Appunti completi metallurgia

Temprabilità

La temprabilità di un acciaio è la sua attitudine a prendere tempra all'interno del pezzo (ovvero a formare martensite).

Quale importanza ha questo concetto?

Durante la fase di raffreddamento post tempra di un acciaio, il pezzo in questione non si raffredda uniformemente su tutta la sua sezione: la parte esterna (superficie/zone epidermiche) si raffredderà più rapidamente in quanto si trova a diretto contatto con il mezzo temprante; la parte interna (il "cuore" del pezzo) invece si raffredderà per conduzione (fenomeno di raffreddamento più lento rispetto alla convezione, che interessa la parte superficiale del pezzo); questo porterà a una difformità di raffreddamento tra la superficie e il cuore del pezzo.

In questo modo procedendo con il raffreddamento, si otterrà una struttura esterna interamente martensitica (che presenterà i rispettivi vantaggi) e una struttura...

interna che ancora si presenterà come austenite instabile, perché starà subendo un raffreddamento più lento. La formazione del reticolo martensitico avviene per dilatazione volumetrica; le zone epidermiche del pezzo tendono quindi ad espandersi sia verso l'esterno, sia verso l'interno. Espandendosi all'interno vanno a comprimere il cuore del pezzo che si trova ancora in fase di austenite instabile (in grado quindi di essere facilmente deformata); col procedere del raffreddamento anche il cuore, trasformandosi in martensite, tenderà ad espandersi andando a scontrarsi con lo strato più esterno, ormai solidificato. Questo "scontro" porta alla formazione di tensioni interne: 1. di trazione nella parte esterna del pezzo; 2. di compressione nella parte interna del pezzo; se il raffreddamento non è stato troppo drastico, al termine del trattamento termico si ha uno stato di tensione interna al pezzo che si auto-bilancia tra

tensioni di trazione e compressione. Quando invece, le tensioni residue al termine del raffreddamento raggiungono livelli eccessivi (causa: un raffreddamento troppo veloce), si può incorrere nei due problemi citati prima: le DISTORSIONI da TEMPRA o la ROTTURA da TEMPRA.

Riuscire ad eseguire una tempra integrale, cioè riuscire a spingerla fino al "cuore", su un pezzo meccanico porta principalmente due benefici:

1. si ottiene una struttura finale più omogenea, che aumenta di conseguenza le caratteristiche meccaniche fino all'interno della sezione;
2. si riducono al minimo le tensioni residue da tempra dovute al rapido raffreddamento;

Come aumentare la temprabilità di un acciaio? Sappiamo che l'aggiunta di elementi di lega nell'acciaio comporta una modifica alle curve CCT di quest'ultimo; le curve si spostano verso destra e verso il basso. Lo spostamento verso destra è quello che condiziona maggiormente la temprabilità.

Per tale motivo, ai fini di aumentare la temprabilità di un acciaio, bisogna aumentare la percentuale degli elementi di lega, compreso il carbonio. DESIGNAZIONE DEGLI ACCIAI Designare un acciaio significa: attribuirgli una sigla che permetta di identificarlo inequivocabilmente. La designazione degli acciai prevede anzitutto una distinzione in due gruppi: acciai del GRUPPO 1 e acciai del GRUPPO 2. • Gli acciai del GRUPPO 1 vengono designati in base al loro impiego e non in base alle caratteristiche meccaniche minime garantite per quell'impiego. Non sono generalmente sottoposti a trattamenti termici e vengono direttamente impiegati come venduti dal produttore. Non subiscono particolari trattamenti termici nemmeno da parte del produttore perché devono mantenere costi ridotti e perché hanno caratteristiche meccaniche sufficienti per l'impiego per cui sono stati progettati. Questi acciai vengono designati con una lettera seguita da un numero (es: X nnn): la lettera sta ad indicare

L'impiego per cui sono progettati, mentre il numero indica il valore di una caratteristica resistenziale minima garantita (es: durezza o carico unitario a snervamento); questi acciai vengono ulteriormente classificati in 3 sottoclassi: bassa, media e alta resistenza, in accordo con la loro resistenza meccanica. Ciò che varia non è la % di carbonio, bensì quella di silicio e manganese:

1. bassa resistenza: % silicio < 0,4;
2. media resistenza: 0,4 < % silicio < 0,8;
3. alta resistenza: 0,8 < % silicio < 1,6 e 1,65 < % manganese.

Gli acciai del GRUPPO 2 sono adatti ai trattamenti termici e vengono designati in base alla loro composizione chimica. In questo gruppo di acciai ci sono 3 tipologie di acciai, designati con sigle differenti.

Come si designano gli acciai del GRUPPO 2?

ACCIAI AL SOLO CARBONIO:

1. C nn;
2. C: indica appunto che l'acciaio è al solo carbonio;
3. nn: numero che rappresenta il tenore medio di carbonio presente nella

La formulazione chimica dell'acciaio è la seguente: ACCIAI DEBOLMENTE LEGATI2. : nn XX YY m; questi acciai hanno una formulazione chimica dove tutti gli elementi di lega hanno tenori percentuali minori al 5%. nn: percentuale effettiva di carbonio presente in lega, moltiplicata per 100; XX, YY: rappresentano le sigle degli elementi di lega volutamente aggiunti; l'ordine con cui sono posti è un ordine decrescente in base alla % con cui sono presenti in lega; m: numero, che diviso per un determinato fattore, indica il tenore % del primo elemento di lega presente in sigla, partendo da sinistra; nel nostro caso il valore di quel fattore è 4. Per gli ACCIAI ALTAMENTE O FORTEMENTE LEGATI3. : X nn YY ZZ m1 m2; questi acciai devono contenere almeno un elemento di lega con tenore medio percentuale superiore o uguale al 5%. X: indica che l'acciaio in questione è della categoria degli acciai fortemente legati; nn: percentuale effettiva di carbonio presente in lega, moltiplicata per 100; YY, ZZ: rappresentano le sigle degli elementi di lega volutamente aggiunti; m1, m2: numeri che indicano il tenore % degli elementi di lega presenti in sigla.

Percentuale effettiva di carbonio presente in lega, moltiplicata per 100;

YY, ZZ: rappresentano le sigle degli elementi di lega volutamente aggiunti; l'ordine con cui sono posti è un ordine decrescente in base alla % con cui sono presenti in lega;

m1, m2: numeri finali, separati da un punto o da uno spazio che indicano la percentuale effettiva (in questo caso il fattore di divisione è = 1) dell'elemento primo a sinistra scritto in sigla (e di tutti gli altri a seguire se vi è più di un numero).

N.B. : nella composizione chimica di un acciaio (indipendentemente dalla categoria a cui appartiene), sono sempre presenti soglie minime residuali di elementi come silicio (Si) e manganese (Mn); la presenza di questi elementi è dovuta al ciclo di fabbricazione dell'acciaio, durante il quale vengono inseriti. Sono dunque elementi residui di fabbricazione che non compaiono nella formula chimica (finché sono presenti in soglie poche consistenti:

< 0,5%). Spesso nella formula chimica compaiono anche elementi nocivi come zolfo (S) e fosforo (P) che rimangono intrappolati e sono difficili da eliminare sotto una certa soglia. Lo zolfo causa fragilità dell'acciaio peggiorandone le caratteristiche di deformabilità. Il fosforo peggiora in maniera molto sensibile la tenacità del materiale.

CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI DEL SECONDO GRUPPO

Gli acciai del secondo gruppo, ovvero quelli che vengono sottoposti a cicli termici per ottimizzarne le proprietà, possono essere a loro volta classificati in 5 sottocategorie. Come viene fatta questa suddivisione? La suddivisione sarà basata sulle lavorazioni e sui cicli termici che questi acciai subiranno per andare a svolgere la funzionalità per cui sono progettati. Le cinque sottocategorie sono:

1. acciai da bonifica
2. acciai autotempranti
3. acciai da cementazione
4. acciai da nitrurazione
5. acciai per molle

ACCIAI DA BONIFICA

Gli acciai da bonifica, come dice

il cui contenuto di carbonio è più elevato. Questo perché il carbonio aumenta la durezza dell'acciaio durante il trattamento termico di bonifica. Tuttavia, acciai con una percentuale di carbonio troppo alta possono essere più difficili da lavorare. Durante il processo di bonifica, l'acciaio viene sottoposto a un trattamento di tempra, che consiste nel riscaldare l'acciaio a una temperatura elevata e poi raffreddarlo rapidamente. Questo processo conferisce all'acciaio una maggiore resistenza meccanica. Successivamente, l'acciaio viene rinvenuto, ovvero riscaldato a una temperatura inferiore (solitamente intorno ai 600 °C). Questo processo riduce la durezza dell'acciaio e aumenta la sua tenacità. In conclusione, la bonifica è un trattamento termico che conferisce all'acciaio una buona resistenza meccanica e tenacità. La percentuale di carbonio influisce sulle caratteristiche dell'acciaio e può influenzare anche il costo e la lavorabilità dell'acciaio.

debolmente legati, perché oltre al carbonio, intervengono anche gli altri elementi di lega a migliorarne le proprietà. La presenza di numerosi elementi di lega infatti:

• aumenta la temprabilità e quindi la possibilità di spingere la struttura martensitica fino a "cuore";
• formano molti carburi fini e dispersi in tutto il reticolo, in grado di bloccare le dislocazioni e di conseguenza, aumentando le caratteristiche resistenziali della martensite rinvenuta;

Tra gli elementi di lega aggiunti si possono avere:

• cromo (Cr): il cromo ha la capacità di spingere le curve CCT verso destra (questo implica un aumento della temprabilità) ed inoltre può formare carburi in fase di rinvenimento (e questo comporta un aumento della durezza);
• nichel (Ni): come il cromo, ha la capacità di aumentare la temprabilità, ed inoltre ha un ruolo tenacizzante;
• molibdeno (Mo): anche il molibdeno influisce sulla temprabilità,

aumentandola; come ilcromo è in grado di formare carburi; il motivo principale per cui però viene aggiunto, è quello di sconfiggere la fragilità da rinvenimento (malattia di Krupp);

Malattia di Krupp: alcuni acciai da bonifica, nell'intervallo di temperatura 400-450 °C (raffreddati lentamente attraverso quest'intervallo o posti in esercizio a tale temperatura), presentano un forte infragilimento dovuto alla formazione di precipitati infragilenti ai bordi dei grani cristallini. Questi ostacolano il movimento delle dislocazioni e quindi la possibilità di deformazioni plastiche. Questi precipitati generano una rottura di tipo fragile intergranulare (riconoscibile perché senza deformazioni della superficie e caratterizzata da brillantezza).

Ciclo tecnologico di un acciaio da bonifica:

• rigenerazione (normalizzazione + ricottura di lavorabilità)
• lavorazione MU di sgrossatura
• bonifica (tempra + rinvenimento)