Densità dell'acciaio - Comprendere le proprietà fisiche

Presentazione

L'acciaio è un ottimo materiale ed è disponibile in diverse tipologie gradi distinti e composizioni chimiche. Dato il lungo elenco di proprietà dell'acciaio, potrebbe sorprendere sapere che tutti i tipi, anche l'acciaio lavorato a CNC, sono essenzialmente composti da due soli elementi: ferro e carbonio.
Tuttavia, la vera differenza inizia quando entrano in gioco elementi aggiuntivi. La durabilità e la resistenza dell’acciaio dipende dal fosforo e dal manganese che vengono legati con l’acciaio durante la produzione. L’acciaio ha una densità, di 7,86 g/cm cubo. Nel caso di acciaio inossidabile, il dato varia da 7,65 a 8,03. Per farsi meglio un’idea, la ghisa, per esempio, ha una densità di 7,20 g/cm cubi
Per le sue proprietà fisiche l’acciaio è un materiale particolarmente adatto alle costruzioni metalliche. Le leghe e il trattamento termico utilizzati per produrre l'acciaio danno luogo a proprietà di diversi valori e punti di forza.

Principali proprietà fisiche dell'acciaio – Concetti introduttivi

1. ambito termico
Si riferisce a tre aspetti fondamentali della capacità dell'acciaio di gestire la temperatura, del potenziale di trasferimento del calore e della sua capacità di emanare raggi nel medio infrarosso (o radiazione).
2. ambito elettrico
Si riferiscono alla capacità dell'acciaio di condurre corrente elettrica.
3. ambito ottico
Queste proprietà nel caso dell'acciaio indicano la sua capacità di riflettere la luce o emettere luminosità. Poiché l'acciaio inossidabile è legato con una percentuale maggiore di alluminio, le proprietà ottiche saranno migliori.
4. ambito magnetico
Si riferisce alla capacità dell'acciaio di essere indotto o di indurre un campo elettromagnetico.
Maggiore è la percentuale di ferro nella lega di acciaio, maggiore è la sua capacità di agire come un magnete

Per le sue proprietà, l’acciaio è probabilmente il materiale da costruzione più utilizzato. Si tratta di un materiale con elevata formabilità, che dura molto nel tempo, ha un buon carico di trazione e di resistenza, di snervamento (cioè il punto in cui inizia a deformarsi in modo irreversibile). E’ anche un buon conduttore termico e, nel caso di per gli acciai inossidabili, è molto resistente alla corrosione.
Comprendere e controllare le proprietà dei materiali è quindi essenziale. Le proprietà meccaniche dell'acciaio sono attentamente controllate attraverso un'oculata selezione della composizione chimica, del processo di trasformazione e del trattamento termico, che porta alla sua microstruttura finale.
Esistono molti sistemi di misurazione per definire le proprietà di un determinato acciaio. Il carico di snervamento, la duttilità e la rigidità vengono determinati, ad esempio, mediante prove di trazione. La tenacità viene misurata mediante prove di impatto e la durezza misurando la resistenza alla penetrazione superficiale da parte di un oggetto duro.
Per capire in che modo reagisce un tipo di acciaio alla pressione di carichi applicati, si ricorre alla prova di trazione. Il risultato è indicato da un coefficiente – modulo o coefficiente di Young – che consiste nel rapporto fra tensione e deformazione del metallo. Nell’acciaio, tale coefficiente è molto alti, pari a circa il triplo di quello dell’alluminio

Proprietà fisiche - Dati

Le proprietà fisiche dell'acciaio sono la densità, la conduttività termica, l’elasticità, il rapporto di Poisson. I valori più importanti, caratteristici dell’acciaio sono:
Densità ρ = 7,7 ÷ 8,1 [kg/dm3 oppure g/cm cubo]
Elasticità E=190÷210 [GPa]
Coefficiente di Poisson ν = 0,27 ÷ 0,30. Esso rappresenta l'elasticità di un solido elastico e descrive il grado in cui il campione acciaio si restringe o si dilata trasversalmente di fronte ad una sollecitazione monodirezionale e longitudinale
Conducibilità termica κ = 11,2 ÷ 48,3 [W/mK]
Dilatazione termica α = 9 ÷27 [10-6/K]

Vari tipi di acciaio

Ecco le principali tipologie di acciaio.

1. Acciaio al carbonio

L'acciaio al carbonio è opaco e può essere attaccato dalla corrosione. Ne esistono tre sottotipi: acciaio a basso, medio e alto tenore di carbonio. Il nome stesso deriva dal fatto che gli acciai contengono una quantità molto piccola di altri elementi della lega. Questo tipo di acciaio è molto resistente per cui, si preferisce utilizzarlo nella fabbricazione di cavi elettrici ad alta tensione e alcune parti di automobili.
Gli acciai al carbonio arrivano ad una percentuale che sfiora il circa il 90% delle produzione totale di acciaio
L’acciaio C45/AISI 1045 è un tipo di acciaio a medio tenore di carbonio, molto indicato adatto per ingranaggi, bulloni, assali e alberi per uso generale, chiavette meccaniche e borchie di auto.

2. Acciaio legato

Gli acciai legati sono una miscela di metalli diversi, come nichel, rame e alluminio. Questi tendono ad essere più economici, più resistenti alla corrosione e sono preferiti per alcuni ricambi auto, condutture, scafi di navi e progetti meccanici. Le caratteristiche meccaniche degli acciai legati dipendono quindi dalla concentrazione degli elementi in essi contenuti.
Acciaio legato AISI 4317/18NiCrMo5: fornisce elevata resistenza e tenacità, per cuscinetti industriali, alberi a camme, giunti frizione, cuscinetti compressori, alberi di ventilatori, ingranaggi industriali, alberi di pompe.

3. Acciaio per utensili

L'acciaio per utensili è noto per essere duro e resistente al calore e ai graffi. Molto comunemente è usato per fabbricare strumenti metallici, come i martelli. Essendo composto da una percentuale di cobalto, molibdeno e tungsteno, ha una durata e una resistenza al calore molto elevate.

4. Acciaio inossidabile

Ultimo ma non meno importante, gli acciai inossidabili sono probabilmente il tipo più conosciuto sul mercato. Questi acciai sono lucidati e in genere contengono circa il 10-20% di cromo, che è il loro principale elemento di lega. Se abbiamo bisogno di un acciaio facilmente modellabile e resistente all’attività corrosiva, deve essere legato con il cromo; si ottiene così. L’acciaio inossidabile. Utilizzato di preferenza, nella fabbricazione di strumentazioni chirurgiche che richiedono prestazioni di alta affidabilità e precisione, di utensili domestici, oggetti d’argento e, a volte, come rivestimento esterno per edifici, soprattutto industriali. In commercio esiste un centinaio di tipi di acciaio inossidabile.
Acciaio inossidabile 316L: per scambiatori di calore, tubazioni, materiali da costruzione per esterni in zone costiere, cinturini per orologi, custodie, ecc. Per orologi sofisticati, attrezzature marine, prodotti chimici, coloranti, industria alimentare.

Classificazione degli acciai

La classificazione dell'acciaio è molto spesso utilizzata da ingegneri, ricercatori, architetti e persino agenzie governative per mettere ordine nella valutazione delle caratteristiche e della qualità dei materiali.
• Sistema di classificazione ASTM: questo sistema di classificazione assegna a ciascun metallo un prefisso di lettere in base al suo grado. Ad esempio, la lettera "A" si applica ai materiali in acciaio e ferro. Viene quindi assegnato un numero sequenziale per riflettere le proprietà specifiche di quel metallo.
• Sistema di classificazione SAE: per la classificazione viene utilizzato un numero di quattro cifre. Le prime due cifre ci rimandano al tipo di acciaio e alla concentrazione dell'elemento utilizzato nella lega e le ultime due ci fanno capire la concentrazione di carbonio.

Conclusioni

La produzione di acciaio su scala mondiale è in aumento esponenziale. Per dare un'idea di come questo materiale possa essere utilizzato, secondo la World Steel Association (= Associazione mondiale dell’acciaio), il 55% del peso tipico di un'auto è dovuto all'acciaio di cui è fatta. Con questo semplice fatto, sembra difficile immaginare un mondo senza acciaio. Con oltre 3.500 diversi tipi di acciaio, le possibilità di applicazione sono praticamente infinite. Dalla produzione alla lavorazione a controllo numerico dell'acciaio, ogni tipologia ha il suo posto e le sue caratteristiche perfette per soddisfare praticamente qualsiasi esigenza. In conclusione, le diverse proprietà dell'acciaio derivano dall'uso di diverse leghe di acciaio e si dividono in quattro tipi che abbiamo oggi a disposizione.