 11%, fino a 30%, e contenuto di carbonio normalmente molto basso, inferiore a 0,12%; possono essere presenti altri alliganti come Mo e Nb in piccole quantità. A causa della struttura CCC hanno buona resistenza ma limitata duttulità. Il rafforzamento deriva da soluzione solida e da incrudimento per deformazione a freddo. Presentano transizione fragile-duttile. La formazione di carburi, a maggiore contenuto di C, aumenta la durezza ma infragilisce il materiale. Posseggono ottima resistenza a corrosione e ossidazione a caldo, tanto maggiore quanto maggiore è il contenuto di Cr; 8
trovano utilizzo a temperature anche superiori a 1000 C. Sono relativamente poco costosi e i principali campi di impiego sono nell'industria automobilistica e motoristica, chimica, della lavorazione dei materiali (forni, stampi, ecc.). Gli acciai inossidabili martensitici hanno contenuto di Cr relativamente basso, tra 11% e 18%, e contenuto di C relativamente alto, anche fino a 1,2%. La Fig.6.9 mostra una porzione del diagramma di fase Fe-Cr a diversi contenuti di C. La Fig.6.10 riporta la tenacità delle diverse classi di acciai inossidabili in funzione della temperatura. Non vengono normalmente impiegati sotto sollecitazione ad alta temperatura poiché si annullerebbero gli effetti della bonifica. Data la minore quantità di Cr e la mancanza o bassa quantità di Ni, presentano resistenza a corrosione inferiore rispetto ai ferritici e agli austenitici. Gli acciai inossidabili austenitici sono gli inossidabili di più largo impiego, anche in campo aerospaziale. Sono caratterizzati dalla presenza di Ni, elemento austenitizzante, in quantità consistenti, superiori a 7% e fino a 35%. La struttura austenitica conferisce in generale elevata duttilità e tenacità con temperatura di transizione fragile-duttile molto bassa o assente. Figura 6.9: Diagramma di fase Fe-Cr. Campo di esistenza dell'austenite Si osserva che il campo di esistenza dell'austenite, ridotto per la presenza di Cr, dipende anche dal contenuto di C. Per contenuti di C sufficienti è possibile ottenere una fase austenitica stabile anche ad alti tenori di Cr; per queste composizioni è quindi possibile un trattamento di riscaldamento in fase γ seguito da tempra martensitica ed eventuale distensione o rinvenimento. La struttura risultante dalla tempra è costituita da martensite o martensite+carburi di cromo per tenori di C più elevati. Si osserva anche che il riscaldamento in campo austenitico richiede temperature superiori a 1000 C. La presenza di Cr conferisce facile temprabilità anche in grossi spessori. A causa della forte riduzione di conducibilità termica i trattamenti termici possono richiedere preriscaldamento dei pezzi per ridurre le tensioni residue; con 18% di Cr la conducibilità termica è di 20-25 W/(m C), meno della metà rispetto ad un acciaio al carbonio. In generale gli inossidabili martensitici posseggono una buona combinazione di resistenza, tenacità, resistenza a corrosione. Presentano transizione fragile duttile, anche se a temperature inferiori ai ferritici. Figura 6.10: Dipendenza della tenacità dalla temperatura in diverse classi di acciai inossidabili Gli acciai austenitici presentano curva sforzodeformazione con un limite di proporzionalità piuttosto basso (σ y /σ r = 0,4-0,5) e senza snervamento netto. Peraltro la possibilità di applicare ampie deformazioni a freddo consente di incrudire il materiale con consistente incremento del limite di snervamento e del limite di fatica. La Fig.6.11 mostra l'effetto dell'incrudimento a seguito di deformazione plastica sulla resistenza, sul carico di snervamento e sulla deformabilità di un acciaio AISI 304. Figura 6.11: Caratteristiche meccaniche in funzione dell'incrudimento di un acciaio inossidabile austenitico AISI 304 9
A seguito della mancanza di transizione α <---> γ, della resistenza a ossidazione e corrosione, del mantenimento di buone caratteristiche meccaniche ad alta temperatura, gli acciai austenitici sono comunemente impiegati anche a temperature elevate. Per acciai ad alto contenuto di Cr, in impieghi ad alta temperatura, va considerata la possibilità di infragilimento a seguito della possibilità di formazione di carburi e di composti intermetallici, la cui velocità di precipitazione, normalmente trascurabile, diventa apprezzabile a temperature superiori a 600 C. Un ulteriore effetto negativo che può avvenire a seguito dell'esposizione ad alte temperature di acciai inossidabili, soprattutto austenitici e ferritici, è la sensibilizzazione. Se il contenuto di C è superiore a 0,03%, a temperature elevate (400-750 C) può avvenire la precipitazione di carburi di cromo ai bordi di grano. La concentrazione di Cr diventa non omogenea, con un impoverimento del Cr disciolto in prossimità dei bordi di grano. La Fig.6.12 schematizza la distribuzione di composizione in Cr in vicinanza di un bordo di grano. Fig. 6.12 Sensibilizzazione degli acciai inossidabili. Precipitazione di carburi di Cr ai bordi di grano La concentrazione di Cr può scendere localmente ad un valore inferiore a 11-12%, contenuto minimo che garantisce una passivazione efficace e la resistenza ad ossidazione/corrosione. Particolarmente in ambienti aggressivi, ad esempio in presenza di cloruri e a contatto con acqua salata, è possibile l'attivazione di corrosione intergranulare che propaga in corrispondenza dei bordi di grano. Il fenomeno della sensibilizzazione avviene in genere a seguito riscaldamento durante lavorazioni successive alla produzione, come saldatura, taglio, deformazione a caldo, trattamenti termici. La formazione di carburi richiede diffusione del Cr (e di C e altri elementi) verso i bordi di grano: per tempi ridotti di esposizione ad alta temperatura la precipitazione dei carburi non avviene. A seguito di riscaldamento a temperatura e per tempi sufficientemente alti, la diffusione permette di omogeneizzare la composizione, in particolare il tenore di Cr. Per evitare la sensibilizzazione, quindi, sono possibili diverse soluzioni: - riduzione del contenuto di C al di sotto del 0,03%; sono possibili brevi riscaldamenti, ad esempio a seguito di saldatura o stampaggio a caldo. - aggiunta di elementi, come Ti, Nb, Ta, che formano carburi distribuiti con maggiore omogeneità e riducono il carbonio disponibile per la formazione di carburi di Cr. - applicazione di un trattamento termico di solubilizzazione per omogeneizzare il contenuto di Cr. Gli acciai inossidabili austenitici possono essere sottoposti a diversi trattamenti termici. - La solubilizzazione, o tempra austenitica, consiste nel riscaldamento a temperature superiori a 1000 C, per annullare eventuali alterazioni strutturali e solubilizzare fasi precipitate, in particolare carburi, seguito da raffreddamento veloce in acqua (spegnimento) per mantenere la struttura austenitica e prevenire la formazione di carburi. - La stabilizzazione, meno diffuso, consiste nel riscaldamento a 890 C per tempi superiori a 2ore, seguito da raffreddamento in aria, per stabilizzare i carburi di Ti e Nb, migliorando il comportamento a corrosione. - La distensione, impiegata anche per altri acciai e metalli in genere, consiste nel riscaldamento a temperatura media, inferiore a 430-450 C per evitare l'inizio della sensibilizzazione, seguito da raffreddamento in aria. l'effetto è la riduzione delle tensioni interne e il miglioramento del comportamento a stress corrosion. Molti acciai inossidabili, ed in particolare molti austenitici, pur avendo ottime caratteristiche di stabilità termica e resistenza ad ossidazione, non raggiungono proprietà di resistenza, snervamento, bassa deformabilità a creep sufficientemente elevate per 10
alcune applicazioni, specie in campo aerospaziale. Il basso contenuto di C e l'aggiunta di elementi di lega, oltre a Cr e Ni, in piccole quantità in grado di formare composti intermetallici tra loro o insieme agli elementi già presenti (ad esempio Ni), permette di aumentere la resistenza del materiale a seguito di trattamento di invecchiamento. Gli acciai inosidabili da precipitazione (PH - precipitation hardening), che possono avere struttura martensitica, semi austenica (austenite + martensite) o austenitica contengono elementi come Al, Ti, Mo, Nb, Ta, Cu, N, che possono formare precipitati coerenti a seguito di trattamento termico. Il trattamento termico consiste in un riscaldamento di solubilizzazione a temperatura di 750-1100 C, in funzione della composizione e del tempo di trattamento, seguito da raffreddamento, in olio o in aria, fino a bassa temperatura. In queste condizioni il materiale è facilmente deformabile e lavorabile per deformazione a freddo o a caldo. Il successivo riscaldamento a 480-600 C per alcune ore consente di raggiungere lo stato invecchiato con resistenze fino a oltre 1500 MPa con buona tenacità. Figura 6.13: Acciai da precipitazione: schema di trattamento termico Tabella 6.7: Composizione e caratteristiche di alcuni acciai inossidabili e da precipitazione La Fig.6.13 mostra la schema di trattamento termico applicato agli acciai PH. In generale presentano buona resistenza a sovrainvecchiamento fino a temperatura intorno a 480-500 C, che rappresenta quindi un limite per il loro impiego. I processi di saldatura devono 11
essere seguiti da trattamento termico per ottenere prestazioni simili al materiale originario. Il maggiore impiego degli acciai da precipitazione è nel settore aerospaziale, per la produzione di elementi strutturali, componenti del motore operanti a temperature medie, sistemi a contatto con liquidi aggressivi (lubrificanti, liquidi idraulici, ecc.), bordi di attacco di pale (ad esempio in elicotteri). Gli acciai duplex sono acciai inossidabili bifasici contenenti una uguale quantità di ferrite ed austenite, ottenute con un accurato controllo della composizione e del trattamento termico. Questo consente una combinazione di proprietà in termini di resistenza meccanica, resistenza a corrosione, formabilità, saldabilità non ottenibili negli altri acciai inossidabili comuni. La Tab.6.7 riporta le composizioni e le caratteristiche di diversi acciai inossidabili. Bibliografia ASM Metals Handbook, 2 nd ed., vol. 1, 1998 Askeland, D.: "The Science and Engineering of Materials", 3 rd SI ed. Chapman and Hall, London, 1996 Smith, W. F.: "Scienza e Tecnologia dei Materiali", 3 a ed. McGraw-Hill, Milano, 2008 Nicodemi, R, Zoia, J. Metallurgia Applicata, Tamburini ed., 1975 12