Scienza e tecnologia dei materiali (Parte 2)

I METALLI:

Leghe Ferrose: Acciai al carbonio, acciai legati, acciai inossidabili, ghise

La maggior parte dei materiali metallici usati dall’uomo sono leghe ferrose. Le leghe

ferrose infatti, rappresentano un’ampia famiglia di materiali con una gran varietà di

microstrutture e di proprietà correlate. Le leghe ferrose possono essere distinti in

due categorie in base alla quantità di C nella composizione della lega:

➢ gli acciai, in cui la percentuale di carbonio è tipicamente compresa tra lo 0.05%

ed il 2.0% in peso

➢ le ghise, che contengono generalmente tra il 2.0% ed il 4.5% in peso

Leghe non ferrose: metalli che non contengono ferro come costituente principale: -

leghe di alluminio, magnesio, nickel, rame, titanio, zinco, piombo;

- metalli refrattari

- metalli preziosi

PRODUZIONE DELL’ACCIAIO:

Acciaio primario:

Mari e porti sono le località che più favoriscono o possono rendere possibile

l’installazione di un impianto a ciclo integrale per la produzione di un acciaio.

L’altoforno h le pareti di acciaio, l’interno in mattoni refrattari e l’interno ingabbiato in

una struttura mtallica. Una valvola è situata sulla bocca per permettere il

caricamento delle materie prime senza far uscire i gas caldissimi della

combustione. Un crogiolo gigantesco è ricavato sul fondo con gli ugelli per il

soffiaggio dell’aria compressa surriscaldata che mantiene la combustione. I tubi per

il tiraggio dei gas terminano in un impianto ausiliario per la depurazione e il

recupero dei gas ancora combustibili.

Produzione:

Minerali di ferro ottenuti scavando miniere sotterranee o a cielo aperto. La

metallurgia del ferro è essenzialmente una metallurgia di riduzione dove l’agwnte

riduttore fondamentale usato in siderurgia è l’ossido di Carbonio CO. La

trasformazione del minerale di ferro in ferro metallico, o meglio in una lega di ferro

e carbonio chiamata ghisa, ha luogo nell’alto forno. L’alto forno è un forno a tino di

grandi dimensioni: 8-10 metri di diametro massimo, 30 e più metri di altezza. Sono

di calore, usati per preriscaldare l’aria, alti circa

presenti anche 3 o 4 scambiatori

come il forno. L’altoforno è mantenuto in funzione per 24 ore al giorno, per 7 giorni

alla settimana. Dalla bocca, situata alla sommità del tino, viene introdotta la carica

solida, costituita da strati alterni di: minerale di ferro, coke siderurgico, fondente e

scorificante ( generalmente calcare). Alla base del forno, il metallo fuso, raccolto

nel crogiolo, viene versato in secchioni di colata, o siviere, di capacità tale da

contenere 300 t. Il ferro esce dal forno sotto forma di getto incandescente a

1500°C. La quantità spillata ogni volta dipende dalle dimensioni del forno. Nella

parte inferiore del tino ha luogo la formazione della scoria o della loppa.

QUINDI: Flusso controcorrente con CO e CO2 dalla combustione di aria

→CO2

preriscaldata. Il coke brucia con formazione di CO2: C+O2 (fornisce il 56%

del calore), L’anidride carbonica reagisce con l’eccesso di carbone: CO2 + C →

–

2CO 170 kj (24% del calore). Nella parte alta del forno la carica viene essiccata e

preriscaldata, oi, man mano che scende all’interno del forno, l’aumento di

temperatura del forno fa sì che il gas eserciti la sua zione riducente secondo le

reazioni: →

1. 3 Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2

→

2. Fe3O4 + CO 3 FeO + CO2

→

3. FeO + CO Fe +CO2

Il ferro prodotto dall’altoforno contiene circa il 5% di carbonio e risulta troppo fragile

per molte applicazioni. La maggior parte di questo carbonio deve essere rimosso e

così pure piccole quantità di altri elementi, quali fosforo, silicio e alluminio, perché il

materiale acquisti resistenza e flessibilità.

TIPOLOGIE DI LEGHE:

1. Acciai ipo-eutettoidici: < 0,8% C

2. Acciai eutettoidici: 0,8% C

3. Acciai iper- eutettoidici: > 0,8%

PRODUZIONE DELL’ACCIAIO:

L’acciao una volta ottenuto in forma liquida viene colato in stampi a creare quelli

che sono semilavorati che andranno ad essere successivamente lavorate per

deformazione plastica per otenere lastre tubi o fili.

–

ACCIAIO DIAGRAMMA DI FASE (EQUILIBRIO TERMODINAMICO)

Regioni gamma, alfa+ gamma e alfa+cementite

Da ricordare i numeri a memoria →

A1= retta corrispondente alla trasformazione di fase che a vviene a 727°C

temperatura eutettoidica

Acciai legati: Gli acciai legati sono particolari acciai in cui sono presenti altri

elementi oltre a ferro e carbonio, al fine di migliorarne le caratteristiche chimico-

fisiche.

La normativa definisce acciai legati quelle leghe Fe-C nei quali almeno uno dei

tenori degli elementi di lega supera il limite indicato nel prospetto I della UNI EN

10020.

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%

Vari elementi in lega con il ferro ne influenzano le proprietà, alcuni in maniera

positiva, altri in maniera negativa. La possibilità di legare l'acciaio con altri elementi

lo rende un materiale estremamente versatile

Acciai speciali: Gli acciai speciali contengono, oltre al ferro e al carbonio, altri

elementi (cromo, manganese, molibdeno, nichel, rame, silicio, tungsteno, piombo

…) in percentuale tale da produrre modifiche strutturali e originare nuove strutture.

Risultano modificate le caratteristiche e le proprietà fisiche, meccaniche e

tecnologiche.

Destinazioni d’uso:

Sono acciai al carbonio i cosiddetti acciai da costruzione, impiegati in edilizia per le

armature da calcestruzzo armato o per le carpenterie metalliche, sotto forma di vari

semilavorati:

• barre e reti elettrosaldate per calcestruzzo armato

• profilati laminati a caldo

• lamiere striate e bugnate

• lamiere grecate

• profilati formati a freddo

• tubi per condotte

• profilati per serramenti

• serrande

• grigliati

• lamiere stirate

• lamierini portaintonaco

TRATTRAMENTI TERMICI

A volte, la fase iniziale di un trattamento termico prevede un trattamento di

austenitizzazione. Tale processo consiste in un riscaldamento effettuato in modo

da ottenere una struttura inziale austenitica.I parametri di austenitizzazione sono:

✓ La temperatura di austenitizzazione

✓ La durata di austenitizzazione

L'austenitizzazione è una trasformazione di struttura cristallina degli acciai,

consistente nell'ottenimento nell'acciaio stesso di una struttura austenitica.

Poiché l'austenite è una forma cristallina metastabile, non può sussistere a

temperatura ambiente; l'austenitizzazione costituisce quindi la prima fase

dei trattamenti di:

• tempra, nel qual caso viene seguita da un rapido raffreddamento, volto

a congelare la struttura austenitica e far precipitare la lega ferro-carbonio in

forma di martensite.

• ricottura, quando è seguita da un raffreddamento più o meno lento, teso a

risolubilizzare l'austenite in ferrite e cementite.

RICOTTURA:

La ricottura di una lega metallica è un trattamento termico che consiste nel

riscaldamento ad una temperatura superiore a quella di austenitizzazione (A + 50-

c3

70 °C), seguito dalla permanenza di durata opportuna e da un lento raffreddamento

[1]

solitamente in forno. Deve conseguire uno o più dei seguenti obiettivi:

• equilibrio chimico: riduzione della segregazione minore;

• equilibrio strutturale: trasformazione delle fasi metastabili;

• equilibrio meccanico: riduzione delle tensioni residue

interne, incrudimento compreso.

Si utilizza prevalentemente su acciai e su rame per prepararli alle fasi successive

della lavorazione, rendendo il materiale più dolce e più omogeneo.

Nel caso dell'acciaio, si riscalda sino ad una temperatura poco superiore a quella di

austenitizzazione e si mantiene a tale temperatura per un tempo sufficiente a

trasformarlo completamente in austenite; segue poi un lento raffreddamento in

forno.

Tramite la ricottura viene alterata la microstruttura del materiale, causando

mutamenti nelle sue proprietà quali la flessibilità e la durezza. Il risultato tipico è la

rimozione dei difetti della struttura cristallina. Può avere anche lo scopo di

uniformare la composizione chimica dell'acciaio, in tal caso il riscaldamento è

eseguito ad una temperatura più elevata e per tempi più lunghi.

I processi che portano alle modifiche del reticolo cristallino durante la ricottura

hanno ispirato in informatica la tecnica della ricottura simulata (o simulated

annealing), che è una metaeuristica simile agli algoritmi genetici.

“trattamenti termici eseguiti con cicli diversi, caratterizzati essenzialmente da

riscaldamento a temperatura elevata, permanenza prolungata a tale temperatura e

successivo raffreddamento lento, sufficiente per determinare nella massa metallica

volute”

le trasformazioni

✓ attenuare gli effetti dovuti alla solidificazione, alla deformazione plastica, a

trattamenti termici precedenti

✓ conferire un definito stato di addolcimento

QUINDI:

➢ Ricottura completa → modesti valori di durezza, buona lavorabilità

➢ Ricottura di lavorabilità → migliora l’attitudine alla deformazione a freddo →

deformazione plastica

➢ Ricottura di globulizzazione (acciai a media e alta %C) → bassi valori di

durezza, buona lavorabilità

Ricottura completa o profonda:

Detta anche genericamente ricottura, essa è eseguibile sugli acciai dotati di punti di

trasformazione e consiste in:

• riscaldamento fino a Ac + 25-50 °C oppure Ac + 50-70 °C;

3 1

• sosta in tale condizione per circa 1 ora ogni 30-50mm di spessore;

• raffreddamento lento in forno (5-50 °C/h) fino alla formazione stabile di

ferrite, perlite o carburi (dopo l'intervallo critico): per acciai al carbonio o

debolmente legati vuol dire fino a 600 °C, per acciai molto legati anche

300 °C; in seguito si può raffreddare il pezzo più rapidamente in aria.

La struttura perlitica così raggiunta comporta l'addolcimento massimo e quindi

un'ottima lavorabilità a freddo. Lo svantaggio è costituito dall'ampia durata del

trattamento e dalla formazione di una struttura grossolana e non ben definita.

Ricottura di omogeneizzazione:

A differenza della precedente, non necessita di acciai con punti di trasformazione;

essa raggiunge risultati simili, ma si sottolinea soprattutto la sua necessità per

sciogliere eventuali fasi fragili presenti, ad esempio carb