Progettazione Strutturale 1M

Metalli e leghe: caratteristiche e produzione

Con il termine “metalli” vengono definiti quegli elementi chimici i cui atomi si uniscono tra loro in una struttura cristallina con atomi liberi. I metalli sono deformabili e possiedono generalmente superfici brillanti. A causa dell’elevata conducibilità termica, sono freddi al tatto, ma assorbono le radiazioni solari producendo un forte riscaldamento.

Acciaio e ghisa

L’acciaio è una lega di ferro e carbonio che contiene una percentuale di carbonio inferiore al 2% e più piccole quantità di altri elementi come il silicio, il manganese, lo zolfo e il fosforo, nichel e cromo. Le percentuali di altri elementi chimici, anche in valori minimi, influenzano considerevolmente le proprietà dell’acciaio, ad esempio il comportamento alla corrosione. Oltre il limite del 2% di carbonio, le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa.

Materie prime per la produzione dell'acciaio

• La ghisa greggia, proveniente dall'altoforno, che viene affinata (riduzione della percentuale del carbonio e delle impurità) e che è la materia prima principale;
• Il rottame di ferro, derivato da recuperi civili e industriali;
• Le ferroleghe, che sono leghe di ferro particolari, che non hanno impiego autonomo ma vengono appunto preparate per essere usate nella produzione di acciai e ghise speciali; contengono una percentuale di carbonio generalmente molto bassa (dallo 0,1% all'1%), con massiccia presenza (che può superare l'80%) di altri elementi come silicio, manganese, cromo, nichel, cobalto ecc. che vengono aggiunti agli acciai per migliorarne le caratteristiche.

Proprietà dell'acciaio

Le proprietà dei vari tipi di acciaio dipendono principalmente dalla quantità di carbonio presente e dalla sua distribuzione nel ferro, dalle ferroleghe aggiunte e dai trattamenti termici subiti. Generalmente presentano buone proprietà meccaniche e sono lavorabili per deformazioni plastiche e con le macchine utensili; sono facilmente saldabili.

Tipi di acciaio

L'acciaio, che costituisce il più importante prodotto della siderurgia, viene commercializzato in una grande varietà di tipi, ciascuno con caratteristiche diverse, classificabili secondo la composizione chimica, la struttura, il processo di produzione, l'impiego prevalente. Una classificazione molto comune distingue cinque grandi categorie.

Acciai al carbonio

Costituiscono oltre il 90% di tutti gli acciai e contengono una quantità variabile, generalmente inferiore all'1,5%, di carbonio, un massimo di 1,65% di manganese, lo 0,60% di silicio e lo 0,60% di rame. Secondo il tenore o percentuale di carbonio, si dividono in:

• Acciai extradolci (meno dello 0,15%);
• Dolci (da 0,15% a 0,25%);
• Semiduri (da 0,25% a 0,50%);
• Duri (oltre lo 0,50%).

Gli acciai extradolci e dolci sono comunemente indicati come ferro. Parti di macchine, scocche di autoveicoli, la maggior parte delle strutture di acciaio degli edifici, scafi delle navi, chiodi, viti e bulloni sono solo alcuni dei prodotti realizzati con acciai al carbonio.

Acciai legati

Sono caratterizzati dalla presenza di quantità variabili di uno o più elementi quali vanadio, molibdeno, manganese, silicio, rame in percentuali superiori a quelle contenute negli acciai al carbonio. Gli acciai legati vengono usati nella produzione di molti componenti meccanici: bielle, alberi, perni, sterzi, assali dei veicoli, ecc.

Acciai debolmente legati ad alta resistenza

Rappresentano la più recente categoria di acciai e sono noti con la sigla HSLA (acronimo di high-strength low-alloy). Contengono solo piccole quantità di altri elementi quali, ad esempio, vanadio, e dunque sono in generale più economici dei normali acciai legati; vengono prodotti con particolari procedure, capaci di conferire loro una resistenza meccanica, anche alle basse temperature, e una resistenza alla corrosione superiori a quelle degli acciai al carbonio.

Acciai inossidabili

Contengono cromo (in quantità variabile tra il 12% e il 30%), nichel (fino al 35%) e altri elementi leganti, che li rendono brillanti e li proteggono dall'attacco degli agenti atmosferici e di gas e acidi corrosivi. Presentano una resistenza meccanica non comune, che possono mantenere anche per lunghi periodi a temperature estremamente alte o basse. La brillantezza della loro superficie li rende utilizzabili anche per scopi puramente decorativi. Trovano impiego nella realizzazione di tubature e serbatoi di raffinerie petrolifere e impianti chimici, di aerei a reazione e capsule spaziali, di apparecchiature e strumenti chirurgici, di protesi dentarie e chirurgiche. Molto diffuso l'impiego nella produzione di pentolame, posate e utensili da cucina.

Acciai da utensili

Si usano per produrre la maggior parte degli utensili per lavorazioni meccaniche. In particolare, sono detti acciai rapidi quelli che contengono tungsteno, molibdeno e altri elementi leganti che ne aumentano la resistenza all'usura in lavorazioni ad alta velocità; extrarapidi o super-rapidi quelli che contengono anche cromo.

La ghisa

La ghisa è una lega ferro-carbonio, contenente anche altri elementi, come silicio, manganese, zolfo, fosforo, in percentuali varie, caratterizzata da un tenore di carbonio compreso fra l'1,9% e il 5,5%. La ghisa che si ottiene direttamente nell'altoforno dai minerali di ferro, tramite processi detti siderurgici, è detta ghisa d'altoforno oppure ghisa di prima fusione, ghisa madre, ghisa greggia e viene prevalentemente usata per produrre, mediante affinazione, i diversi tipi di acciaio. Solo in parte viene rifusa, sia direttamente sia dopo sottrazione o aggiunta di altri elementi come silicio, manganese, zolfo, fosforo insieme a rottami di acciaio e ghisa, e colata in stampi, per produrre getti destinati all'industria metalmeccanica.

Proprietà della ghisa

È dura, fragile, resiste poco alla trazione e alla flessione, è resistente alla compressione e alla corrosione; la ghisa non può subire lavorazioni plastiche in quanto non è malleabile, né a caldo né a freddo; possiede un'ottima fusibilità: fonde a temperatura non molto elevata, è fluida, dà getti sani e compatti, e consente una facile realizzazione di pezzi anche molto complicati. La prima struttura realizzata fu un ponte ad arco di 30 m in ghisa con elementi lavorati per forgiatura.

Processo di produzione dell'acciaio

Le tecniche di colata

• Colata in lingottiera o in cascata
• Colata in sorgente
• Colata continua

Colata continua: questo sistema di produzione dell’acciaio risale agli inizi degli anni ’70 e ad oggi copre più dell’80% della produzione italiana di acciaio. Con la colata continua si possono ottenere bramme, blumi e billette, direttamente dal liquido, con notevole risparmio energetico, dato che non sono più necessarie le operazioni di colaggio in lingottiera, strippaggio, sbozzatura ecc. La tecnica consiste nel:

1. Si versa l’acciaio a circa 1600 °C dalla siviera alla paniera, un grosso contenitore che regola il flusso di distribuzione dell'acciaio verso una o più lingottiere.
2. Dalla paniera l’acciaio fuso passa in una lingottiera, ossia un grosso tubo di rame intensamente raffreddato ad acqua che conferisce la sezione voluta al semilavorato.
3. Quando il semilavorato esce dalla lingottiera incontra degli spruzzatori d’acqua che lo raffreddano e più avanti una serie di rulli che dalla posizione verticale lo portano in posizione orizzontale.
4. Un dispositivo di tranciatura provvede poi al taglio del semilavorato alla lunghezza voluta.

Colata in lingottiera: in questo tipo di colata l’acciaio viene versato direttamente dalla siviera in forme parallelepipede troncoconiche di ghisa, la lingottiera appunto, può avere nella parte superiore la materozza, che ha il compito di mantenere liquida la parte alta del lingotto, affinché possano raccogliersi tutte le impurità o le scorie. Una volta avvenuta la colata dell’acciaio, in un secondo momento si liberano i lingotti attraverso un’operazione chiamata strippaggio dei lingotti. In seguito questi subiscono lo scriccaggio, che consiste nell’eliminare la “pelle” ossia la parte più esterna del lingotto perché ha una struttura a grana grossa piena di difetti. La macchina che effettua questa operazione si chiama scriccatrice, ed è composta da molle abrasive allo zirconio. Dopo di che il lingotto viene laminato, asportando sia la testa che il piede, quindi si utilizza solo il corpo. Per evitare i molti difetti, dovuti alla colata in lingottiera, si utilizza la tecnica della colata in lingottiera sottovuoto, ossia una camera sottovuoto sulla cui sommità è posto il recipiente scaricatore contenente acciaio liquido, tra i due trova posto un foro chiuso da un disco di alluminio che con la colata di acciaio cade nella lingottiera sotto forma di gocce.

Colata in sorgente: detta anche colata indiretta o a sifone, consiste nell’avere al centro di un certo numero di lingottiere, disposte in cerchio, un canale verticale di alimentazione, comune a tutte le lingottiere, detto colonnetta. Dal fondo della colonnetta partono poi i canali radiali per l’alimentazione delle singole lingottiere. L’acciaio viene quindi versato dalla siviera nella colonnetta e per il principio dei vasi comunicanti si effettua il riempimento delle lingottiere. Con questo sistema si ottengono lingotti con meno difetti e con minore usura del lingottiere.

Schema di altoforno

L'altoforno viene caricato dall'alto con una miscela di coke (prodotto dalla distillazione di varie miscele bituminose), minerali di ferro e calcare. Il calore sviluppato dalla combustione del coke, favorita dall'alta temperatura (fino a 870°C) di un getto d'aria calda che investe dal basso e attraversa la carica, innesca una reazione chimica fra il carbonio del coke e l'ossigeno degli ossidi di ferro che costituiscono i minerali. Il ferro, liberato dai minerali, si lega con una parte di carbonio e forma ghisa fusa, che cola verso il basso. Periodicamente la ghisa viene estratta dal fondo, mentre un diverso canale di scolo permette di recuperare le scorie per avviarle a fasi successive del ciclo siderurgico.

Nella produzione tradizionale, l'acciaio si ottiene a partire da ghisa liquida, proveniente da un altoforno, cui vengono aggiunti materiali (calce e calcare) che servono a far addensare le impurità sotto forma di scorie, e a renderle così facilmente asportabili. Le apparecchiature utilizzate possono essere forni di Martin-Siemens, convertitori o forni elettrici. Qualunque procedimento di produzione di acciaio da ghisa d'altoforno consiste nell'asportare dalla ghisa il carbonio in eccesso e le altre impurità presenti.

Laminazione

• A caldo: i processi di laminazione a caldo appartengono alla famiglia dei processi di deformazione plastica a caldo. In questo processo l’acciaio, ormai solidificato, viene riscaldato a temperature comprese tra i 1000 °C e i 1300 °C, per poi essere deformato tramite la compressione dei “cilindri di laminazione”, questi possono avere diverse forme, sagomate o superfici lisce o lavorate, a seconda del prodotto che si vuole ottenere. La diversa temperatura di riscaldamento dell’acciaio permette di avere acciai con caratteristiche diverse. I prodotti finali variano per dimensione e forma e sono costituiti da:
  • Bramme – utilizzate per la produzione di laminati piani – nastri, lamiere, piatti larghi;
  • Blumi e Billette – per laminati lunghi – profilati, barre, tondi.
• A freddo: permette di dare al metallo una superficie più liscia e compatta senza riscaldare il prodotto semifinito. Inoltre conferisce al materiale una migliore resistenza meccanica. Si tratta di una laminazione che comporta maggiori sforzi applicati sul materiale ed ha quindi bisogno di attrezzature più complesse. Il processo consiste nel far passare il materiale tra una coppia di rulli tenuta ad una distanza minore dello spessore del materiale, in questo modo il materiale è costretto a ridursi di spessore (laminarsi) e si ottiene di conseguenza un allungamento.

Le dimensioni dei profilati in acciaio oggi sono limitate dalla capacità di trasporto, infatti la dimensione base di trasporto è di 11/12 m su strada o ferrovia, per quanto riguarda il trasporto eccezionale invece questo è limitato dalla viabilità ed il taglio tipico non supera i 25 m, dimensioni superiori sono possibili solo tramite trasporto navale. Anche la dimensione trasversale dei profilati (larghezza) è limitata ed è dovuta alla dimensione dei rulli (2/3 m).

Dilatazione termica

Nei solidi all’aumentare della temperatura, la distanza tra gli atomi aumenta, questo si traduce quindi in un incremento delle dimensioni. La conseguenza della dilatazione delle strutture metalliche è diversa a seconda se queste siano completamente libere o se queste sono in qualche modo impedite, ad esempio nel terreno. Nel primo caso non succede nulla mentre nel secondo caso l’elemento tende ad andare in compressione in fase di allungamento mentre tende ad andare in trazione in fase di restringimento.

Prova di trazione

La più comune prova sui materiali è quella di trazione. Un provino, di forma e dimensioni unificate (ma talvolta si deroga alle dimensioni, ferma restando la forma) viene ammorsato tra le ganasce della macchina di prova e sottoposto a un carico unidirezionale crescente lentamente da 0 ad un valore tale da determinare la rottura. Con la prova di trazione statica si ricavano indici di confronto che, per quanto convenzionali, consentono la formulazione di giudizi relativi allo stato del materiale ed alle possibilità del suo impiego. Il saggio è la parte di materiale destinata alla preparazione della provetta sulla quale verrà eseguita la prova; il distacco (taglio) dei saggi e la successiva lavorazione devono avvenire, di massima, a freddo di modo da non alterare le caratteristiche del materiale.

Regime elastico

In questa fase i costituenti del corpo solido cristallino si deformano elasticamente in quanto la deformazione è reversibile. Pertanto tutto il lavoro necessario per l’allungamento viene assorbito sotto forma di energia potenziale elastica, dovuta alla variazione delle distanze interatomiche nel reticolo: questa energia resta così pienamente disponibile per la deformazione inversa.