Tecnologia dei materiali e chimica applicata

σ=E⋅ε

 dove E è il modulo di Young, che per gli acciai strutturali è circa 200 GPa.

 Il limite superiore di questa fase è il limite di snervamento (σy), che negli acciai

dolci è tipicamente 250-400 MPa.

 Se il carico viene rimosso in questa fase, l’acciaio ritorna alla sua forma originale

senza deformazioni permanenti.

Snervamento (~0,2 - 2% di deformazione)

 In alcuni acciai dolci, si osserva un plateau di snervamento, con uno sforzo

quasi costante mentre la deformazione aumenta.

 Per gli acciai strutturali, il limite di snervamento è intorno a 300 MPa.

 Dopo lo snervamento, il materiale entra nella fase plastica e subisce

deformazioni permanenti.

3. Fase plastica (~2 - 20% di deformazione)

 Dopo il limite di snervamento, la resistenza dell’acciaio aumenta grazie

all’indurimento per deformazione, fino a raggiungere il carico massimo

(σu\sigma_uσu), che può variare tra 400-800 MPa a seconda del tipo di acciaio.

 La deformazione può arrivare fino al 20% prima della rottura negli acciai duttili.

Rottura (~20 - 40% di deformazione)

 Dopo il carico massimo, si verifica il necking (riduzione della sezione trasversale

del provino).

 Lo sforzo diminuisce fino al punto di rottura, che può avvenire tra 5% e 40% di

deformazione totale, a seconda del tipo di acciaio:

Acciai duttili (basso tenore di carbonio): Deformazione a rottura > 25%.

o Acciai altoresistenziali: Deformazione a rottura 10-20%.

o Acciai fragili (es. acciai temprati): Deformazione a rottura < 5%.

o

Esempi di valori per diversi tipi di acciaio

σy\sigma_yσy σu\sigma_uσu Deformazione a

Tipo di acciaio (MPa) (MPa) rottura (%)

Acciaio dolce (S235) 235 370 25-40%

Acciaio strutturale 355 510 20-30%

(S355)

Acciaio inossidabile 250 600 40-50%

(AISI 304)

Acciaio altoresistenziale 500 700-900 10-20%

Acciaio temprato 800+ 1000+ <5% (fragile)

Trattamenti termici

Opportuni trattamenti termici possono modificare le microstrutture e quindi le proprietà

degli acciai senza alterarne la composizione. Il ciclo termico deve essere attentamente

controllato in sede di produzione. La conoscenza dei suoi effetti mette l’utente in grado

di valutare il rischio di trattamenti termici accidentali anche se localizzati.

Ricottura

 Obiettivo: Rilassare le tensioni interne, ridurre la durezza e migliorare la

lavorabilità.

 Procedura: L’acciaio viene riscaldato a temperature comprese tra 500-900°C, a

seconda del tipo di ricottura, seguito da un raffreddamento lento in forno.

 Tipologie:

Ricottura completa: Rende l’acciaio più duttile e lavorabile.

o Ricottura di distensione: Riduce le tensioni interne senza alterare la

o struttura.

Ricottura sferoidale: Favorisce la formazione di carburi globulari per

o migliorare la lavorabilità.

Normalizzazione

 Obiettivo: Raffinare la grana del materiale per migliorare le proprietà meccaniche

e l’omogeneità.

 Procedura: Riscaldamento tra 800-950°C, seguito da raffreddamento in aria.

 Risultato: Aumenta la resistenza meccanica e la tenacità, utile per acciai da

costruzione.

Tempra

 Obiettivo: Aumentare la durezza e la resistenza all’usura.

 Procedura: Riscaldamento a 800-1000°C, seguito da un raffreddamento rapido in

acqua, olio o gas.

 Effetto: Trasformazione della microstruttura in martensite, molto dura e fragile.

 Problema: Aumento della fragilità, spesso mitigato con un successivo

rinvenimento.

La tempra avviene riscaldando l’acciaio, seguito da uno shock termico. Questo shock

termico porta alla trasformazione rapida da austenite a ferrite α. Il reticolo cristallino,

quindi, deve passare velocemente da CFC a CCC, diminuendo le dimensioni ed

espellendo il carbonio. Durante lo shock, l’acciaio torna ad avere ferro a corpo centrato,

ma il carbonio non riesce ad uscire, provocando una deformazione del reticolo e

posizionandosi a metà dei lati verticali e al centro delle facce superiore e inferiore. Il

prodotto della tempra è la MARTENSITE.

Cosa succede alle resistenze meccaniche durante la tempra?

Durante il procedimento di tempra, le resistenze meccaniche aumentano molto, ma non a

causa del movimento delle dislocazioni, ma per la formazione della martensite, quindi

dal nuovo reticolo cristallino.

Il mezzo temprante più classico è l’acqua, ma è anche piuttosto inefficiente, poiché si

viene a creare una nuvola di vapore che isola termicamente, rendo meno efficiente il

processo di tempra. Per ovviare al problema del vapore si creano soluzioni acquose che

creano meni vapore o si usano oli minerali che abbiano però un basso livello di

infiammabilità. Il processo di tempra porta però ad un acciaio inutilizzabile poiché la

duttilità è pari a 0. Per ovviare a questo problema si effettua un RINVENIMENTO.

Tempra+rinvenimento= bonifica dell’acciaio. Con il rinvenimento si riscalda la

martensite ottenendo caratteristiche diverse a seconda degli intervalli di temperatura

presi come riferimento.

Rinvenimento

 Obiettivo: Ridurre la fragilità della martensite senza perdere troppa durezza.

 Procedura: Riscaldamento tra 150-700°C, seguito da un raffreddamento lento.

 Effetto: Rende l’acciaio più tenace e resistente agli urti.

Trattamenti Termici Superficiali

Questi trattamenti modificano solo lo strato superficiale dell’acciaio, mantenendo un

nucleo più duttile e resistente agli urti.

Tempra Superficiale

 Obiettivo: Indurire solo la superficie mantenendo il nucleo più tenace.

 Metodi:

Tempra a induzione: Riscaldamento rapido con un campo

o elettromagnetico e successivo raffreddamento rapido.

Tempra alla fiamma: Riscaldamento localizzato con fiamma

o ossiacetilenica (aria + acetilene) e raffreddamento immediato. La

superficie, quindi, diventa martensite dopo aver effettuato la tempra. Viene

poi effettuato un modesto rinvenimento, che non intacca la parte interna.

Cementazione

 Obiettivo: Aumentare la durezza superficiale introducendo carbonio.

 Procedura: Il pezzo viene riscaldato tra 850-950°C in atmosfera ricca di

carbonio. Può essere solida, liquida o gassosa. Si effettua con acciai che non

superano 0,2% di C. Sulla superficie si solubilizza C fino a raggiungere 0,8-0.9%.

oltre questa percentuale si perdono le proprietà meccaniche dell’acciaio. Dopo la

solubilizzazione si fa tempra e rinvenimento.

 Effetto: Lo strato superficiale diventa più duro, mentre il nucleo rimane tenace.

 Applicazioni: Ingranaggi, alberi motore.

Nitrurazione

 Obiettivo: Indurire la superficie senza necessità di tempra successiva.

 Procedura: Diffusione di azoto sulla superficie a 500-600°C per molte ore.

 Effetto: Creazione di uno strato superficiale molto duro, resistente all'usura e alla

corrosione.

 Vantaggio: Nessuna deformazione del pezzo.

Cementazione solida: Cementazione liquida Cementazione gassosa

900°- 920° 800°- 850° 920°- 950°

Costo: basso Costo: medio Costo: alto

Pericolo: basso Pericolo: alto (cianuri) Pericolo: basso

Velocità: lento Velocità: veloce Velocità: medio

Controllo: basso Controllo: medio Controllo: alto

I pezzi da cementare I pezzi da cementare È la più diffusa e consiste

vengono posti in cassette di vengono immersi in bagni nel riscaldare i pezzi in una

acciaio inox contenenti di Sali fusi quali cianuro di corrente gassosa, di solito è

carbone di legna, carbonato sodio, carbonati e cloruri metano CH4, che a

di bario e carbonato di alcalini e di bario. Il contatto con CO2 e O2,

calcio. Il tutto viene quindi cianuro di sodio reagisce libera CO. La

scaldato a 900°-920°, con l’aria formando ossido cementazione gassosa ha il

temperatura dove di carbonio che entrando a vantaggio di sopprimere la

avvengono le reazioni. contatto con il ferro cementazione solida che

CaCO3 CaO+CO2 scioglie il carbonio fino crea sporcizia e soprattutto

alla percentuale desiderata. può avvenire una tempra

BaCO3 BaO+CO2 diretta senza dover

La prima avviene quasi riscaldare ulteriormente i

immediatamente, la pezzi.

seconda è più lenta e

garantisce la presenza di

CO2 nel tempo. La CO2

reagisce con il C del legno.



C + CO2 2CO

Al contatto di CO con il

pezzo, il carbonio

formatosi si scioglie sul

pezzo, fino a raggiungere

una % del 0,8-0,9.

Carbonitrurazione

 Obiettivo: Combinare i vantaggi di cementazione e nitrurazione.

 Procedura: Il pezzo viene trattato in atmosfera di carbonio e azoto a 800-900°C.

 Effetto: Superficie dura e resistente all’usura, con un nucleo tenace.

CEMENTO

Il cemento è un materiale legante e ha quindi proprietà di coesione (le molecole dei

legami si uniscono) e di adesione (i legami devono aderire ad un supporto).

I leganti si dividono in organici e inorganici

 Leganti organici: derivano da molecole organiche come il petrolio (tutte le

molecole contenenti almeno un atomo di C e di H si dicono organiche), bitume,

colle, pitture ecc..

 Leganti inorganici: derivano da molecole inorganiche e sono di due tipi: aerei e

idraulici. L’unica differenza si ha nel fatto che i leganti aerei induriscono all’aria,

quelli idraulici all’aria e all’acqua. Entrambi i leganti si presentano sotto forma di

polveri (ordine del micron 10^-6 m), alle quali vengono aggiunte acqua + agenti.

L’impasto che si formerà è inizialmente liquido e, dopo circa 45 min, risulterà

viscoso/pastoso. Inizia quindi la presa del legante. Dopo circa 10/12h la

consistenza plastica sparisce e inizia l’indurimento, fase in cui si sviluppano le

resistenze meccaniche.

- Aerei: calce (bianca), gesso (bianco)

- Idraulici: cemento (grigio), calce idraulica (bianca)

1. Cemento + acqua= pasta di cemento/ boiacca

2. Cemento+ acqua+ aggregato fine (sabbia) = malta (usata per muratura e intonaci)

3. Cemento+ acqua + aggregato grosso ( ghiaia o pietrisco) = calcestruzzo

calcestruzzo armato: vengono aggiunti tondini di acciaio per rendere più duttile

il materiale, che di per sé è fragile.

Ai tempi dei romani si conosceva soltanto la calce, ma data l’attività del vesuvio i

romani iniziarono ad usare la pozzolana (pietra vulcanica) miscelandola con la calce,

dando vita alla calce idraulica/ cemento armato.

Il cemento Portland è il tipo di cemento più utilizzato nel mondo delle costruzioni. È un

materiale legante idraulico, ovvero fa presa e indurisce a contatto con l'acqua,

sviluppando resistenza nel tempo.

Composizione

Il cemen