Appunti tecnologia dei materiali e chimica applicata

• ACCIAI A MEDIO TENORE DI CARBONIO

Presentano una concentrazione di carbonio compresa tra lo 0.25 e lo 0.60% in peso. Le loro

proprietà meccaniche possono essere migliorate tramite trattamenti termici di austenizzazione,

tempra e rinvenimento. Sono spesso utilizzati nel loro stato rinvenuto poiché presentano la

stessa microstruttura della martensite rinvenuta. Gli acciai a medio tenore di carbonio hanno

bassa temprabilità per cui il trattamento termico di tempra ha successo solo per sezioni molto

sottili e con velocità di raffreddamento elevata. Aggiungendo cromo, nichel o molibdeno, si

migliora la sensibilità al trattamento termico, per cui si può dare origine a molte combinazioni

resistenza-duttilità. Queste leghe, trattate termicamente sono più resistenti degli acciai a basso

tenore di carbonio, ma meno duttili e meno tenaci. Vengono implementati nelle ruote ferroviarie,

nei binari, per gli ingranaggi, per gli elementi strutturali delle macchine che richiedono resistenza

all'usura e alla corrosione.

• ACCIAI AD ALTO TENORE DI CARBONIO

Essi hanno un contenuto di carbonio compreso tra lo 0.60% e l’1.4% in peso. Essi sono i più duri, I

più resistenti, ma i meno duttili. Sono quasi sempre utilizzati nello stato indurito e rinvenuto,

poiché in tale stato sono particolarmente resistenti all'usura e perfettamente in grado di

mantenere intatta l’affilatura di un utensile. Gli acciai per utensili e per stampi sono leghe ad alto

contenuto di carbonio che contengono in genere anche cromo, vanadio, tungsteno e molibdeno.

Questi elementi, combinati con il carbonio, formano carburi duri e resistenti all’usura.

• CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI

Oltre al metodo designato in precedenza, gli acciai possono essere classificati in base a:

- Controllo tecniche produttive

- Composizione

- Proprietà

- Applicazione 65

• DESIGNAZIONE UNI EN 10027-1

È una designazione alfanumerica degli acciai. Essa è caratterizzata da 2 gruppi. Il gruppo 1

comprende acciai definiti in base all’impiego e alle caratteristiche meccaniche o fisiche. Il gruppo

2 definisce gli acciai in base alla loro composizione chimica. Gli elementi che compongono la

designazione alfanumerica per gli acciai del primo gruppo sono: gruppo acciaio, caratteristiche

meccaniche, resilienza e caratteristiche fisiche. Per il secondo gruppo ci si basa, invece, sulla

composizione chimica dell’acciaio. Sono infatti classificati in base alla quantità di elementi di altre

le leghe che sono presenti nell’acciaio. Abbiamo in questo modo gli acciai non legati (100%

carbonio), acciai legati con tenore di altri elementi in lega inferiore al 5%, acciai legati con

tenore di altri elementi in lega maggiore del 5%.

Classificazione tramite gruppo 1. Classificazione tramite gruppo 2

• ACCIAI INOSSIDABILI (ACCIAI INOX)

Sono acciai estremamente resistenti alla corrosione. Il loro elemento di lega principale è il cromo,

infatti per creare un acciaio inox è richiesta una concentrazione di cromo minima del 12% in peso.

La resistenza alla corrosione può essere migliorata mediante l’aggiunta di nichel e molibdeno. Gli

acciai inossidabili vengono classificati in base alla microstruttura, la quale dipende dalla

composizione della lega. Abbiamo quindi le seguenti classi:

- Martensitici

- Ferritici

- Austenitici

- Duplex (austeno-ferritici)

- Indurenti per precipitazioni 66

Gli acciai martensitici possono essere trattai termicamente in modo che il microcostituente

primario sia la martensite. Le aggiunte di elementi di lega in concentrazioni significative

producono rilevanti alterazioni nel diagramma di fase ferro-carburo di ferro. Sono magnetici.

Gli acciai inossidabili austenitici presentano oltre al cromo un’alta quantità di nichel. Per quanto

riguarda la transizione duttile-fragile gli austenitici non sono così sensibili alla temperatura, di

conseguenza anche a basse temperature il materiale risulta ancora molto duttile e con alta

resilienza.

Gli acciai inossidabili ferritici sono composti solo da grani di ferrite che possono essere

α

incruditi e poi ricristallizzati per ottenere grani fini. In essi il nichel è presente in piccole quantità a

vantaggio del cromo. La presenza del cromo modifica la temperatura di transizione duttile-fragile.

Sono magnetici.

Gli acciai inossidabili duplex presentano struttura austeno-ferritica e hanno egregie proprietà

meccaniche come alta resistenza a corrosione. Non sono molto utilizzati poiché molto costosi.

In generale gli acciai inossidabili sono frequentemente utilizzati a temperature elevate e in

ambienti aggressivi vista la loro resistenza all’ossidazione. Essi sono in grado di mantenere il loro

limite superiore di temperatura a circa 1000°C.

• LE GHISE

Per definizione le ghise costituiscono una classe di leghe ferrose che presentano una

concentrazione di carbonio superiore al 2.14% in peso. Nella realtà è raro trovare ghise con

concentrazione di carbonio non compresa tra il 3% e il 4.5% in peso. Dal diagramma ferro-carburo

si osserva che le leghe con questa concentrazione di carbonio hanno temperature di fusione

inferiori a quella degli acciai. Ciò significa che le ghise sono facili da fondere e da lavorare per

fusione. Inoltre la lavorazione per fusione risulta moto più conveniente delle altre dal momento

che alcune ghise sono molto fragili. La cementite è un composto metastabile che, in determinate

condizioni, si può dissociare e decomporre per formare ferrite e grafite in accordo con la

α Fe C = 3Fe(α) + C(gr a f ite)

relazione .

3

Pertanto il diagramma di equilibrio

ferro-carbonio non è quello presentato

nella figura 9.24, ma piuttosto quello

presentato nella figura 11.2. il

diagramma in figura 11.2 risulta esteso

fino al 100% in peso di carbonio, in

quanto la fase ricca di carbonio è la

grafite invece che la cementite al 6.7%

in peso di carbonio. La tendenza a

formare grafite dipende dalla

composizione e dalla velocità di

raffreddamento. Per esempio

temperature più basse durante la

solidificazione favoriscono la formazione della grafite. Per la maggior parte delle ghise il carbonio

è presente sotto forma di grafite. Analizziamo adesso vari tipi di ghise.

- Ghisa grigia: il contenuto di carbonio e di silicio varia rispettivamente nell’intervallo 2.5%-4.0%

in peso e 1%-3% in peso. Nella maggior parte di queste ghise, la grafite si presenta in forma di

fiocchi immersi in una fase o perlite. A causa dei fiocchi la superficie delle ghise grigie

α

assume un aspetto grigio. Dal punto di vista del comportamento meccanico, la ghisa grigia, per

la sua macrostruttura, risulta debole e fragile se sottoposta a trazione. Risultano invece resistenti

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e duttili se sottoposti a carichi di compressione. Sono molto efficaci nello smorzamento delle

vibrazioni. Sono molto resistenti all’usura. Allo stato liquido alla temperatura di fusione

presentano un’elevate fluidità. Variando la composizione e l'impiego di appropriati trattamenti,

si possono ottenere ghise grigie con microstrutture diverse.

- Ghisa duttile/nodulare: si formano aggiungendo una piccola quantità di magnesio e/o cerio

alle ghise grigie al momento della colata. Si attengono così microstrutture differenti e proprietà

meccaniche diverse. Presentano anch’esse una formazione di grafite, ma sotto forma di noduli

o particelle sferiche. La matrice che circonda tali particelle è costituita da perlite o ferrite, a

seconda del trattamento termico. Sono molto più resistenti e duttili rispetto alle ghise grigie.

- Ghisa bianca: nelle ghise a basso contenuto di silicio e ottenute con velocità di raffreddamento

elevata, la maggior parte di carbonio è presente sotto forma di cementite invece che di grafite.

La superficie di frattura di queste leghe ha un aspetto bianco lucente ed è per questo che

prendono il nome di ghise bianche. Può succedere che per alti spessori la ghisa bianca sia

presente solo in uno strato superficiale entro il quale sono realizzate condizioni di

raffreddamento rapido, mentre negli stati più interni, che si raffreddano più lentamente, si

forma la ghisa grigia. La presenza di una grande quantità di cementite rende le ghise bianche

estremamente dure e fragili, al punto da non esser lavorabili. Il loro utilizzo è limitato ad

applicazioni che richiedono superfici molto dure, resistenti all’usura e senza duttilità.

Generalmente le ghise bianche sono utilizzate come intermedi per la produzione di altre ghise,

le ghise malleabili. Riscaldando le ghise bianche a temperature comprese tra 800°C e 900°C

per periodi di tempo prolungati in atmosfera neutra, si ottiene la decomposizione della

cementite in grafite, che si separa in forma di raggruppamento. La microstruttura di una ghisa

malleabile è simile a quella delle ghise nodulari. Per questo hanno resistenza relativamente alta,

duttili e malleabili.

- Ghisa vermicolare: anche in esse il carbonio è presente sotto forma di grafite, la cui

formazione è promossa dalla presenza di silicio. Il contenuto di silicio varia da 1.7 a 3% in peso,

mentre quello di carbonio è normalmente compreso tra 3.1 e 4.0% in peso. La microstruttura è

intermedia tra quelle della ghise grigie e quelle nodulari. Per evitare la formazione di grafite a

spigoli vivi, che riduce la resistenza a frattura e fatica, si aggiungono concentrazioni di magnesio

e/o cerio.

• LEGHE NON FERROSE

Gli acciaio le leghe ferrose vengono utilizzati in grande quantità grazie all'ampio spettro di

proprietà meccanica che esse presentano. Ciononostante, presentano alcune limitazioni:

- Densità relativamente alte

- Conducibilità elettrica relativamente bassa

- Suscettibilità alla corrosione negli ambienti più comuni

Per applicazioni particolari si rende, perciò, necessario ricorrere ad altre leghe in grado di

presentare combinazioni di proprietà più convenienti. È opportuno distinguere tra le leghe da

lavorazione plastica e le leghe da fonderia. Le prime sono quelle che possono essere deformate

meccanicamente. Le altre, essendo fragili, sono impiegate per getti. Infine si dice che una lega è

trattabile a caldo quando le sue proprietà meccaniche possono essere migliorate mediante

indurimento per precipitazioni, o mediante trasformazione martensitica.

• RAME E LE SUE LEGHE

Il rame può formare leghe non ferrose che presentano una combinazione favorevole di proprietà

fisiche. Il rame non legato è tenero, duttile e difficile da lavorare alle macchine utensili, ma può

essere deformato a freddo in modo illimitato. È resistente alla corrosione e le sue proprie