Metallurgia e materiali non metallici

II.

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Lo scopo della ricottura è quello di omogeneizzare la struttura e la composizione chimica e di generare una

struttura grossolana e con bassa durezza, quindi con ottima deformabilità e buona lavorabilità da parte

delle macchine utensili.

Normalizzazione

Il riscaldamento e il mantenimento è uguale a quello della ricottura.

Raffreddamento: al termine del mantenimento si tira fuori il pezzo dal forno e si fa raffreddare ad aria

calma. La legge di raffreddamento è dell’ordine di 50-100° C/min ed è comunque considerato blando. Alla

fine si ottiene per gli acciai ipoeutettoidici Perlite e Ferrite, per gli acciai ipereutettoidici Perlite e Cementite

II. Però la struttura è fine e quindi la durezza più elevata rispetto alla ricottura e di conseguenza la

lavorabilità meno ottima (meno duttile). Non si ha un’omogeneizzazione completa della struttura chimica,

ma è comunque abbastanza omogenea e costa meno rispetto alla ricottura.

Tempra

Il riscaldamento e il mantenimento è uguale a quello della ricottura.

Raffreddamento: rapido, tale da consentire la formazione della martensite.

Alla fine si ottiene per gli acciai ipoeutettoidici Martensite, per gli acciai ipereutettoidici Martensite e

Cementite II.

Prima di sapere quale metodo utilizzare per raffreddare bisogna sapere che acciaio si sta utilizzando. I

metodi sono vari: ad acqua, ad olio, ad aria etc… Questo perché a seconda degli elementi di lega, le curve

CCT e TTT si spostano a destra o a sinistra e quindi potrebbe essere più facile o più difficile ottenere la

martensite.

Temprabilità:

Se si considera un pezzo molto piccolo, la traiettoria di raffreddamento della superficie è molto simile a

quella del cuore. Se il pezzo è grande, invece, la traiettoria di raffreddamento del cuore è molto più blanda

rispetto a quella della superficie. Più le curve CCT e TTT sono spostante a sinistra, meno il materiale è

temprabile.

Nell’esempio l’acciaio B è più temprabile.

La temprabilità quindi può essere vista anche come l’attitudine a spingere verso il cuore dei pezzi la

trasformazione martensitica.

La durezza della martensite è data dalla % di carbonio e non dal raffreddamento.

Per quantificare la temprabilità di un acciaio si utilizza

la prova Jominy. La prova consiste nel prelevare un

campione di materiale di forma cilindrica dall’acciaio

di cui si vuole misurare la temprabilità. Il provino, di

diametro 25mm e lunghezza 100mm, ha una

superficie di diametro maggiore in corrispondenza di

una delle due estremità. Il campione viene messo in

un forno alla temperatura di austenitizzazione. Dopo

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essere stato tolto dal forno, il provino viene inserito a in un supporto e ne viene colpita l’estremità libera,

detta estremità temprata, con un getto di acqua. I punti del campione subiscono un raffreddamento tanto

più drastico quanto più sono vicini all’estremità temprata. Alla fine si lavora il provino lungo una

generatrice (per fresatura si porta via una parete di superficie) e si fanno prove di durezza allontanandosi

via via dalla superficie temprata. I risultati ottenuti si mettono su di un grafico con la durezza (in ordinata) e

la distanza dall’estremità temprata (in ascissa). Dalle curve Jominy di due acciai è possibile stabilire quale

sia più temprabile: più la curva Jominy si mantiene orizzontale (a prescindere dal livello di durezza

raggiunto) più l’acciaio è temprabile. L’andamento della durezza lungo il provino Jominy è

paragonabile a quello che si osserva su un componente cilindrico

reale. La superficie del pezzo è paragonabile all’estremità

temprata del provino Jominy mentre il cuore ha una legge di

raffreddamento più simile alle zone lontane dalla superficie

temprata. Però la temprabilità dei cilindri non è sovrapponibile

alla curva Jominy.

Tensioni residue dopo il trattamento di tempra

Le tensioni su un materiale possono essere legate a processi lavorazione e non a forze esterne. Tali tensioni

prendono il nome di tensioni residue.

Dopo il trattamento di tempra, i materiali risultano tensionati poiché il trattamento genera un aumento di

volume. La superficie si trasforma in Martensite prima del cuore e quindi l'aumento di volume della prima è

libero, a differenza dell'aumento di volume del cuore che invece è ostacolato dalla martensite esterna. La

superficie va quindi in trazione e il cuore in compressione. A causa delle trasformazioni non sincrone in

Martensite nascono quindi tensioni residue nel pezzo. Questo genera problemi importanti perchè il pezzo

potrebbe rompersi. Le tensioni sono tanto maggiori, tanto più il mezzo di raffreddamento è drastico e

tanto più il pezzo è grande.

Sotto i punti critici

Si dividono in due tipologie:

- Ricottura subcritica;

- Rinvenimento.

Ricottura subcritica

Riscaldamento continuo, raffreddamento all'aria. Mantenimento a 550-600°C. Per gli acciai Ipoeutettoidici

(P+F) e per gli acciai ipereutettoidici (P+C) la perlite diventa globulare. Tale trasformazione implica un

addolcimento della struttura (abbassamento della durezza) e per questo viene anche detta ricottura di

lavorabilità o di addolcimento.

In seguito alla normalizzazione spesso viene eseguita anche la ricottura subcritica per rendere più lavorabile

il materiale. Tale processo è chiamato rigenerazione.

Invece se abbiamo un acciaio laminato a freddo, incrudito e quindi molto duro, possiamo fare una ricottura

subcritica per addolcire il materiale. Questo processo è detto invece ricottura di ricristallizzazione. Con tale

trattamento si riacquista duttilità poichè dai grani allungati si formano nuovi grani.

Rinvenimento

Dopo la tempratura la martensite dura e tensionata meccanicamente è fragile. Allora si fa anche il

rinvenimento per ridurre la durezza della martensite e le tensioni residue. La combinazione di questi due

trattamenti è detta bonifica. Si riscalda normalmente fino a 600 C e si raffredda in aria. Altri acciai vengono

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rinvenuti a temperature inferiori. Se l'acciaio è ipoeutettoidico si ha una struttura martensitica, mentre se è

ipereutettodici è costituito da martensite e cementite. Alla fine del trattamento la struttura non cambia ma

le tensioni si annullano. Un materiale scarico ha un margine maggiore prima dello snervamento per le forze

applicabili rispetto a un materiale con tensioni di trazione sulla superficie. Invece le tensioni di

compressione sulla superficie sono positive in quanto aumentano il margine di forze applicabili prima dello

snervamento. Più è elevata la temperatura di rinvenimento più si riduce la durezza e aumenta la resilienza

poichè durante il rinvenimento una parte di carbonio esce e il reticolo si assesta. Si ottiene martensite

rinvenuta e il carbonio crea con gli atomi di Ferro dei carburi. Bisogna sempre massimizzare la resilienza.

ACCIAI

Esistono molti metodi per classificare gli acciai. Il più importante é quello che segue la normativa e li divide

in due gruppi. Il primo, che classifica gli acciai in base alle caratteristiche di impiego, usa una lettera che

rappresenta l'impiego e un numero che indica la caratteristica importante per il determinato utilizzo. Per

esempio:

- B450 indica i tondini da cemento armato con carico di rottura R=450MPa.

- P265 indica lamiere per applicazioni in pressione con carico di snervamento Rs=265MPa.

- S355 indica applicazioni strutturali con carico di snervamento Rs=355.

- R260 indica l'acciaio per rotaie con durezza HB minima garantita uguale a 260.

- DD10 indica invece l'acciaio da profondo stampaggio e 10 è la classe di deformabilità.

- E255 indica gli acciai per le costruzioni meccaniche con carico di snervamento minimo Rs=255.

- M140-50A per acciai magnetici con particolari caratteristiche.

Tutti questi acciai non vanno ulteriormente lavorati con trattamenti termici.

Gli altri acciai rientrano nel secondo gruppo che raggruppa i materiali che vanno lavorati e di cui dobbiamo

conoscere solo la composizione chimica. Sono distinti in:

- acciai solo carbonio

- acciai debolmente legati

- acciai legati

Acciai solo carbonio sono designati con la lettera C seguita da un numero che indica la quantità nominale di

carbonio moltiplicata per 100. Per quantità nominale si intende una grandezza che indica un intervallo

stabilito dalla norma. Per esempio C40 indica una quantità di carbonio nell’intorno dello 0,4% (stabilito

dalla norma). All’interno del metallo ci sono anche residui del processo di fabbricazione.

Acciai debolmente legati sono designati da un numero, che indica la percentuale di carbonio moltiplicata

per 100, una sequenza di lettere, che indica gli elementi chimici significativi indicati in ordine decrescente, e

un altro numero che rappresenta la percentuale del primo elemento chimico moltiplicata per un certo

coefficiente che solitamente è 4 (che fa diventare interi le frazioni di 0,25). Alcuni esempi:

- 40NiCrMo7 0,4%C e 1,75% di Ni

- 42CrMo4 0,42%C e 1%Cr

non sono indicati tutti gli elementi di lega ma solo quelli che gli conferiscono le principali caratteristiche.

Ci sono alcune eccezioni: per il Mo il coefficiente moltiplicativo è 10, per P,S e N è 100 e per il B è 1000.

Per capire la % degli elementi non indicati si guarda la norma. Oppure se c’è il Mo sappiamo che questo

solitamente è presente con lo 0,2-0,3% quindi l’elemento prima è presente con una percentuale che è una

via di mezzo tra il primo elemento e il Mo.

Acciai legati (o alto legati) Lo sono tutti quegli acciai che presentano almeno un elemento di lega con un

tenore maggiore o uguale a 5. Sono indicati con una X seguita da un numero, che indica la percentuale di C

moltiplicata per 100, delle lettere, che rappresentano gli elementi di lega in ordine decrescente, e infine dei

numeri che indicano la percentuale nominale netta di tutti gli elementi indicati. Per esempio:

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- X5CrNi1810

- X3CrNiMo17122

- X35CrMoV511

- X210Cr13 -> 2,1%C e 13%Cr ma non è inossidabile anche se ha molto cromo (troppo C).

Gli acciai solo carbonio si temprano in acqua, invece quelli debolmente legati in olio perché grazie alle

leghe hanno le curve CCT e TTT spostate destra.

Famiglie di acciai

• Da costruzione di uso generico (acciai comuni) 75-80%

• Speciali da costruzione: 20-25%

- da bonifica;

- autotempranti;

- per molle;

- da cementazione;

- da nitrurazione.

• Per impieghi particolari: 3%

- Acciai inossidabili;

- Acciai per utensili;

- A