La martensite: struttura, proprietà e applicazioni dell'acciaio

All’interno di questo appunto è descritta la martensite. Di seguito sono riportate tutta una serie di informazioni che riguardano la descrizione generale dell’acciaio, cos’è la martensite, la scarsa consistenza della microstruttura, quali sono le proprietà e dove li ritroviamo.

Informazioni sull'acciaio

L’acciaio è una lega di ferro e carbonio, in cui il contenuto di carbonio varia fino al 2%. Rappresenta di gran lunga il materiale più utilizzato per costruire infrastrutture e anche dalle industrie, è utilizzato per fabbricare tutto a partire da aghi per cucire all’ olio petroliere. Gli strumenti necessari per costruire e produrre tali articoli sono in acciaio. Nel 2013, la produzione mondiale di acciaio grezzo è stata di circa 1,6 miliardi di tonnellate, mentre la produzione del metallo più importante, ovvero l' alluminio, è stata di circa 47 milioni di tonnellate. Le ragioni maggiori della notorietà dell'acciaio sono il costo moderatamente basso di produzione, formatura e lavorazione, l'abbondanza delle sue due materie prime e la sua ineguagliabile gamma di proprietà meccaniche. Il componente principale dell'acciaio è il ferro, un metallo che allo stato puro non è molto più solido del rame. Il ferro allo stato solido è policristallino, ovvero è costituito da molti cristalli che si uniscono tra loro sui loro confini. Un cristallo è una disposizione ben ordinata di atomi che può essere rappresentata come sfere che si sfiorano. Sono ordinati in piani, detti reticoli, che si incastrano l'un l'altro in modi specifici. Per il ferro, la disposizione del reticolo può essere visualizzata al meglio da un cubo unitario con otto atomi di ferro agli angoli. Importante per l'unicità dell'acciaio è l'allotropia del ferro, cioè la sua esistenza in due forme cristalline.

Cos'è la martensite

La martensite è il materiale responsabile della forza e della rigidità di molti oggetti come automobili, ponti ed edifici. L'acciaio è una lega, definita anche o una miscela metallica di due o più elementi, che contiene del carbonio sciolto nel ferro. In molti casi è possibile aggiungere altri elementi per modificarne tali proprietà. Un esempio è l'aggiunta di un elemento come il cromo che viene utilizzato per produrre acciaio inossidabile, grazie anche alla capacità di resistere alla ruggine. Gli atomi che compongono l'acciaio si possono organizzare in molti modi differenti, in modo tale da risultare in molte fasi diverse dell'acciaio. La martensite è una fase insolitamente dura dell'acciaio. Per la formazione della martensite, l'acciaio, inizialmente, deve essere riscaldato a temperature molto elevate in modo tale da formare una fase ad alta temperatura che prende il nome di austenite. La martensite si ottiene quando l'austenite viene raffreddata molto rapidamente, ad esempio intingendo il metallo infuocato in acqua. Quando l'austenite viene raffreddata molto rapidamente per formare la martensite, non c'è abbastanza tempo perché gli atomi si propagano in nuove posizioni atomiche. Invece, la trasformazione da austenite a martensite comporta un riarrangiamento molto sottile e molto rapido degli atomi. In questo modo, la trasformazione da austenite a martensite rappresenta una variazione senza diffusione. Se l'austenite viene raffreddata in modo molto lento, gli atomi avranno il tempo di diffondersi in modo da rimanere in equilibrio. Dal momento che gli atomi non hanno il tempo di diffondersi durante la trasformazione senza diffusione da austenite a martensite, la martensite è una fase di non equilibrio.

Scarsa consistenza della microstruttura

Quando si parla di microstruttura si fa riferimento alla disposizione delle fasi su scala microscopica. Un microscopio può essere utilizzato per osservare la microstruttura di un materiale. La microstruttura della martensite racchiude molte caratteristiche a forma di ago, che rendono la martensite molto delicata. Di conseguenza, il maggior svantaggio della martensite è che è molto fragile ma allo stesso tempo questa è molto utilizzata, perché è anche molto dura. Per raggiungere un compromesso tra la durezza e la fragilità dell'acciaio, gli ingegneri generalmente realizzano volutamente un tipo di acciaio che contiene una o più fasi oltre alla martensite. Tutto ciò attribuisce all'acciaio la durezza della martensite, evitando che diventi troppo fragile. Per esempio, l'aggiunta di elementi extra o il rallentamento della velocità di raffreddamento può generare l'incompleta trasformazione da austenite a martensite, ottenendo una miscela martensite-austenite. Un altro metodo utilizzato per produrre acciaio con martensite e una o più fasi aggiuntive è la tempra. Il rinvenimento prevede il riscaldamento della martensite per un breve periodo di tempo in modo tale da consentire una certa diffusione che permette la formazione di nuove fasi.

Proprietà e applicazioni

Usando acciaio inossidabile martensitico si ottiene un acciaio inossidabile ad alta resistenza alla trazione resistente ad acidi fortemente ossidanti, ad esempio acqua salata e acido nitrico, con un'eccezionale miscela di resistenza all'usura e alla corrosione, elevata resistenza e tenacità. Per di più, l’acciaio inossidabile martensitico è saldabile ed è più facile da lavorare rispetto agli acciai austenitici convenzionali. È perfetto per progetti di ingegneria complessi in applicazioni marine come l’edilizia e cantieristica navale. Questo acciaio ha una buona lavorabilità ed è utilizzato per fabbricare parti di pompe e valvole, cuscinetti, mandrini, alberi di trasmissione e di trasmissione, raccordi, macchine per imballaggio, bielle, dadi e bulloni. Tra le altre applicazioni ricordiamo: ingranaggi, steli delle valvole, attuatori, parti di satelliti, sistemi di azionamento del trasportatore, pistoni idraulici, perni di gru, lame di miscelazione, ammortizzatori per sedili per barche e mazze da golf.