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CARATTERISTICHE ACCIAIO


Caratteristiche

Acciaio è il nome dato a una lega composta principalmente da ferro e carbonio, quest'ultimo in percentuale non superiore al 2,11%: oltre tale limite, le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa.
Aspetto grigio lucente, Stato di aggregazione (in c.s.) solido, Cristallinità in genere policristallino

Cenni storici

L'importanza dell'acciaio è enorme, i suoi usi sono innumerevoli, come anche le varietà in cui esso viene prodotto: senza la disponibilità di acciaio in quantità e a basso costo, la rivoluzione industriale non sarebbe stata possibile. Col passare del tempo le tecniche di produzione dell'acciaio si sono andate perfezionando e diversificando, per cui ai nostri giorni esistono molteplici tipologie di acciai, ciascuna relativa a diverse esigenze progettuali e di mercato.

Caratteristiche salienti dell'Acciaio

Proprietà chimico-fisiche
- Densità (g/cm3): 7,5÷8 - (7500÷8000 kg/m³)
- Temperatura di fusione (K): 1370÷1530 °C
- Coefficiente di dilatazione termica lineare (K-1): 9,9 × 10-6÷16 × 10-6
- Conduttività termica (W/m·K): 16÷52
- Resistività elettrica (Ω·m): 0,142÷0,714×10-6

Proprietà meccaniche

- Resistenza a trazione (kgf/m2): 4,89 × 107÷1,12 × 108 (480÷1100 MPa)
- Tensione di snervamento (kgf/m2): 2,09 × 107÷8,36 × 107 (205÷820 MPa)
- Modulo di elasticità longitudinale (Gpa): 196÷210[2]
- Resistenza alla fatica (kgf/m2): 1,83 × 107÷5 × 107 (180÷490 MPa)

Classificazione in base al tenore di carbonio
Il carbonio si presenta esclusivamente 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. Gli acciai sono leghe sempre plastiche a caldo, cioè fucinabili, a differenza delle ghise. Gli acciai dolci sono i più comuni e meno pregiati

In base al tasso di carbonio gli acciai si dividono in:

  • extra dolci: carbonio compreso tra lo 0,05% e lo 0,15%;
  • dolci: carbonio compreso tra lo 0,15% e lo 0,25%
  • semidolci: carbonio compreso tra lo 0,25% e lo 0,40%;
  • semiduri: carbonio tra lo 0,40% e lo 0,60%;
  • duri: carbonio tra lo 0,60% e lo 0,70%;
  • durissimi: carbonio tra lo 0,70% e lo 0,80%;
  • extraduri: carbonio tra lo 0,80% e lo 0,85%.

Classificazione in base ai tenori di altri leganti
Oltre al carbonio possono essere presenti degli ulteriori elementi alliganti aggiunti per lo più sotto forma di ferroleghe.

In base alla composizione chimica gli acciai si possono distinguere in quattro gruppi:
  • acciai non legati sono acciai nel quale i tenori degli elementi di lega rientrano nei limiti
    indicati dal prospetto I della UNI EN 10020;
  • acciai legati sono acciai per i quali almeno un limite indicato del suddetto prospetto I viene superato.
Per convenzione gli acciai legati si suddividono in:
  • bassolegati: nessun elemento al di sopra del 5%,
  • altolegati: almeno un elemento di lega al di sopra del 5%

Elementi di lega e proprietà dell'acciaio
Gli elementi di lega, naturalmente presenti nell'acciaio o aggiunti per conferire caratteristiche specifiche, determinano alcune modifiche delle proprietà chimico/fisiche del materiale, quali ad esempio:
- fosforo:(massima percentuale tollerata 0,05%) e zolfo (massima percentuale tollerata 0,05%): riducono la tenacità dell'acciaio;
- idrogeno: favorisce la fragilità, nocivo in tenori superiori a 2 ppm; induce la formazione di fiocchi;
- ossigeno: riduce la lavorabilità a caldo; abbassa le caratteristiche meccaniche;
- azoto: promuove l'invecchiamento dell'acciaio al carbonio; aumenta la resistenza al pitting negli acciai inossidabili (coefficiente 16 nella formula di calcolo del PREN); aumenta la resistenza meccanica degli acciai inossidabili; stabilizza l'austenite negli acciai inossidabili;
- manganese: (massima percentuale tollerata 0,8%): agisce come desolforante e disossidante; in alte percentuali aumenta il tasso di incrudimento;
- alluminio: disossidante; affinante del grano;
- silicio: (massima percentuale tollerata 0,4%): disossidante;
- titanio e niobio: disossidante; il Titanio denitrurante;il Niobio nitrurante durante la conversione in A.O.D. (Argon-Oxygen-Decarburization) affinante del grano; previene la corrosione intergranulare negli acciai inox;
- niobio e tantalio: essenziali negli acciai indurenti per precipitazione aumentano la resistenza meccanica; aumentano la resistenza a fatica; aumentano la resistenza a corrosione; aumentano la resistenza all'usura;
- molibdeno: aumenta la temprabilità; aumenta la resistenza a caldo; aumenta la durezza a caldo e la resistenza all'usura; aumenta la resistenza alla corrosione degli acciai inox, in particolare la resistenza al pitting (coefficiente 3,3 nella formula di calcolo del PREN); aumenta la resistenza meccanica ad alta temperatura; viene utilizzato con concentrazioni notevoli (9% circa) per produrre acciai per utensili;
- cromo: aumenta la temprabilità; aumenta la resistenza all'usura; aumenta la stabilità al rinvenimento; con concentrazioni superiori al 12% è utilizzato negli acciai inossidabili ferritici e martensitici; aumenta la resistenza al "pitting" (Coefficiente 1 nella formula di calcolo del PREN);
- nichel: aumenta la resistenza e la durezza dopo la bonifica; aumenta di poco la temprabilità; partecipa alla resistenza alla corrosione dell'acciaio inox, dove raggiunge percentuali molto elevate (25% circa);
- vanadio: aumenta la resistenza meccanica e la resistenza all'usura;
- tungsteno: aumenta la resistenza all'usura e la durezza; è impiegato con tenori che vanno dal 13 al 25% negli acciai rapidi per utensili;
- rame: può provocare cricche a seguito di lavorazioni a caldo; migliora la resistenza alla corrosione (acciaio Corten);
- stagno: favorisce la fragilità.

Designazione alfanumerica degli acciai
Esistono moltissimi tipi di acciaio, le cui composizioni e denominazioni sono stabilite da apposite norme tecniche: in Europa le euronorme (EN) emesse dal Comitato Europeo di Normazione (CEN) e nel continente americano l'ASTM (American Society Testing Materials), in collaborazione con l'AISI (American Iron and Steel Institute) e internazionalmente le ISO (International Standard Institute).

Gli acciai possono essere classificati in:

  1. gruppo I (UNI EN 10027-2): acciai di base e di qualità.
  2. gruppo II: acciai speciali (differiscono dagli altri acciai per la loro composizione chimica).

Gruppo I (UNI EN 10027-2)
Costituiscono il tipo più comune e meno costoso. Comprendono gli acciai di base e di qualità, anche detti acciai da costruzione di uso generale. Hanno caratteristiche meccaniche inferiori rispetto agli acciai speciali. In particolare, sono adatti a resistere a sollecitazioni soprattutto statiche (come nel caso delle costruzioni civili). Attualmente, sono di solito posti in opera mediante saldatura, da cui la necessità di un'adeguata saldabilità. Sono generalmente impiegati allo stato grezzo di laminazione (non hanno quindi bisogno di essere sottoposti a trattamento termico), anche se in qualche caso sono sottoposti a normalizzazione. A temperature molto basse possono perdere resilienza, diventando fragili (fenomeno della transizione duttile fragile).

La designazione deve comprendere i seguenti simboli:

  • TA ricottura di distensione
  • TB ricottura di coalescenza
  • TC ricottura completa
  • TD normalizzazione
  • TE normalizzazione e rinvenimento di distensione
  • TF bonifica
  • TG austenizzazione.

Con Requisiti particolari:
  • KD acciaio adatto alla deformazione plastica a freddo
  • KQ acciaio adatto alla bordatura
  • KR acciaio adatto alla produzione di tubi saldati
  • KU acciaio adatto alla costruzione di utensili
  • KW acciaio adatto all'impiego ad alte temperature.

Gruppo II
Corrisponde agli acciai speciali, che sono acciai con caratteristiche particolari. Talvolta hanno caratteristiche meccaniche superiori, che si ottengono a seguito di un appropriato trattamento termico.

Si posso dividere in 4 sottogruppi:

  • 2.1 acciai non legati (con l'eccezione degli acciai per lavorazioni meccaniche ad alta velocità), con tenore medio di manganese inferiore all'1%;
La designazione deve comprendere i seguenti simboli: La lettera C, un numero corrispondente alla percentuale media di carbonio moltiplicata per 100 (ad esempio C50).
  • 2.2 acciai non legati con tenore medio di manganese maggiore all'1%; acciai non legati per lavorazioni meccaniche ad alta velocità, debolmente legati con massa ponderale di ciascun elemento inferiore al 5%;
La designazione deve comprendere i seguenti simboli: Un numero corrispondente alla percentuale media di carbonio moltiplicata per 100, i simboli degli elementi di lega se superano un limite loro caratteristico (es. Mn 0,8-1%, Si 1%), il tenore percentuale in massa del primo elemento moltiplicato per: 4 per Ni e Cr 10 per Mo 1000 per B e arrotondato all'intero più vicino (ad esempio 36 CrNiMo7).
  • 2.3 acciai fortemente legati (se hanno almeno un elemento di lega superiore al 5%);
La designazione deve comprendere i seguenti simboli: La lettera X, un numero corrispondente alla percentuale media di carbonio moltiplicata per 100, i simboli degli elementi di lega se superano il limite loro caratteristico, le percentuali in massa degli elementi citati solo se superano il 5%, scritti in 2 numeri e separati da trattino (ad esempio X 10CrNi 18-08).
  • 2.4 acciai rapidi.
La designazione deve comprendere i seguenti simboli: Lettere HS, i numeri corrispondenti agli elementi in lega separati da trattini. I numeri corrispondono ai seguenti elementi in questo ordine: W, Mo, V, Co (Es. Hs 2-9-1-8).

Classificazione in base alla destinazione d'uso :
  • Acciaio da bonifica
È adatto a sopportare carichi elevati, urti e soprattutto a resistere a fatica. Possiede il miglior compromesso fra resistenza meccanica e tenacità. Ha una concentrazione di carbonio compreso fra lo 0,21% e lo 0,60%.
Gli elementi leganti, oltre a permettere di diminuire la concentrazione di carbonio alla quale si ha la massima tenacità, hanno le seguenti funzioni:
- nichel: favorisce tenacità e temprabilità;
- cromo: favorisce la temprabilità;
- molibdeno: opera contro lo svilupparsi della malattia di Krupp (fragilità al rinvenimento);
- manganese: migliora la temprabilità;
- vanadio: affina la grana cristallina.
È di solito trattato con la tempra, in acqua o in olio, e con il rinvenimento a circa 620 °C.
Esempi di acciai da bonifica: C40, 39NiCrMo3, 34NiCrMo16, 42CrMo4, 36CrMn5.
  • Acciaio da nitrurazione
Sono di solito acciai dolci o da bonifica con la presenza di alluminio o altri elementi leganti (nichel, cromo, molibdeno), che possano formare nitruri a azoturi (composti superficiali molto duri). Poiché contengono un basso tenore di carbonio ( circa lo 0,4% in peso di carbonio) riescono ad accogliere, nella loro superficie, azoto per una profondità fino a 0,5 mm. Lo strato nitrurato è ottenuto con un processo di precipitazione dell'azoto. Si ottiene mediante un trattamento termochimico in vasche a una temperatura che varia tra i 500 e i 520 °C in presenza di ammoniaca, per una durata di circa 50 ore. Dopo aver subito il suddetto trattamento tali acciai presentano una superficie indurita mentre nel cuore mantengono ancora caratteristiche di tenacità.
Questi acciai sono impiegati per costruire ruote dentate, alberi di distribuzione, perni, rulli, boccole, spinotti, alberi a camme etc
  • Acciaio autotemprante
Questi acciai hanno una velocità di raffreddamento talmente bassa che assumono una struttura di tempra (martensitica) per semplice raffreddamento all'aria. Ulteriore caratteristica è la temperatura del rinvenimento, generalmente intorno ai 200 °C. Queste caratteristiche sono dovute al notevole tenore di elementi pregiati in lega, quali il nichel, il cromo, il molibdeno e il tungsteno, che spostano nettamente verso destra le curve anisoterme. Anche le caratteristiche meccaniche sono eccezionali, con resistenze a trazione elevatissime (dell'ordine di 2000 MPa) e una tenacità soddisfacente anche in virtù del raffreddamento meno drastico in aria. Sono autotempranti anche gli acciai al manganese e al nichel corrispondenti a punti della zona a struttura perlitica dei rispettivi diagrammi di Guillet, vicini alla zona di transizione con quelli a struttura martensitica, ma queste leghe non hanno applicazioni pratiche perché troppo fragili.
Interessanti applicazioni hanno invece gli acciai al cromo-nichel con C = 0,3% - 0,5%; Ni = 3% - 6%; Cr = l% - 2%, e somma dei tre elementi almeno uguale a 5%. Tali materiali dopo ricottura presentano struttura perlitica, assumono facilmente struttura martensitica con semplice raffreddamento all'aria e hanno sia elevata durezza sia duttilità e tenacità soddisfacenti: possono rappresentare una valida alternativa ad acciai cementati o nitrurati.

Caratteristiche di questi acciai sono:

- indeformabilità alla tempra, permettendo al pezzo di essere temprato successivamente alla lavorazione senza comprometterne la forma;
- semplificazione dei cicli di lavorazione con la soppressione di qualsiasi operazione di indurimento superficiale;
- assenza dello strato superficiale fragile la cui presenza, con la nitrurazione, impedisce di elevare la pressione unitaria, per pericolo di sfondamento dello strato stesso;
- resistenza elevata del pezzo, molto superiore a quelle ottenibili nel nucleo sia con gli acciai da cementazione sia con quelli da nitrurazione.
- la tempra non richiede vasche di raffreddamento e in presenza di aria calma risulta sufficientemente omogenea, dunque ideale per componenti di grosse dimensioni..
  • Acciaio da cementazione
ll termine cementazione non è molto corretto anche se ormai universalmente accettato; per essere precisi si dovrebbe usare il termine "carbocementazione" o "cementazione carburante". Dato che contengono meno dello 0,2% in peso di carbonio essi possono accogliere altro carbonio nella loro superficie per una profondità fino a 2 mm. Dopo aver subito un particolare trattamento termico essi presentano una superficie indurita mentre il cuore dell'acciaio mantiene ancora caratteristiche di tenacità. La superficie indurita resiste bene all'usura e all'azione di forze concentrate. Essendo la cementazione costosa, non conviene risparmiare sulla tempra, che invece è indispensabile per massimizzare la durezza ottenibile. Il rinvenimento si ferma sempre al primo stadio. Possono essere acciai non legati (C10, C16) oppure debolmente legati.

Si utilizzano i leganti tipici dell'acciaio da bonifica:

- nichel, per la tenacità e la temprabilità;
- cromo e molibdeno, per la temprabilità e la stabilizzazione dei carburi.
Esempi: C10 (è il più debole), C16, Acciaio 16NiCrMo12 (è il più forte), Acciaio 20NiCrMo2, Acciaio 18NiCrMo5. Questi acciai servono a costruire ruote dentate, alberi di distribuzione, perni, rulli, boccole, spinotti etc.
  • Acciaio per molle

Proprietà richieste sono:

- tensione di snervamento vicina alla tensione di rottura;
- resistenza alla fatica, ottenuta con struttura omogenea di almeno 80% di martensite al cuore (quindi l'acciaio è molto temprabile).

Con le leghe al solo carbonio, in concentrazione superiore allo 0,40%, si hanno gli acciai armonici, per cemento armato precompresso, funi (in questo caso vengono patentati), strumenti musicali. Per usi più impegnativi si aggiunge soprattutto il silicio fino al 2%, che rafforza ma infragilisce; il cromo aumenta la temprabilità, il nichel aumenta la tenacità. Alcuni esempi: 55Si7 per sospensioni e balestre dei treni; 52SiCrNi5 per molle di pregio; 50CrV4 (KVRG). Si esegue sempre il rinvenimento a 450 °C così che i carburi precipitino ma non inizino a coalescere
  • Acciaio per cuscinetti a rotolamento
Sono acciai di altissima qualità, sono esenti da materiali intermetallici. Hanno un alto tenore di carbonio e si ottengono da una tempra seguita da rinvenimento a circa 150 °C. Il più utilizzato è l'acciaio 100Cr6.

Proprietà richieste sono:

- elevata durezza
- resistenza a usura
- elevata resistenza a fatica.
  • Acciaio inossidabile
Acciaio inox o acciaio inossidabile è il nome dato correntemente agli acciai con un tenore di cromo indicativamente superiore al 13%, per la loro proprietà di non arrugginire se esposti all'aria e all'acqua: il cromo, ossidandosi a contatto con l'ossigeno, si trasforma in ossido di cromo (CrO2) che crea uno strato aderente e molto resistente, impedendo un'ulteriore ossidazione (tale fenomeno è noto come passivazione). Sono una classe estremamente importante di acciai, usata per gli scopi più disparati: a partire dalla loro scoperta nel 1913, e grazie soprattutto ai successivi progressi della metallurgia fra gli anni quaranta e sessanta, hanno ampliato il loro sviluppo e le loro applicazioni; tuttora vengono perfezionati e adattati alle richieste dei vari settori industriali, come il petrolifero/petrolchimico, minerario, energetico, nucleare e alimentare (molto noto in quest'ultimo settore l'acciaio inox 18/10, contenente il 18% di Cromo e il 10% di Nichel).
  • Acciaio per utensili
Per le applicazioni meno severe si possono usare acciai al solo carbonio, altrimenti è necessario aggiungere elementi leganti per aumentare la durezza :

- Carbonio: una concentrazione dello 0,6% potrebbe già offrire la massima durezza, tuttavia parte del C si combina con altri elementi presenti e quindi può essere necessario aumentarne il contenuto.
- Manganese: ha azione disossidante, migliora la temprabilità e facilita la formazione di carburi.
- Silicio: ha azione disossidante, aumenta la resistenza all'ossidazione.
- Cromo: aumenta la temprabilità, stabilizza i carburi.
- Vanadio: previene l'ingrossamento del grano, utile per avere durezza ad alta temperatura.
- Tungsteno e molibdeno: utili per la resistenza all'usura alle alte temperature.
- Cobalto: presente negli acciai super-rapidi.

Data la presenza di carburi di difficile soluzione, la tempra è eseguita ad alta temperatura; si deve comunque valutare bene quest'ultima in quanto, se troppo bassa, il carbonio non si scioglie e si forma martensite povera; se troppo alta, un'eccessiva quantità di carbonio entra nell'austenite stabilizzandola fino a bassa temperatura.
Nel caso di acciai per lavorazioni a caldo e rapidi, si ha un indurimento secondario aumentando la temperatura di rinvenimento oltre i 400 °C.
  • Acciaio rapido
È la più importante tipologia di acciaio utilizzato nella costruzione di utensili per la lavorazione veloce del metallo.

Se ne può fare la seguente schematizzazione:

- super rapido, riconoscibile dalla presenza del cobalto e adatto ad alte velocità di taglio ma non a utensili sottoposti a urti (ad esempio: barrette, placchette, frese...);
- rapido, che si distingue dal precedente soprattutto per l'assenza del cobalto, acquistando così maggiore tenacità (punte elicoidali, maschi, creatori, coltelli...);
- semi rapido per medie e basse velocità di taglio
Normalmente l'acciaio rapido è ricotto a 800-900 °C, temprato a 1180-1300 °C e rinvenuto a 550 °C anche più volte (a causa dell'enorme quantità di austenite residua).
  • Acciaio per lavorazioni a caldo
È una tipologia di acciaio utilizzato nelle lavorazioni con temperatura maggiore di 300 °C

le sue caratteristiche principali sono:

- resistenza all'ossidazione
- resistenza meccanica a caldo
- resistenza allo shock termico
- resistenza alla fatica termica

Le ultime due caratteristiche derivano dall'elevata tenacità del materiale dovuta alla bassa concentrazione di carbonio (0,3% - 0.4% C) e alla presenza del Vanadio che serve per mantenere ridotte le dimensioni del grano ad alte temperature.
  • Acciaio per lavorazioni a freddo
L'elevata durezza è solitamente dovuta all'alto tenore di carbonio; altre proprietà, quali tenacità, resistenza all'usura, indeformabilità al trattamento termico, penetrazione di tempra, capacità di taglio..., sono raggiunte con ulteriori elementi in soluzione. Non ci si deve stupire quindi della composizione molto varia di questi acciai: al carbonio, al cromo-carbonio, al tungsteno-cromo, al tungsteno e al manganese-vanadio. Il rinvenimento deve essere attorno ai 200 °C, altrimenti si decompone la martensite. Esempi di acciaio di questa categoria sono X210Cr13, che si può usare per la costruzione di lame per sega circolare, 107WCr5KU, impiegato negli utensili per la lavorazione del legno, X205Cr12KU, utile per esempio per la produzione di punzoni per stampi di pressatura di polveri metalliche.
  • Acciaio amorfo (vetri metallici)
Normalmente l'acciaio ha una struttura cristallina, tuttavia, con velocità di raffreddamento estremamente rapide è possibile inibire la nucleazione, ottenendo una struttura amorfa (stato vetroso). Questo tipo di materiale detto acciaio amorfo o acciaio vetroso può essere, considerato come un liquido super-viscoso, alla pari del comune vetro. Esistono da tempo procedimenti (quali il melt spinning o l'atomizzazione), che permettono di ottenere tali strutture. Recentemente (articolo sulla rivista Physical Review Letters del 18 giugno 2004) è stato descritto un procedimento più efficace, a lungo inseguito dai metallurgici, per ottenere acciai amorfi. Alla base del processo, vi è l'aggiunta alla lega di opportuni elementi, quali l'ittrio, che inibiscono la nucleazione, favorendo il mantenimento dello stato amorfo. L'acciaio risultante ha una durezza e una resistenza circa doppia/tripla rispetto a quelle dei migliori acciai convenzionali.


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Giorgio Ceccotti 
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