Appunti completi del corso "Metallurgia e materiali non metallici"

Designazioni dell'acciaio

Esistono due tipi di designazioni per l'acciaio:

Designazione Numerica

Questa designazione indica il numero sequenziale dell'acciaio e il suo gruppo.

Designazione Alfanumerica

Questa designazione fornisce informazioni sull'applicazione dell'acciaio.

Gruppo 1

Gli acciai di questo gruppo sono designati in base all'impiego e alle caratteristiche meccaniche/fisiche. Sono comunemente utilizzati per scopi di costruzione. Se non hanno uno snervamento specificato, indicano una resistenza a snervamento minima. Se hanno uno snervamento specificato, indicano il grado di qualità dell'acciaio.

Stato di Fornitura

Le condizioni di fornitura dell'acciaio possono essere temprate (quenching) o rinvenute (tempering).

Gruppo 2

Gli acciai di questo gruppo sono designati in base alla composizione chimica e sono suddivisi in 4 sottogruppi.

Acciai non legati: contengono solo carbonio e seguono la normativa americana.

Acciai basso-legati: contengono elementi di lega tutti inferiori al 5%, ma di solito viene specificato il tipo di lega utilizzata.

Riportato solo il numero dell'elemento presente in maggiore quantità in massa:

Fragilità da rinvenimento, di solito avviene in acciai al solo cromo. Per evitare ciò viene aggiunto del molibdeno, che deve essere 1/4 o 1/5 della percentuale di cromo.

Acciai alto-legati almeno un elemento ha una percentuale superiore al 5%. Un acciaio insossidabile ha almeno il 12% di Cromo. Visto che le percentuali degli elementi di lega sono elevate, si fa a meno dei fattori moltiplicativi.

Indica che è alto-legato. Di solito la percentuale di carbonio è circa 1%, e quella del cromo 4%.

Acciai rapidi spesso contengono tungsteno in quantità elevate (~18%), molibdeno, vanadio, cobalto. Quindi visto che il carbonio e il cromo hanno più o meno sempre le stesse concentrazioni, si omettono.

Indicano in ordine le percentuali di W - Mo - V - Co. Il cobalto sposta le curve CTT verso sinistra. Se uno degli elementi non è presente, si segna 0. Hanno il cobalto.

raggiungono alte velocità di lavorazione

Acciai superrapidi:

per applicazioni strutturali

Resilienza

Acciai da Costruzione ad uso Generale

Devono poter essere saldabili, quindi hanno poco carbonio. Sono detti acciai dolci.

Non serve che si faccia un trattamento termico.

Devono avere una buona tenacità, e una buona duttilità.

Hanno caratteristiche medie.

I volumi di produzione sono molto elevati.

Devono costare poco.

Gli acciai dolci hanno uno snervamento elevato

resistenza a snervamento del materiale

Migliorare il grado di qualità significa aumentare la tenacità e la resilienza.

Peggiorano la tenacità:

• L'aggiunta di carbonio (e silicio):
• aumenta il carico di snervamento
• aumenta la temperatura di transizione duttile-fragile, quindi c'è un maggior rischio di rottura fragile.

Formazione di precipitati: aumenta il carico di snervamento, ma modifica la temperatura di transizione, quindi spesso viene abbinato ad altre lavorazioni.

Migliorano la

tenacità: L'aggiunta di manganese migliora la tenacità del materiale, quindi abbassa la temperatura di transizione duttile-fragile. La stessa cosa la fa il nichel. Per questi acciai è importante avere una struttura fine, perché aumenta tanto Rp02. Struttura a bande: Saldatura Giunzione permanente tra due parti realizzando la continuità metallica, cioè con la stessa microstruttura La più comune è la saldatura per fusione. pozza di fusione Si mettono a contatto due pezzi, e si scaldano i bordi. Una volta che si è raffreddato i due pezzi risultano uniti, ma rimane traccia della saldatura. Però così non si ha più la microstruttura che si aveva inizialmente. La crescita è tanto più veloce meglio sono orientati i grani. La condizione più favorevole è quando i grani sono perpendicolari alla direzione di estrazione del calore. Un altro tipo di saldatura è quella con del metallo daapporto: cioè si salda con un altro materiale. La saldatura lascia il materiale con una microstruttura non omogenea, e diversa da quella iniziale. Questo perché in prossimità della zona di saldatura sono state raggiunte temperature differenti, possiamo quindi individuare 3 zone: - Zona Fusa: se si salda con un terzo materiale, è possibile lavorare sulla sua microstruttura per migliorare il risultato della saldatura. - Zona Termicamente Alterata: è la zona più critica, perché non si riesce ad intervenire come prima. In questa zona il metallo è quello base, ma essendo stato riscaldato, ha perso le proprietà del resto del pezzo. È non omogenea, posso avere diversi tipi di microstrutture. - Metallo Base: non ha subito alterazioni. La formazione di una struttura martensitica è critica perché: - è molto fragile - non si può rinvenire una volta saldata La zona di fusione tende a contrarsi durante ilIl raffreddamento, quindi ci sarà una trazione tra i due pezzi. Per questo avere un materiale troppo fragile non è ideale, perché si possono formare delle cricche. Quindi se voglio una struttura non martensitica, devo prendere un acciaio poco temprabile. Non si vogliono curve CCT troppo spostate verso destra (dove sarebbe più facile avere martensite), quindi bisogna stare attenti alla composizione. Se rallento il raffreddamento, avrò meno martensite. La saldabilità di un acciaio può essere valutata da un indice di composizione chimica: il carbonio equivalente: - Ceq < 0,4: gli acciai sono saldabili e non si hanno problemi di saldatura - 0,4 < Ceq < 0,6: gli acciai sono poco saldabili, occorrono delle precauzioni - Ceq > 0,6: gli acciai sono difficilmente saldabili, o per niente saldabili Quindi gli acciai per essere saldabili devono avere poco carbonio. Acciai Speciali da Costruzione Devono possedere elevate caratteristiche meccaniche: Rm, Rp02.

E limite di fatica elevati, ma anche allungamento a rottura e tenacità accettabili. Tali caratteristiche meccaniche vengono ottenute grazie a:

• Composizione chimica
• Trattamenti Termici o termochimici: di solito si sfrutta la tempra seguita dal rinvenimento.

La composizione chimica è importante per definire la temperatura del ciclo termico, per esempio la temperatura di austenitizzazione. Sono acciai al solo carbonio, o acciai basso-legati. Si possono distinguere in 5 classi:

1. Acciai da bonifica: con caratteristiche meccaniche molto elevate, sono i più generici
2. Acciai autotempranti: se anche vengono raffreddati in aria, possono prendere tempra
3. Acciai per molle
4. Acciai da cementazione
5. Acciai da nitrurazione

L'obiettivo degli ultimi due è quello di migliorare le proprietà meccaniche, aumentando la resistenza a usura e a fatica del pezzo. Un esempio di utilizzo è quello degli ingranaggi.

Acciai da Bonifica

Ciclo base:

1. Normalizzazione + Ricottura di lavorabilità (fatta appena sotto A1 dell'acciaio, questo migliora la tenacità, ma riduce un pochino la durezza)
2. Sgrossatura di macchina: durante questa fase si lascia del sovrametallo, cioè non si raggiunge subito la dimensione del pezzo. Lo si fa perché poi si farà una tempra e poi un rinvenimento, e possono capitare delle distorsioni. Con il sovrametallo siamo sicuri di poter rimediare.
3. Tempra
4. Rinvenimento: a 600°C
5. Finitura: si porta il pezzo alla misura corretta

Altri Acciai

Per gli altri acciai il ciclo è molto simile:

• Per gli autotempranti e quelli per molle cambia solo la temperatura di rinvenimento.
• Invece per gli acciai da cementazione e da nitrurazione ci sono dei processi in più.

I diversi tipi di acciai si possono riconoscere dalle diverse composizioni chimiche. Per riconoscerli bisogna guardare le concentrazioni degli elementi in rosso. La differenza tra autotempranti e da bonifica

è che negliautotempranti la somma delle percentuali di Cr Ni e Moè superiore al 5% (e inferiore al 7%)

In realtà ci possono essere acciai da nitrurazioneche non hanno alluminio

La differenza tra autotempranti e da bonifica è che negliautotempranti la somma delle percentuali di Cr Ni e Moè superiore al 5% (e inferiore al 7%)

Più elementi di lega ci sono, maggiori saranno le caratteristiche meccaniche.

Cerchiamo acciai temprabili, e gli acciai più temprabili sono infatti quelli con più elementi di lega.

L'aggiunta di elementi di lega inoltre sposta le curve CTT verso destra, e questo permette di ottenere una struttura martensiticaanche con raffreddamenti più lenti, e questo è utile sia per evitare distorsioni dovute a raffreddamenti troppo rapidi, sia perchécosì si possono temperare anche pezzi di dimensioni maggiori, perché il cuore ha più tempo per raffreddarsi.

Però avere molti

elementi di lega aumenta i costi. Andando verso il basso abbiamo acciai sempre più legati, e sempre con maggiore temprabilità. Si può osservare che nella colonna del mezzo temprante si parte dall'acqua, e verso la fine viene indicato solo olio e anche aria. Questo perché come detto prima non sono necessari raffreddamenti velocissimi, e quindi si possono usare mezzi tempranti meno drastici. È l'unico acciaio che può essere sia da bonifica che autotemprante. Dipende dalla temperatura di rinvenimento.

Per acciai da bonifica:

• Limite di fatica

Acciai autotempranti:

• Acciai che durante il raffreddamento in aria raggiungono il 50% di martensite.
• Hanno molti elementi di lega.
• Dopo la ricottura non devo avere struttura martensitica.
• Le curve CCT di questi acciai non devono essere sposate troppo verso destra perché altrimenti otterrei una struttura martensitica anche dopo raffreddamenti in forno tramite ricottura.
• Non devono neanche essere spostate troppo

Verso sinistra perché altrimenti la tempra in aria non porterebbe ad una struttura martensitica. L'aggiunta di Nichel fa spostare le curve verso destra. Il rinvenimento si fa a 150/180°C perché c'è un piccolo aumento di Rp02. Si cerca di scegliere una situazione in cui si possa avere la miglior combinazione di Rp02 e di allungamento percentuale.

Resilienza. Di solito per gli acciai la temperatura di esercizio è almeno 50°C inferiore a quella dell'ultimo trattamento. Questo evita che ci possa essere un'ulteriore ricristallizzazione, cambiando nuovamente le caratteristiche del materiale.

Acciai per Molle. Le molle sono componenti elastici. Richiedono un elevato limite elastico e limite a fatica. L'allungamento percentuale minimo richiesto (A%) è del 6%. Non bisogna