Biella-Manovella

LE CARATTERISTICHE DEI MATERIALI

Le caratteristiche meccaniche

Prova a trazione

Consiste nel sottoporre un provino del materiale da esaminare, ad allungamenti programmati

tramite una apposita macchina in grado di misurare lo sforzo applicato per provocare un dato

allungamento. Lo sforzo (σ), detto tensione o carico unitario, rappresenta la forza applicata

sull’unità di superficie e viene misurata in N/m

2 . le deformazioni vengono descritte tramite

l’allungamento specifico (ε), dato dal rapporto dimensionale tra la variazione di lunghezza e la

lunghezza iniziale (ΔL/L ).

0

Ogni materiale presenta un grafico diverso; per esempio, i solidi ionici hanno un modulo di Young

molto elevato (ε ═ ΔL/L ), per cui avviene la rottura prima di arrivare alla deformazione plastica;

0

alcune gomme e gli elastomeri hanno modulo di YOUNG molto basso, per cui si avranno basse

tensioni per grandi allungamenti.

dall’allungamento di un qualsiasi materiale, in parte macchina per la prova di

Sopra diagramma ottenuto

trazione (fonte csaslirelli)

La durezza e la resilienza

La durezza di un materiale si definisce la resistenza che un materiale oppone a una deformazione

permanente della sua superficie provocata dalla penetrazione di un corpo. Per misurare la durezza si

usano penetratori di forma opportuna che vengono spinti sulla superficie del materiale in esame,

misurando le deformazioni conseguenti. I metodi più usati sono il metodo Brinell, il Vickers, e il

Rockwell. La durezza determinata con ilo metodo Brinell è consigliata per materiali molto duri; la

Rockwell viene usata sugli acciai temperati.

La resilienza rappresenta la capacità di resistere agli urti. I materiali che presentano elevata durezza

presentano anche bassissima resilienza. Consiste nel sottoporre un provino ad un urto causato da

una mazza a caduta pendolare. Si lascia cadere la mazza da un’altezza sufficiente a rompere il

provino. La misura della resilienza è data dal rapporto tra l’energia consumata nella rottura e la

2

sezione del provino, misurata in Kg · m / cm .

f Fig. 1 Schematizzazione del sistema Brinell (fonte produzione

–

metalmeccanica Capelli editore)

MicroDurimetro vickers (fonte internet)

I materiali ferrosi

I metalli sono caratterizzati dalla particolare struttura cristallina per cui gli elettroni non sono rigidamente

associati a nuclei nei rispettivi atomi, ma sono liberi di muoversi. Questa caratteristica determina elevata

conducibilità elettrica e termica. A temperatura ambiente si presentano allo stato solido; hanno elevato peso

specifico, sono malleabili, duttili e opachi. I metalli puri vengono usati poco, sono più usate le leghe. 7

Caratteristiche e classificazioni degli acciai

Vengono definiti acciai le leghe ferro-carbonio che contengono una percentuale massima di

carbonio dell’2,1%. È possibile modificare le proprietà meccaniche tramite opportuni trattamenti

termici. Oltre a ferro e carbonio possono essere presenti altri leganti: cromo, nichel, molibdeno;

vengono aggiunti per impartire determinate caratteristiche speciali.

Trattamento Caratteristiche e scopi

Consiste nel riscaldare l’acciaio, si ha un raffreddamento più o meno rapido.

Tempra Consente di ottenere elevata durezza e grande resistenza meccanica, a scapito

della resilienza.

Rinvenimento Viene effettuato per attenuare gli svantaggi della tempra, riscaldamento a

temperature relativamente basse. Consente di abbassare la fragilità acquisita

all’acciaio dopo la tempra.

Ricottura Si effettua riscaldando a temperature vicine a quelle critiche, mantenendo il tempo

necessario per il completamento delle trasformazioni e raffreddamento molto

lentamente. Consente di eliminare gli effetti di trattamenti precedenti, nonché le

tensioni interne.

L’insieme dei trattamenti di tempra e bonifica.

Bonifica PRODUZIONE MONDIALE

dell’acciaio prese un improvviso sviluppo solo nella seconda metà del XIX secolo,

La produzione

concentrandosi prevalentemente in prossimità di giacimenti di minerali di ferro, di carbone, di fonti

di energia elettrica, o presso i porti , dove più facile è l’approvvigionamento della materie prime. In

Europa i massimi centri siderurgici sono situati nella Ruhr (Rep. Fed. Ted.), in Lorena (Francia), in

Slesia (Polonia), in Ucraina e negli Urali (URSS), in Inghilterra, negli Stati Uniti e in Giappone.

La produzione mondiale, che ammontava a 37 milioni di t nel 1900, era passata a 83 milioni nel

1913, a 160 milioni dopo la II guerra mondiale e nel 1982 ha superato i 760 milioni di tonnellate.

Veduta esterna

degli altiforni di

uno stabilimento

siderurgico. 8

FABBRICAZIONE DELL’ACCIAIO

I più importanti e diffusi procedimenti di fabbricazione dell’acciaio sono sostanzialmente

riconducibili a tre tipi fondamentali:

1. La fabbricazione al convertitore

2. La fabbricazione al forno Martin-Siemens

3. La fabbricazione al forno elettrico questo procedimento è basato sull’eliminazione

1) Fabbricazione al convertitore:

dell’eccesso di carbonio della ghisa mediante ossidazione provocata da una corrente

d’aria fatta gorgogliare entro il metallo fuso, la cui temperatura non solo è

mantenuta, ma anzi aumentata dalle reazioni di ossidazione del carbonio e altri

elementi. L’aria pressurizzata viene insufflata dal basso, attraverso fori praticati nel

fondo del recipiente. La carica è costituita da ghisa fusa di opportuna composizione

(deve contenere l 1% di manganese e l’1-2% di silicio) che viene introdotta a

convertitore inclinato affinché il metallo fuso non penetri nei fori. Quando s’immette

l’aria si ha la formazione di ossido ferroso che agisce sul manganese e il silicio:

questi, ossidati, danno origine alle scorie. Dopo questa fase inizia la combustione del

carbonio, al termine della quale si aggiungono gli opportuni correttivi. Con il

convertitore Thomas è possibile depurare le ghise dal loro contenuto in fosforo.

L’aria insufflata può essere arricchita di ossigeno, per aumentare la temperatura ed

ottenere un’affinazione maggiore.

2) Fabbricazione al forno Martin-Siemens: la carica è formata generalmente da ghisa

e rottami di ferro o da carbonio e rottami. Il rivestimento della suola del forno può

essere fatto con refrattari acidi o basici, secondo il tipo di acciaio che si vuole

ottenere; nel primo caso però la carica deve avere uno scarso contenuto di fosforo e

zolfo; il rivestimento acido dà in ogni caso acciai più pregiati. I forni Martin-

Siemens, la cui capacità raggiunge le 500t, sono alimentati solitamente con olio

combustibile o metano.

3) Fabbricazione al forno elettrico: le ghise così trattate danno acciai molto affinati,

consentono l’eliminazione

perché le elevate temperature che si possono raggiungere

di elementi, come zolfo e fosforo, in quantità superiori a ogni altro processo.

Talvolta vengono trattate cariche liquide provenienti dal forno Martin. In genere i

forni elettrici sono del tipo a elettrodi per l’affinazione, a induzione per la produzione

di acciai speciali.

 L’operazione successiva alla fabbricazione dell’acciaio è la con la quale l’acciaio fuso

colata,

viene prelevato dal forno del convertitore. Tale operazione può essere di due tipi: in lingotti o

Nel primo caso l’acciaio viene colato dal forno o dal convertitore in un grosso

continua.

recipiente (siviera) e da questo successivamente trasferito in forme di ghisa (lingottiere) dove

solidifica in lingotti. Nella colata continua l’acciaio viene colato in lingottiere verticali dal fondo

mobile, costituito da una barra (falso lingotto), che scende lentamente seguito dal lingotto

appena formato. Per evitare l’ossidazione degli elementi di lega, la colata viene eseguita in

siviere successivamente introdotte in serbatoi a vuoto spinto, o collocate entro recipienti chiusi

da un diaframma d’alluminio che fonde sotto il getto d’acciaio liquido. 9

Processo di produzione della ghisa e dell’acciaio.

Lingotto estratto dal forno a pozzo Avviamento del lingotto al

laminatoio sbozzatore

che gli conferisce la forma

voluta. 10

TIPI DI ACCIAIO

Gli acciai vengono classificati in vari modi, generalmente in base alla loro composizione chimica;

tuttavia si distinguono essenzialmente due grandi classi: quella degli acciai di uso generale (acciai

semplici) e quella degli acciai speciali.

Acciai di uso generale: classificati a loro volta in dolci, medi e duri in base al tenore di carbonio

sono quelli contenenti solo carbonio come elemento di lega.

Acciai speciali: quelli nei quali sono presenti sensibili elementi vari, che ne modificano le

caratteristiche chimiche, fisiche e meccaniche, in modo più o meno rilevante. Gli acciai speciali si

possono suddividere in: acciai per costruzione con notevoli capacità meccaniche e di tempra; in

questa categoria si distinguono in relazione agli impieghi, cinque classi di acciai:

1. da bonifica (subiscono un trattamento di bonifica (tempra + rinvenimento))

2. da cementazione

3. da nitrurazione

4. autotempranti

Acciai per utensili: sono acciai di notevole stabilità strutturale, tale da assicurare durante il loro

uso, anche a temperature elevate, il mantenimento di particolari caratteristiche, in relazione agli

impieghi cui sono destinati. Hanno particolare importanza gli acciai rapidi, i quali hanno la

caratteristica di non perdere gli effetti della tempra.

Acciai inossidabili: hanno notevole importanza in parecchie applicazioni, perché particolarmente

resistenti alla corrosione e all’ossidazione. Sono acciai fortemente legati, contengono alto tenore di

cromo e nichel. Il cromo permette di ottenere la resistenza alla corrosione.

sono acciai le cui caratteristiche li rendono adatti all’uso in condizioni

Acciai per usi speciali:

particolari. Tra questi si ricordano:

1. gli acciai per impieghi ad alte temperature; (resistenti alla corrosione a caldo)

2. gli acciai per impieghi a basse temperature; (alta tenacità)

3. gli acciai automatici; (facilmente lavorabili con macchine utensili automatiche ad alta

velocità)

4. gli acciai per impianti nucleari; (basso tenore di alcuni elementi, come: manganese e

cobalto). Le ghise

Le ghise sono leghe ferro-carbonio con percentuali di carbonio che in pratica vanno dal 1,7% al

4,5%. Presentano resistenza a trazione molto più bassa degli acciai, mentre resistono meglio alla

compressione. Hanno un elevata durezza e facilità con cui possono essere foggiate in stampi. Gli

aspetti negativi sono: la bassa resilienza, la resistenza alla corrosione, la lavorabilità alle macchine

migliorate con l’aggiunta di leganti. Le ghise si suddividono in ghise

utensili; possono essere

grezze, ottenute direttamente dall’altoforno e ghise di qualità, ottenute dalla lavorazione di ghise

grezze. 11

Tipo di ghisa Caratteristiche principali

Ghisa Così chiamata in quanto il carbonio è presente sotto forma di piccole sfere la cui

formazione è provocata dall’aggiunta di magnesio. Contiene anche silicio,

sferoidale manganese, nichel, fosforo e zolfo. Possiedono caratteristiche simili agli acciai.

Vengono utilizzate per ingranaggi, ruote, ecc.

Ghise Così chiamate per la struttura ad aghi che assicura una grande resistenza agli urti.

Contengono anche silicio, manganese, fosforo e zolfo.

aciculari resistenza all’ossidazione ed alla corrosione da gas solforosi a caldo.

Ghise Grande

all’alluminio Resiste all’ossidazione a caldo.

Ghise

al cromo

Ghise al Grande resistenza agli urti, alla flessione ed agli sbalzi termici.

molibdeno

Ghise Presentano maggiore lavorabilità e possono essere saldate. Resistono alle alte

temperature e dagli ambienti corrosivi

al nichel 12

Diagramma ferro-carbonio

Il diagramma di stato ferro-carbonio, descrive le strutture di equilibrio delle principali leghe

ferro-carbonio (acciaio e ghisa).

Figura 1 Diagramma di stato ferro-carbonio

Nella forma in cui viene presentato solitamente, il diagramma ferro-carbonio presenta un

composto intermetallico di formula Fe C (carburo di ferro) comunemente chiamato cementite. La

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porzione del diagramma che si prende in considerazione è quella con un contenuto di carbonio