Temec Acciaio lezione 2 Lezione: L acciaio da costruzione il materiale i prodotti le proprietà Firenze 24.11.2015 Prof. Maria Chiara Torricelli Università di Firenze
Struttura dei metalli Gli atomi nei metalli sono strettamente impacchettati in una struttura cristallina. Gli elettroni di valenza legati debolmente sono attratti verso il nucleo di altri atomi. Gli elettroni si disperdono tra gli atomi formando una nube elettronica. Questi elettroni liberi sono la ragione della conducibilità elettrica e della duttilità. Struttura cristallina cubica a corpo centrato del ferro 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 2
Soluzioni Solide Metalliche Le leghe sono utilizzate nella maggior parte delle applicazioni industriali La lega è una miscela di due o più elementi metalli e non metalli Esempio: Ottone Cartridge è una lega binaria 70% Cu e 30% Zinco Iconel è una superlega a base di nichel con circa 10 elementi di lega La soluzione solida è un tipo semplice di lega nella quale gli elementi sono dispersi in una singola fase o struttura 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 3
Soluzione solida sostituzionale Atomi di solvente Atomi di soluto 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 4
Soluzione solida interstiziale Gli atomi di soluto si inseriscono tra i vuoti (interstizi) degli atomi di solvente Atomi di ferro, r = 0.129nm Atomi di carbonio, r = 0.075nm Un massimo di 2.8% di carbonio può dissolversi negli interstizi del ferro 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 5
Diagramma di stato dell acciaio e della ghisa 1 - acciai da costruzione 2 - acciai 3 - ghisa 1 0,80 2,06 % in peso di carbonio 2 3 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 6
L acciaio è una lega ferro carbonio Il carbonio si presenta sotto forma di cementite o carburo di ferro. Le particelle di cementite presenti nella microstruttura dell'acciaio, in determinate condizioni, bloccano gli scorrimenti delle dislocazioni, conferendo all'acciaio caratteristiche meccaniche migliori di quelle del ferro puro. 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 7
Produzione integrata: 1-Produzione della Ghisa L'altoforno è essenzialmente un impianto chimico in cui avvengono determinate reazioni - riduzione del minerale di ferro carburazione del ferro riduzione di altri ossidi - desolforazione della ghisa. Minerale e Calcare Coke Torre recupero fumi Flusso aria calda recuperata dal forno Altoforno 200 C 1650 C Crogiolocolata 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli della ghisa 8
2-Produzione dell Acciaio con convertitore a ossigeno La ghisa grezza e il 30% di rottame di acciaio vengono caricati in un convertitore nel quale è inserita una lancia per ossigeno L ossigeno reagisce con il bagno liquido per formare monossido di carbonio Vengono aggiunte addensanti di scorie Il contenuto di carbonio e di altre impurità viene abbassato L acciaio fuso viene colato continuamente e formato in differenti forme 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 9 Prof. Leonetti TEMEC 2011 da Scienza e tecnologia dei materiali 3ed W. Smith, J. Hashemi
Convertitore a ossigeno per produzione di acciaio da ghisa La stragrande maggioranza dell'acciaio fabbricato sul pianeta è prodotto usando la fornace basica all'ossigeno; nel 2000, è stimata al 60% dell'output globale d'acciaio. Il principale scopo del convertitore a ossigeno ( Basic Oxygen Steelmaking) è convertire la ghisa prodotta nell'altoforno in acciaio liquido grezzo, che può essere raffinato successivamente nel reparto secondario di produzione dell acciaio. Le funzioni principali del convertitore a ossigeno (BOS) sono decarburare e togliere il fosforo dalla ghisa e ottimizzare la temperatura dell acciaio così che possono essere attuati ulteriori trattamenti prima della colata con riscaldamento e raffreddamento minimo dell acciaio. 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 10
1-2 - Produzione dell acciaio da rottami con forno elettrico ad arco Forno ad arco elettrico per rottami acciaio Nel Forno Elettrico ad Arco (EAF) i rottami di acciaio riciclato vengono fusi e convertiti in acciaio di ottima qualità usando archi elettrici di elevata potenza. Il compito principale della maggior parte dei EAF é convertire i materiali grezzi solidi in acciaio grezzo liquido il più velocemente possibile e poi raffinarlo ulteriormente in successivi processi secondari di produzione dell acciaio. Il forno EAF è costituito da un cilindro metallico rivestito internamente di refrattario. La volta di copertura rimovibile per consentire l'immissione dei rottami. Nella volta sono inseriti tre elettrodi di grafite che hanno lo scopo di far scoccare archi voltaici con la carica metallica per portarla fusione. 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 11
Produzione integrata (ghisa rottami) e produzione da prodotti riciclati confronto consumi energetici 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 12
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Le principali cause di inquinamento atmosferico prodotto da una azienda siderurgica sono: - le polveri - i prodotti della combustione - i vapori acidi I principli gas emessi sono monossido di carbonio CO e anidride solforosa SO monossido e diossido di azoto NO. Le polveri contengono inquinanti metallici: cromo, nichel piombo, zinco. L industria siderurgica richiede grandi quantità di acqua e le acque reflue sono inquinate da solidi sospesi, solfato ferroso e ferrico, oli. 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 14
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Contenuto di carbonio nell acciaio Reticolo cristallino del Fe e molecole di Carbonio nel reticolo Al variare del contenuto di carbonio, nell'acciaio si modificano alcuni parametri fisico - meccanici importanti. minore è il tasso di carbonio minore è la resistenza meccanica ma anche la fragilità e crescono la duttilità e la saldabilità 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 16
Contenuto di carbonio nell acciaio In base al tasso di carbonio gli acciai da costruzione si dividono in: extra dolci: 0,05% C < 0,15%; semidolci: 0,15% C < 0,25% dolci: 0,25% C < 0,40%; semiduri: 0,40% C < 0,60%; duri: 0,60% C < 0,70%; durissimi: 0,70% C < 0,80%; extraduri: 0,80% C < 0,85%. Percentuale massima di carbonio negli acciai in genere 2% 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 17
Acciai legati e non legati Nella lega ferro-carbonio si possono trovare elementi chimici accessori, alcuni dei quali non voluti (manganese silicio ecc.) altri invece aggiunti appositamente per modificare alcune proprietà (cromo negli acciai inox, rame nell acciaio corten). Acciai non legati Acciai legati Non legati con un tenore massimo (%) per ogni elemento chimico es manganese 1,65, cromo 0,30 nichel 0,30 Legati: oltre il tenore mass. per elemento Le UNI EN 10020 indicano il tenore massimo dei diversi elementi chimici di lega che caratterizzano l'acciaio non legato, quando anche per un solo elemento questo limite è superato l acciaio è detto legato. Convenzione generale: Acciaio bassolegato: nessun elemento al di sopra di 5% Acciaio altolegato: almeno un elemento al di sopra di 5% 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 18
Designazione in base alla composizione chimica (UNI EN 10027) Negli acciai alto legati elementi di lega sono presenti in quantità maggiore del 5% e la loro designazione alfanumerica è ad esempio del tipo lettera identificativa degli acciai alto legati X 8 Cr Ni 18 8 concentrazioni degli elementi di lega Cr Ni la percentuale di carbonio (moltiplicata per 100) 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 19
Designazione degli acciai in base all impiego finale (UNI EN 10027) DESIGNAZIONE ALFANUMERICA simbolo che identifica l impiego S = acciai per impieghi strutturali L= acciai per tubazione B= acciai per cemento armato Y= acciai per cemento armato precompresso 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 20
Segue Designazione degli acciai in base all impiego finale (UNI EN 10027) valore della caratteristica principale in funzione dell impiego Carico unitario di snervamento minimo prescritto per spessori 16 mm, in N/mm2 Carico unitario di rottura minimo prescritto in N/mm2 (per acciaio per precompresso) 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 21
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Confronto con le precedenti designazioni dell acciaio 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 23
Deformazione elastica e deformazione plastica dei metalli I metalli vanno incontro a deformazione sotto l azione di una forza assiale a trazione Deformazione elastica: il metallo ritorna alla sua dimensione iniziale quando la forza a trazione viene rimossa Deformazione plastica: il metallo è deformato ad un valore tale che non è possibile recuperare la sua dimensione iniziale Deformazione elastica Deformazione plastica 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 24
Sforzo e Deformazione Nominale σ = F (forza a trazione assiale media) A 0 (superficie resistente iniziale) Unità dello sforzo: 1 Pa=1 N/m 2 (Pascal) 1 MPa = 1N/mm 2 (10 6 Pa) Deformazione nominale = ε = λ λ Unità della deformazione: m/m 0 λ 0 = λ λ λ 0 lunghezza iniziale 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 25
Resistenza a trazione Da prof. Walter Salvatore, ingegneria università Pisa 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 26
Resistenza a trazione σ2 σ1 ε1 Da prof. Walter Salvatore, ingegneria università Pisa 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 27
Modulo di Elasticità (E) : lo sforzo e la deformazione hanno una relazione lineare nel campo elastico (Legge di Hooks) E = σ (sforzo) ε (deformazione) σ σ E = σ ε Maggiore la resistenza di legame, maggiore il modulo di elasticità ε Porzione lineare della curva sforzo/deformazione ε Esempi: Modulo di elasticità dell acciaio: 207 GPa Modulo di elasticità dell alluminio: 76GPa 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 28
Resilienza Da prof. Walter Salvatore, ingegneria università Pisa 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 29
Caratteristiche fisiche e prestazionali dell acciaio massa volumica 7,7-8,1 kg/dm 3 modulo elastico E=190 210 [GPa] conducibilità termica = 11.2 48.3 [W/mK] 25/11/2015 prof. M.C.Torricelli 30