designazione secondo le norme uni en
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Designazione secondo le Norme UNI EN
La designazione degli acciai è regolamentata da Norme europee (EN) valide in
tutte le nazioni aderenti al Comitato Europeo di Normazione (CEN).
Le più recenti Norme europee fatte proprie in Italia dall’Ente Nazionale Italiano
di Unificazione (UNI) definiscono i seguenti sistemi di classificazione degli
acciai:
1) Designazione alfanumerica (Norma UNI EN 10027-1): secondo questo
sistema gli acciai vengono suddivisi in due gruppi:
- Gruppo 1: acciai designati con una sigla alfanumerica che ne identifica
l’impiego ed alcune caratteristiche meccaniche e fisiche (norma UNI EN
10027-1).
- Gruppo 2: acciai designati in base alla composizione chimica (norma UNI
EN 10027-1).
1) Designazione numerica (Norma UNI EN 10027-2)
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Designazione alfanumerica (Norma UNI EN 10027-1): acciai del gruppo 1
A questo gruppo appartengono gli acciai, in genere bassolegati, che vengono utilizzati
spesso allo stato grezzo di laminazione, o di altre lavorazioni plastiche, senza
particolari trattamenti termici se non quello di normalizzazione. Come criterio
fondamentale per la classificazione si considera l’impiego.
Gli acciai del gruppo 1 vengono designati mediante i seguenti elementi:
- una lettera iniziale che ne individua l’impiego;
- un numero ed eventualmente una lettera indicante una caratteristica principale
(meccanica, fisica, etc.)
Pertanto il gruppo 1 comprende i seguenti acciai suddivisi in base al loro impiego.
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- S acciai per impieghi strutturali, seguita da un numero pari al carico unitario di
snervamento minimo prescritto (in MPa);
- P acciai per impieghi sotto pressione, seguita da un numero pari al carico unitario di
snervamento minimo prescritto (in MPa);
- L acciai per tubi di condutture, seguita da un numero pari al carico unitario di snervamento
minimo prescritto (in MPa);
- E acciai per costruzioni meccaniche, seguita da un numero pari al carico unitario di
snervamento minimo prescritto (in MPa);
- B acciai per cemento armato, seguita da un numero pari al carico unitario di snervamento
caratteristico (in MPa);
- Y acciai per cemento armato precompresso, seguita da un numero pari al carico unitario di
rottura minimo prescritto (in MPa);
- R acciai per o sotto forma di rotaie, seguita da un numero pari al carico unitario di rottura
minimo prescritto (in MPa);
- H acciai forniti come lamiere laminate a freddo ad alta resistenza per imbutitura a freddo,
seguita da un numero pari al carico unitario di snervamento minimo prescritto (in MPa);
- D acciai forniti come lamiere per formatura a freddo, seguita da una delle seguenti lettere:
C (per i prodotti laminati a freddo), D (per i prodotti laminati a caldo, ma destinati alla
formatura a freddo), X (per i prodotti il cui stato iniziale di laminazione non è specificato);
- T acciai forniti come bande stagnate o cromate, seguita dalla lettera H (con un numero
indicante il valore medio specificato di durezza Rockwell HR) o da un numero indicante il
carico unitario di snervamento nominale prescritto (in MPa);
- M acciai magnetici, seguita da numeri e lettere che indicano ulteriori specificazioni.
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Ulteriori simboli finali possono essere aggiunti per indicare proprietà specifiche.
Ad esempio, nel caso dell’acciaio strutturale S: JR (resilienza minima di 27 J a 20
°C), J0 (resilienza minima di 27 J a 0 °C); J2 (resilienza minima di 27 J a -20 °C);
J3 (resilienza minima di 27 J a -30 °C); J4 (resilienza minima di 27 J a -40 °C); KR
(resilienza minima di 40 J a 20 °C); K0 (resilienza minima di 40 J a 0 °C); K2
(resilienza minima di 40 J a -20 °C); K3 (resilienza minima di 40 J a -30 °C); K4
(resilienza minima di 40 J a -40 °C). Pertanto la sigla S235J2 indica un acciaio
strutturale con carico di snervamento minimo di 235 MPa e resilienza minima di 27
J a -20°C.
Al valore della resilienza possono seguire una o più delle lettere. Ad esempio: G1
acciaio effervescente, G2 acciaio calmato, G3 stato di fornitura opzionale, G4
stato di fornitura a descrizione del produttore, S costruzioni navali, T tubi, W
resistente alla corrosione atmosferica, Q bonificato, KU utilizzo per utensili.
La suddetta normativa sostituisce la precedente (UNI EU 27), in cui gli acciai
venivano designati in base al simbolo iniziale Fe, seguito dal valore del carico
unitario di rottura o del carico di snervamento minimo garantito (quest’ultimo
preceduto dalla lettera E) e con eventuali ulteriori specificazioni.
Pertanto la designazione B 250 corrisponde alla tradizionale Fe B E250, la
designazione R 400 corrisponde alla tradizionale Fe 400.
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Designazione alfanumerica (Norma UNI EN 10027-1): acciai del gruppo 2
Gli acciai appartenenti a questo gruppo sono classificati in base alla loro
composizione chimica. Tale gruppo viene ulteriormente suddiviso in quattro
sottogruppi (tabella 11.1).
I primi due sottogruppi comprendono acciai al carbonio non legati contraddistinti
come segue:
- sottogruppo 2.11: acciai destinati al trattamento termico, contrassegnati dalla
lettera C seguita dal tenore di carbonio (espresso come percentuale in peso)
moltiplicato per 100 (es. C10, acciaio da cementazione con tenore di carbonio di
0.10%; C40, acciaio da bonifica con tenore di carbonio di 0.40%), nel caso di
acciai per getti la lettera G precede il simbolo C;
- sottogruppo 2.12: acciai per impieghi particolari, contrassegnati dalla lettera C
seguita da una lettera che ne identifica l'impiego e dal tenore di carbonio
moltiplicato per 100.
In entrambi questi due gruppi di acciai è possibile far seguire il simbolo chimico
dell’elemento intenzionalmente aggiunto per conferire una data proprietà.
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Gli ultimi due sottogruppi comprendono gli acciai debolmente legati ed altolegati,
entrambi destinati ai trattamenti termici.
•sottogruppo 2.21: acciai debolmente legati, cioè con tenori inferiori al 5%, la cui
designazione viene effettuata riportando il tenore di carbonio moltiplicato per
100, seguito dai simboli chimici degli elementi di lega e dal loro tenore
(anch’esso espresso come percentuale in peso) moltiplicato per un opportuno
coefficiente correttivo (es. 40 NiCrMo 3, acciaio legato con C=0.40%, Ni=0.75%
e tenori di Cr e Mo non precisati), nel caso di getti si antepone la lettera G;
•sottogruppo 2.22: acciai altolegati, con tenori superiori al 5%, contrassegnati
dalla lettera X, seguita dal tenore di carbonio moltiplicato per 100 e dai simboli
chimici degli elementi di lega con il loro tenore inalterato (es. X 15 Cr 13, acciaio
inossidabile con C=0.15% e Cr=13%), nel caso di getti la lettera G precede la X
iniziale.
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Gruppo 1. Acciai desi-gnati
in base all’ impiego
2. Acciai designati in base alla composizione chimica
Sottogruppo 2.1 Non legati 2.2 Debolmente legati e legati
2.11 Destinati al
trattamento termico
2.12 Destinati ad
impieghi particolari
2.21 Con ogni
elemento di le-ga <
5%
2.22. con almeno
un elemento di lega
> 5%
Simbolo iniziale Variabile in
relazione all’
impiego (es. S, P,
L, etc.)
C preceduta da G
nel caso di getti
C seguita da una
lettera in- dicante
l’im-piego
in genere nes-sun
simbolo, G solo nel
caso di getti
X preceduta da G
nel caso di getti
Cifre o lettere
distintive della
caratteristica
principale
Variabile (es. carico
di sner-vamento, di
rottura, etc.) Tenore di carbonio moltiplicato per 100
Simboli di al-cuni
elementi di lega
Eventualmente simbolo di un particolare
elemento di lega aggiunto
Simboli degli elementi di lega che
caratterizzano l’acciaio
Cifre indicanti i
tenori degli
elementi di lega
Tenori elemen-ti di
lega molti-plicati
per un coefficiente
correttivo (*)
Tenori effettivi
elementi di lega
Tabella 11.1 – Designazione degli acciai in base alla Norma UNI-EN 10027 – parte 2.
(*) Coefficienti correttivi del tenore degli elementi di lega per gli acciai del sottogruppo 2.21:
4 per Co, Cr, Mn, Ni, Si, W; 10 per Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti V, Zr; 100 per N, P, S; 1000 per B
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Designazione numerica (Norma UNI EN 10027-2)
La designazione numerica messa a punto dalla norma UNI EN 10027-2 segue il
seguente schema:
M.XXYYZZ
- dove M è la cifra che identifica il materiale: 1 acciaio, 2 metalli pesanti escluso
l’acciaio (es. rame e sue leghe), 3 metalli leggeri (es. alluminio e sue leghe, titanio
e sue leghe).
- XX rappresenta il gruppo dell’acciaio, riportato in una tabella allegata alla norma,
suddivisa in acciai non legati (acciai di base, acciai di qualità, acciai speciali) ed
acciai legati (acciai per utensili, acciai inossidabili, acciai strutturali e per
costruzioni meccaniche).
- YY è un numero sequenziale attribuito all’acciaio.
- ZZ ultime due cifre attualmente non utilizzate, previste per un impiego futuro.
Le suddette sigle sono attribuite dall’Ufficio Europeo di Registrazione che
periodicamente rivede la lista degli acciai registrati, controllando quelli non più
prodotti ed inserendo quelli di nuova produzione.
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Designazione degli acciai secondo gli Standards AISI
In America vi sono diversi enti che si occupano della designazione degli acciai: di
seguito viene riportato il metodo seguito dall’American Iron and Steel Institute
(AISI) e dalla Society of Automotive Engineering (SAE).
Secondo il metodo AISI, gli acciai al carbonio appartengono alla serie 1000 e
sono designati con un numero di quattro cifre, eventualmente preceduto da un
prefisso:
- prima cifra: 1,
- seconda cifra: 0 (acciai al carbonio), 1 (acciai al carbonio risolforati), 2 (acciai
al carbonio risolforati e rifosforati),
- terza e quarta cifra: tenore di carbonio (espresso come percentuale in peso)
moltiplicato per 100.
Esempio: E 1020 acciaio con C=0.20% prodotto al forno elettrico; 1130 acciaio
risolforato con C=0.30%.
Anche la designazione degli acciai basso legati è effettuata tramite un numero di
quattro cifre, di cui le prime due identificano la particolare serie (tabella 11.2) e le
ultime due rappresentano il tenore di carbonio moltiplicato per 100.
Esempio: 4340 acciaio con Ni=1.8%, Cr=0.5-0.8%, Mo=0.25% e C=0.40%.
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13XX Mn 1.75%
40XX Mo 0.20 o 0.25%; oppure Mo 0.25% e S 0.042%
41XX Cr 0.50, 0.80 o 0.95%, Mo 0.12, 0.20 o 0.30%
43XX Ni 1.83%, Cr 0.50 o 0.80%, Mo 0.25%
44XX Mo 0.53%
46XX Ni 0.85 o 1.83%, Mo 0.20 o 0.25%
47XX Ni 1.05%, Cr 0.45%, Mo 0.20 o 0.35%
48XX Ni 3.50,%, Mo 0.25%
50XX Cr 0.40%
51XX Cr 0.80, 0.88, 0.93, 0.95 o 1.00%
61XX Cr 0.60 o 0.95%, V 0.13 o 0.15%
86XX Ni 0.55%, Cr 0.50%, Mo 0.20%
87XX Ni 0.55%, Cr 0.50%, Mo 0.25%
88XX Ni 0.55%, Cr 0.50%, Mo 0.35%
92XX Si 2.00%; oppure Si 1.40% e Cr 0.70%
50BXX (*) Cr 0.28 o 0.50%
51BXX (*) Cr 0.80%
81BXX (*) Ni 0.30%, Cr 0.45%, Mo 0.12%
94BXX (*) Ni 0.45%, Cr 0.40%, Mo 0.12%
Tabella 11.2 – Principali classi di acciai bassolegati secondo le Norme AISI.
(*) La lettera B contraddistingue gli acciai in cui è presente il boro.
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Designazione
UNI EN
alfanumerica
Designazione
UNI EN
numerica
Designazione
AISI
Microstruttura
X 5CrNi18-10 1.4301 304 Austenite
X 5CrNiMo17-12 1.4401 316 Austenite
X 2CrNiMo17-13 1.4432 316L Austenite
X 12Cr13 1.4006 410 Martensite
X 8Cr17 1.4016 430 Ferrite
Per quanto riguarda gli acciai altolegati, AISI e ASTM (American Standards
for Testing of Materials) classificano le principali tipologie disponibili sul
mercato:
•serie 200, acciai inossidabili austenitici al cromo - manganese
•serie 300, acciai inossidabili austenitici al cromo - nichel
•serie 400, acciai inossidabili ferritici e martensitici
In tabella 11.3 sono riportate a confronto le sigle identificative di alcune
tipologie di acciai inossidabili espresse secondo le Norme UNI EN e AISI.
Tabella 11.3 – Corrispondenze delle designazioni UNI EN e AISI per alcuni
acciai inossidabili.
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Designazione secondo gli Standards ASTM
Secondo le Norme dell’America Standard for Testing and Materials (ASTM), tutte le
leghe ferrose vengono denominate con la lettera A, seguita da un numero che
contraddistingue un determinato prodotto. Tale numero è sequenziale ed è assegnato
arbitrariamente; ad esso si fa seguire il suffisso M se nello standard della lega in
questione i dati riportati sono espressi con le unità di misura del sistema metrico
internazionale.
Comunemente vengono utilizzati i seguenti termini per caratterizzare una lega:
- Grade: composizione chimica,
- Type: pratica di de ossidazione,
- Class: una proprietà specifica come la finitura superficiale o la resistenza
meccanica.
Ad esempio, con ASTM A 106-02a Grade A, Grade B, Grade C si indica un acciaio
al carbonio per tubi senza saldatura per impieghi ad alta temperatura.
I gradi A, B, C sono in ordine di resistenza meccanica crescente e quindi, trattandosi
di un acciaio al carbonio, di tenore di carbonio crescente.
Molte specifiche ASTM sono state adottate dall’American Society of Mechanical
Engineers (ASME) che riporta le denominazioni inalterate con la sola aggiunta del
prefisso S.
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Acciai ABS Grado Rs (MPa) Rm (MPa)
Acciai normali da scafo A, B, D, E 235 400-520
Acciai elevata resistenza
AH32, DH32, EH32, F32 315 440-590
AH36, DH36, EH36, F36 355 490-620
AH40, DH40, EH40, F40 390 510-650
Designazione acciai secondo gli Standards ABS
Gli acciai utilizzati nelle costruzioni navali sono standardizzati secondo la normativa
dell’American Bureau of Shipping (ABS). Gli acciai ABS sono acciai strutturali
raggruppati in due categorie principali, come indicato in tabella 11.4.
Tabella 11.4 – Gradi degli acciai ABS per costruzioni navali.
La tenacità di questi acciai cresce nel passare dal grado A al grado F. Essa viene
definita con un valore minimo (pari a 27 J negli acciai normali da scafo), misurato
nella prova Charpy alle temperature di 20°C (grado A), 0°C (grado B), -20°C (grado
D), -40°C (grado D), -60°C (grado F).
Nelle certificazioni, tali acciai sono designati con la sigla AB/ seguita dal grado.
Esempio: AB/A è un acciaio strutturale con carico di snervamento di 235 MPa, carico
di rottura di 400 MPa e tenacità di 27 J a 20°C.
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CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI
Ai fini pratici e didattici è possibile raggruppare gli acciai nelle seguenti grandi categorie.
- Acciai da costruzione di uso generale: corrispondono a quelli dei sottogruppi 2.11 2
2.12 della Norma UNI EN (10027-1), trattandosi di acciai al carbonio generalmente non
legati.
- Acciai speciali da costruzione, trattati per far fronte ad impieghi più gravosi rispetto ai
precedenti, sono quelli del sottogruppo 2.1 delle Norme UNI (comprendono acciai da
bonifica, da cementazione, acciai per molle, acciai autotempranti, acciai microlegati,
etc.), sono legati e presentano caratteristiche meccaniche ottenute con varie modalità.
- Acciai per la produzione di utensili, da impiegare in lavorazioni per taglio o per
deformazione plastica dei metalli, corrispondono al sottogruppo 2.22 delle Norme UNI,
trattandosi di acciai alto legati.
- Acciai inossidabili, resistenti in ambienti corrosivi, con ottime proprietà meccaniche a
caldo e a freddo, appartengono al sottogruppo 2.22 delle Norme UNI in quanto hanno
comunque tenori di cromo superiori al 12%.
- Acciai per usi particolari, caratterizzati da una data proprietà o attitudine (come gli
acciai con determinate caratteristiche elettriche o magnetiche, gli acciai per lavorazioni
alle macchine utensili ad alta velocità, gli acciai per impieghi ad alta o bassa
temperatura, gli acciai per getti, etc.), determinata dagli elementi di lega o da particolari
processi di produzione e, più in generale, tutti gli acciai che non rientrano nei precedenti
gruppi.
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Gli acciai, oltre che per la composizione e le caratteristiche applicative, possono
essere classificati anche in base al grado di deossidazione ed alle condizioni di
solidificazione in lingottiera.
Acciai effervescenti ed acciai calmati
Il fenomeno dell’effervescenza nel corso della solidificazione è dovuto alla presenza
di ossigeno nel bagno che reagendo con il carbonio sviluppa bolle gassose di CO.
A secondo del grado di deossidazione, gli acciai vengono suddivisi nelle seguenti
categorie.
- Acciai effervescenti: ad effervescenza libera (rimmed steel) o bloccata (capped
steel), con soffiature ed eventuali disomogeneità di composizione; non presentano
la cavità di ritiro ed hanno basso tenore di carbonio.
- acciai calmati: semicalmati (semi killed steel) o calmati (killed steel), in relazione
al grado di deossidazione non presentano soffiature; a questa categoria
appartengono gli acciai legati, soprattutto se contenenti il cromo.
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Durante la solidificazione in lingottiera si svolge la seguente reazione che porta ad effervescenza per sviluppo di gas:
FeO + C → Fe + CO
Sezione di un lingotto: a) acciaio calmato, b) acciaio ad effervescenza bloccatta, c) acciaio semicalmato, d) acciaio calmato
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ACCIAI DA COSTRUZIONE DI USO GENERALE
Gli acciai da costruzione di uso generale sono acciai al carbonio, generalmente non
legati, la cui produzione, relativamente a basso costo, rappresenta l’aliquota
maggiore di quella totale degli acciai.
Per gli impieghi cui sono destinati, di solito vengono forniti allo stato grezzo di
laminazione, al più dopo normalizzazione, mentre raramente subiscono il
trattamento di bonifica.
Per questi acciai si richiedono determinati valori del carico di snervamento e di
rottura e/o caratteristiche più particolari come la saldabilità.
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Acciai al carbonio
Gli acciai al carbonio sono acciai non legati, considerandosi tali quando non viene
specificato il contenuto minimo di elementi di lega quali Ni, Cr, Mo, Ti, V, Nb e
comunque non contengono Mn e Si in tenori superiori all’ 1%.
Gli acciai al carbonio si identificano sostanzialmente con quelli dei sottogruppi 2.11 e
2.12 della Norma UNI EN 10027-1 e con la serie 1000 della normativa AISI.
Gli acciai al carbonio, essendo non legati, possono essere utilizzati solo per
applicazioni in cui non sono richiesti requisiti particolarmente severi.
Le loro principali limitazioni vengono riassunte nei seguenti punti:
- non è possibile incrudire questi materiali senza una sostanziale perdita di duttilità e
di resistenza all’urto;
- gli acciai a medio tenore di carbonio possono essere temprati solo con elevate
velocità di raffreddamento, ciò porta ad avere pezzi tensionati in cui possono
formarsi cricche;
- date le elevate velocità di raffreddamento richieste, non è possibile temprare in
profondità pezzi di spessore considerevole;
- presentano il fenomeno della transizione duttile-fragile all’abbassarsi della
temperatura;
- hanno scarsa resistenza alla corrosione ed alla ossidazione.
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Sigla
AISI
Composizione
chimica
(% in peso)
Condizioni Carico di
rottura
(MPa)
Carico di
snervam.
(MPa)
Allung.
(%)
Applicazioni
1010 0.10C, 0.40Mn Lam. a caldo
Lam. a fred.
330
350
240
260
35
30
Lamiere e nastri per
formatura a freddo
1020 0.20C, 0.45Mn Laminato
Ricotto
450
380
330
280
30
35
Lamiere e profilati
per strutture
1040 0.40C, 0.45Mn Laminato
Ricotto
Temprato e
rinv. a 315°C
620
520
800
420
350
590
25
30
20
Alberi, ingranaggi,
bulloni
1060 0.60C, 0.65Mn Laminato
Ricotto
Temprato e
rinv. a 315°C
810
630
1100
480
360
780
17
22
13
Molle, ruote
ferroviarie, stampi
1080 0.80C, 0.80Mn Laminato
Ricotto
Temprato e
rinv. a 315°C
970
650
1300
580
380
980
12
20
10
Molle, trefoli, stampi
In tabella 11.5 sono riportate le caratteristiche meccaniche e le applicazioni
tipiche degli acciai al carbonio della serie AISI 1000. Si osservi come la
resistenza meccanica risenta delle condizioni di fornitura (laminato, a caldo o a
freddo, trattato termicamente) e come cresca al crescere del tenore di carbonio
e di manganese.
Tabella 11.5 – Acciai al carbonio AISI
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Indice di saldabilità (carbonio equivalente)
Nel caso di elementi da porre in opera in strutture saldate, si richiedono acciai
saldabili con le comuni tecniche di cantiere, senza che incorrano in difetti tali
pregiudicarne le prestazioni in esercizio.
Con riferimento alla giunzione saldata schematicamente rappresentata in figura 11.1,
possiamo distinguere tre zone con specifiche caratteristiche metallurgiche.
•Zona di completa fusione, formata dal metallo fuso durante il procedimento di
saldatura ed in seguito solidificatosi: può essere costituita dal solo metallo base o dal
metallo base insieme ad un apposito metallo di apporto;
•Zona termicamente alterata, immediatamente adiacente alla precedente, in cui il
ciclo di riscaldamento e raffreddamento può essere tale da alterare
significativamente le caratteristiche meccaniche del materiale.
•Metallo base inalterato.
Fig. 11.1 – Macrografia di una sezione saldata: a) zona fusa, b) zona
termicamente alterata, c) metallo base.
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La riuscita di una giunzione saldata è legata a caratteristiche geometriche
(irregolarità nel cordone, cricche, porosità, etc.) e ad aspetti tipicamente metallurgici
relativi alla microstruttura della ZF (struttura dendritica, segregazioni,
disomogeneità di composizione, etc.) e della ZTA (strutture di tempra negli acciai,
sovrainvecchiamento delle leghe leggere, etc.), nonché all’insorgere di stati
tensionali (macro e micro tensioni) conseguenti ai cicli termici di saldatura.
La saldabilità di una materiale può essere valutata confrontando i risultati di prove
meccaniche (durezza, carico di snervamento, carico di rottura, deformabilità,
tenacità, etc.) su giunti saldati con quelle sul metallo base. Con la prova di
microdurezza Vickers si riescono a misurare variazioni punto per punto delle
proprietà meccaniche nelle sezioni saldate.
In generale nella zona termicamente alterata degli acciai al carbonio possono verificarsi i
seguenti fenomeni:
- ingrossamento del grano austenitico, per la permanenza in temperatura, e conseguente
riduzione sia della resistenza meccanica che della resilienza.
- formazione di strutture di tempra durante il raffreddamento, indesiderate per la loro
fragilità;
- infragilimento dovuto alla precipitazione di carburi, per soste nel campo delle
temperature di sensibilizzazione, fenomeno esaltato dalla presenza del cromo.
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La microstruttura alterata può riacquistare le caratteristiche originarie mediante
opportuni trattamenti termici; tuttavia, ciò non è pensabile che possa essere effettuato
in elementi saldati in opera.
Pertanto una lega si ritiene saldabile quando la composizione è tale che nella zona
termicamente alterata il materiale mantenga le caratteristiche metallurgiche
originarie, senza che debbano impiegarsi particolari tecniche o che lo si debba
sottoporre a successivi trattamenti termici.
In linea generale, un acciaio al carbonio di uso comune può ritenersi saldabile con le
normali tecniche se C 0.20%.
Per tenori maggiori ed in presenza di elementi di lega, un buon indice della saldabilità
è costituito dal cosiddetto carbonio equivalente CE dato dalla seguente formula:
CE = C + Mn / 6 + (Cr+Mo+V) / 5 + (Ni+Cu) / 15
Con CE<0.4% si ha una buona saldabilità del materiale, mentre con 0.4< CE< 0.6
l’acciaio è saldabile con pre-riscaldo e con CE > 0.6 nascono problemi di saldabilità e
si rendono necessari trattamenti di pre e post-riscaldo.
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Saldatura per fusioneCaratteristiche metallurgiche dei giunti
Zona termicamente alterata in acciai al carbonio: 1) zona fusa, 2) linea di fusione, I) zona surriscaldata, II) zona a grana fine normalizzata (oppure temprata), III) zona parzialmente normalizzata, IV) zona ricristallizzata, V) zona invecchiata.
Acciai al C
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27
La figura mostra la
correlazione tra le
proprietà meccaniche,
il contenuto di
carbonio e la
microstruttura in un
acciaio al C
normalizzato.
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•Esiste una relazione tra dimensioni medie del grano e resistenza alla
deformazione plastica: il carico di snervamento di un acciaio, secondo la relazione
di Hall-Petch, è inversamente proporzionale alla radice quadrata delle dimensioni
medie d dei grani
sy =so+ k
d
1
Dove k è una costante di proporzionalità e so dipende dalla resistenza complessiva
opposta dal reticolo cristallino al movimento delle dislocazioni.
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ACCIAI SPECIALI DA COSTRUZIONE
A questi acciai (sottogruppo 2.21 della Norma UNI EN 10027-1) vengono richieste prestazioni maggiori, ottenute sia
attraverso l’alligazione che l’impiego di trattamenti termici.
Di seguito vengono ricapitolati i principali metodi di rafforzamento meccanico.
- Rafforzamento per incrudimento: si verifica nei materiali sottoposto a lavorazioni plastiche a freddo, come nel
caso di prodotti laminati o trafilati. Comporta un incremento di resistenza meccanica a scapito di deformabilità e
tenacità, inoltre non tutte le leghe hanno attitudine a deformarsi e quindi si prestano a questo scopo.
- Rafforzamento per soluzione solida: gli atomi di soluto, sia sostituzionali che interstiziali, interagendo con le
dislocazioni, accrescono la resistenza meccanica del materiale; per di più gli elementi che stabilizzano la fase a
temperatura ambiente portano anche un miglioramento della tenacità.
- Rafforzamento per precipitazione: in questo caso il movimento delle dislocazioni è limitato dalla presenza di
una seconda fase, che può essere costituita da carburi o da altri precipitati, come nel caso delle leghe ad alto
tenore di Ni (superleghe), dove sono presenti composti intermetallici a struttura ordinata in una matrice CFC.
Soprattutto la precipitazione di carburi produce una certa riduzione della tenacità.
- Rafforzamento dovuto a microstrutture martensitiche: la martensite ottenuta mediante tempra è caratterizzata da
durezza e fragilità elevate in ragione del tenore di carbonio. Il successivo rinvenimento permette di ottimizzarne
le caratteristiche meccaniche.
- Rafforzamento per affinamento del grano attraverso opportuni trattamenti termici e con l’aggiunta di particolari
elementi microalliganti: la riduzione delle dimensioni cristalline ha effetti positivi sia sul carico di rottura che
sulla tenacità. Tale meccanismo di rafforzamento risulta particolarmente idoneo nel caso degli acciai a matrice a
CCC. Esso viene conseguito con l’affinamento del grano in fase austenitica ottenuto attraverso l’aggiunta di
elementi microalliganti come Al, Nb, V e Ti.
30
Sigla
AISI
Composizione
chimica
(% in peso)
Condizioni Carico di
rottura
(MPa)
Carico di
snervam.
(MPa)
Allung.
(%)
Applicazioni
Acciai al manganese
1340 0.40C, 1.75Mn Ricotto
Temprato e
rinv. a 315°C
700
1580
435
1420
20
12
Bulloni ad alta
resistenza
Acciai al cromo
5140 0.40C, 0.80Cr,
0.80Mn
Ricotto
Temprato e
rinv. a 315°C
570
1580
300
1450
30
10
Trasmissioni ed
ingranaggi per
veicoli
5160 0.40C, 0.80Cr,
0.90Mn
Ricotto
Temprato e
rinv. a 315°C
725
2000
380
1780
17
9
Parti di macchinari
Acciai al Cr-Mo
4140 0.40C, 1.0Cr,
0.9Mn, 0.2Mo
Ricotto
Temprato e
rinv. a 315°C
650
1550
420
1430
26
9
Ingranaggi,
trasmissioni
Acciai al Ni-Mo
4820 0.20C, 3.50Ni,
0.60Mn,
025Mo
Ricotto
Normalizzato
680
690
460
480
30
28
Ingranaggi per
macchinari
Acciai al Ni-Cr-Mo
4340 0.40C, 1.83Ni,
0.9Mn, 0.8Cr,
0.20Mo
Ricotto
Temprato e
rinv. a 315°C
750
1720
470
1580
22
10
Pezzi di grande
sezione, parti di
camion
La scelta di un meccanismo di rafforzamento o di un determinato trattamento termico è
fondamentale per definire le caratteristiche di impiego dell’acciaio. In particolare nel caso di
strutture saldate, notevole attenzione viene rivolta alla tenacità del materiale e ad alle modalità di
propagazione della frattura.
In tabella 11.6 vengono riportate le caratteristiche meccaniche di acciai bassolegati appartenenti
a varie classi AISI. Si tratta di acciai a basso o medio tenore di carbonio dove, grazie alla
presenza di elementi di lega (Mn, Ni, Cr, Mo) e a trattamenti termici di normalizzazione o di
bonifica, viene raggiunta un’elevatissima resistenza meccanica (carichi di rottura fino a 2000
MPa). Tabella 11.6 – Acciai bassolegati AISI.
31
32
Acciai da bonifica
Questi acciai vengono messi in opera dopo trattamento di bonifica, comprendente tempra, in
acqua o in olio, seguita da rinvenimento intorno ai 600° C. In questo modo viene realizzato un
ottimo compromesso tra durezza e resistenza meccanica da un lato e deformabilità e resistenza
agli urti dall’altro.
La struttura di questi acciai è sorbitica, in grado di assicurare ottime proprietà di resistenza e
tenacità, anche in relazione agli elementi di lega presenti. Tali materiali vengono utilizzati per
componenti meccanici come alberi, assi, pignoni, bielle, leve, rotismi, etc.
Gli acciai da bonifica possono essere al solo carbonio o debolmente legati (tabella 11.7).
- Acciai da bonifica al solo carbonio (0.25 < C < 0.6%), caratterizzati da una bassa
temprabilità che comporta l’uso di mezzi drastici di tempra e strutture martensitiche limitate a
spessori contenuti.
-Acciai da bonifica debolmente legati che, oltre al carbonio, possono contenere Ni (<5%), Cr
(<3%), Mn (<2%), Mo (<0.8), V (<0.2%) e sono caratterizzati da un’elevata temprabilità e da
migliori caratteristiche meccaniche e di tenacità, tanto da essere impiegati per organi meccanici
di grandi dimensioni e/o particolarmente sollecitati.
Contenute percentuali di Cr e di Ni sono in grado di rallentare la velocità di tempra,
accrescendo la temprabilità. Il molibdeno, oltre a migliorare la temprabilità, modifica la
morfologia dei carburi che precipitano durante il rinvenimento, riducendo i fenomeni di
fragilità. Il vanadio, aggiunto in tenori 0.10 – 0.20%, ha un notevole effetto affinante sulle
dimensioni dei grani.
Naturalmente rispetto agli acciai da bonifica al solo carbonio, quelli legati hanno un costo
maggiore dovuto alla presenza degli elementi di lega.
33
Sigla
UNI EN
Composizione chimica
(% in peso)
Carico di
rottura
(MPa)
Carico di
snervam.
(MPa)
Allung.
(%)
Acciai al carbonio
C30 0.30C, 0.65Mn 710 360 20
C40 0.40C, 0.70Mn 770 490 15
C50 0.50C, 0.75Mn 830 540 13
C60 0.60C, 0.75Mn 900 590 11
Acciai al cromo
40 Cr4 0.40C, 0.65Mn, 1.0Cr 1030 740 11
Acciai al Cr-Mo
30 CrMo4 0.30C, 0.55Mn, 1.0Cr, 0.2Mo 980 680 32
40 CrMo4 0.40C, 0.85Mn, 1.0Cr, 0.2Mo 1020 830 25
Acciai al Cr-Ni-Mo
30 NiCrMo 12 0.3C, 0.65Mn, 0.80Cr, 2.9Ni, 0.45Mo 1080 780 40
40 NiCrMo 2 0.4C, 0.85Mn, 0.50Cr, 0.55Ni, 0.20Mo 1130 830 25
Tabella 11.7 – Acciai da bonifica UNI EN.
34
Acciai autotempranti
Sono acciai che, in pezzi di piccolo spessore, assumono la struttura martensitica per semplice
raffreddamento in aria calma (normalizzazione) e che danno la possibilità di temprare, sia
pure in acqua, pezzi di spessore molto grande.
Con questi materiali si costruiscono, infatti, ingranaggi di elevate dimensioni e grandi stampi
per lavorazioni meccaniche.
L’elevata temprabilità di questi acciai è dovuta agli elementi leganti che spostano verso destra
le curve CCT, ritardando le trasformazioni.
Le caratteristiche meccaniche di un tipico acciaio autotemprante, come il 34 NiCrMo 16, sono
riportate in figura 11.2 in funzione della temperatura di rinvenimento.
Si osservi come ottime caratteristiche di resistenza e tenacità si raggiungano con
rinvenimento intorno ai 200° C, mentre viene riscontrata, intorno ai 400°C, la cosiddetta
fragilità al rinvenimento, causata da fenomeni di precipitazione di carburi.
Fig. 11.2 – Curve di rinvenimento
dell’acciaio autotemprante 34
NiCrMo 16: a) carico di rottura, b)
carico di snervamento allo 0.2%, c)
energia assorbita la pendolo Charpy,
d) allungamento a rottura.
35
Acciai per molle
Per al realizzazione di molle occorrono acciai con elevato rapporto carico di snervamento / carico di
rottura. Gli acciai per molle si suddividono in due classi:
-acciai al carbonio (con C fino all’1%), incruditi per lavorazione meccanica a freddo (laminazione o
trafilatura) in modo da innalzare il carico di snervamento, utilizzati per molle di piccole dimensioni;
-acciai legati da sottoporre al trattamento termico, utilizzati per la costruzione di molle di grandi
dimensioni.
L’elemento di lega caratterizzante questi acciai è il silicio; il trattamento termico, in genere, è la tempra
con rinvenimenti a temperature intorno ai 400° C, in modo da ottenere un elevato carico di snervamento.
In tabella 11.8 sono riportate le composizioni e le caratteristiche meccaniche di alcuni tipici acciai per
molle.
Sigla
UNI EN
Composizione chimica
(% in peso)
Carico di
rottura
(MPa)
Carico di
snervam.
(MPa)
Allung.
(%)
Acciai al solo C-Si
48 Si7 0.48C, 0.65Mn, 1.75Si 1425 1110 6
60 Si7 0.60C, 0.75Mn, 1.75Si 1500 1180 6
Acciai al C-Si con ulteriori elementi alliganti
60 SiCr 8 0.60C, 0.85Mn, 1.95Si, 0.35Cr 1575 1250 5
45 SiCrMo 6 0.45C, 0.65Mn, 1.50Si, 0.63Cr, 0.2Mo 1490 1180 6
52 SiCrNi 5 0.52C, 0.80Mn, 1.35Si, 0.85Cr, 0.6Ni 1525 1220 5
Tabella 11.8 – Acciai per molle UNI EN.
36
Acciai per carbocementazione
Gli acciai per carbocementazione sono caratterizzati da un basso tenore di carbonio
(C<0.20%), allo scopo di favorire la diffusione negli strati superficiali del carbonio
proveniente dal mezzo cementante.
Per migliorarne la temprabilità, questi acciai sono legati con Cr, Ni e Mo in tenori
dell’ordine di quelli degli acciai da bonifica.
Il trattamento di carbocementazione consiste in una permanenza del materiale in forno a
temperature superiori ad A3 ed in presenza di sostanze carburanti allo stato solido,
liquido o gassoso.
Alla cementazione fa seguito una tempra con rinvenimento a temperature intorno ai 150-
200° C, allo scopo di raggiungere elevate durezze nello strato cementato del pezzo, per
uno spessore di qualche decimo di mm, mentre all’interno, grazie al basso tenore di
carbonio, il materiale si mantiene tenace.
In questo modo vengono raggiunte durezze superficiali di 700 HV.
37
Acciai per nitrurazione
Gli acciai per nitrurazione hanno composizione diversa da quelli per carbocementazione:
si tratta sostanzialmente di acciai da bonifica con tenore di carbonio C = 0.3-0.4%,
contenti elementi quali Cr, Mo, e Al che formano con facilità nitruri più efficaci di quelli
del ferro nell’incrementare la durezza del materiale.
Il processo consiste nell’esporre il materiale ad una corrente gassosa circolante di
ammoniaca ad una temperatura compresa nell’intervallo 500° - 650° C. Sotto l’effetto
catalizzante del ferro, l’ammoniaca si dissocia in idrogeno ed azoto che diffonde
parzialmente nel metallo.
La temperatura del processo non molto elevata ha il duplice vantaggio di non modificare
sostanzialmente la struttura del cuore dei pezzi e di ridurre al minimo le distorsioni al
raffreddamento.
Come la carbocementazione, anche la nitrurazione è governata dalle leggi della
diffusione, tuttavia i meccanismi di indurimento sono completamente diversi: nel primo
caso, l’indurimento è dovuto al successivo trattamento di tempra che porta alla
formazione di strati martensitici; mentre, nel secondo caso, l’azoto indurisce direttamente
la zona nitrurata grazie alla formazione di nitruri nel corso del processo di diffusione.
Di conseguenza i pezzi nitrurati non devono essere sottoposti a successivi trattamenti di
tempra.
I pezzi nitrurati sono caratterizzati da una durezza superficiale maggiore di quelli
cementati, raggiungendo anche 1200 HV. Tuttavia lo strato superficiale ha uno spessore
minore, è più fragile ed inoltre il processo di nitrurazione risulta più costoso.
38
Acciai microlegati ad alta resistenza
A questo gruppo appartengono acciai per impieghi strutturali, con basso tenore di
carbonio (0.10 - 0.25%) e dei consueti elementi di lega e con l’aggiunta di
particolari elementi microalliganti (V, Nb, Ti, B) in tenori inferiori allo 0.15%, che
vengono forniti allo stato di laminati a caldo e messi in opera, in genere, senza
dover effettuare ulteriori trattamenti termici.
Questi acciai, caratterizzati da elevata resistenza meccanica, sono comunemente
identificati dalla sigla HSLA (Hig Strength Low Alloy).
Storicamente l’acciaio più utilizzato in applicazioni strutturali è l’acciaio al
carbonio con C = 0.20%, che non possiede particolari proprietà di resistenza
meccanica, ma è tenace a bassa temperatura ed ha una buona saldabilità.
La domanda di acciai che abbiano al contempo elevata resistenza meccanica e
tenacità con buone caratteristiche di saldabilità, per applicazioni strutturali in
lamiere o profilati di grandi dimensioni per i quali non sarebbe agevole effettuare
trattamenti termici, ha portato allo sviluppo degli acciai microlegati.
39
Il rafforzamento degli acciai microlegati avviene principalmente attraverso l’affinamento
della grana cristallina durante il processo di laminazione a caldo. In un acciaio al
carbonio laminato a caldo le dimensioni di grano sono tipicamente intorno ai 20 - 30 m,
mentre gli acciai microlegati possono avere dimensioni di grano di circa 5 m.
Pertanto, si passa da valori del carico di snervamento e del carico di rottura
rispettivamente di circa 280 MPa e di circa 380 MPa propri di un comune acciaio al
carbonio con C = 0.20% allo stato ricotto, a valori rispettivamente di 300 - 550 MPa e di
400 - 700 MPa tipici degli acciai microlegati a basso tenore di carbonio.
La riduzione delle dimensioni di grano viene ottenuta attraverso piccolissime quantità di
elementi di lega quali il Nb e il V. Tenori estremamente bassi di questi elementi sono
sufficienti per il controllo delle dimensioni di grano, da cui la definizione di acciai
microlegati. A titolo di esempio, in figura 11.3 sono riportate le curve di
ricristallizzazione dell’austenite di un acciaio al C-Mn microlegato con Nb e V.
L’azione di questi elementi di lega si esplica ritardando la ricristallizzazione dell’austenite
durante la fase di riscaldamento che precede la laminazione a caldo del materiale, in
quanto formano precipitati, come carburi o nitruri, in grado di interagire con il bordo dei
grani austenitici.
Il controllo delle dimensioni dei grani austenitici è basilare per limitare le dimensioni
finali dei grani nel materiale. L’ottenimento della struttura finale ferritica a grana fine
avviene attraverso un trattamento termomeccanico complesso, che comprende vari stadi
di laminazione a caldo a diverse temperature.
40
Ulteriori contributi al rafforzamento degli acciai HSLA sono dati dalla
formazioni di microprecipitati a seguito della ridotta solubilità degli elementi
microalliganti nella ferrite rispetto all’austenite. Tali microprecipitati si formano
all’interfaccia ferrite - austenite durante la trasformazione → .
Un altro meccanismo di rafforzamento negli acciai HSLA è legato alla presenza di
Mn in soluzione solida nella ferrite per tenori fino al 2%.
Fig. 11.3 – Curve di ricristallizzazione a T=950°C: a)
acciaio comune al C-Mn, b) aggiunta di Nb=0.03%,
c) aggiunte di Nb=0,03 e V=0.05%, d) aggiunte di
Nb=0.03 e V=0.20%.
41
Acciai dual-phase
Gli acciai dual-phase sono una classe recente degli acciai HSLA, sviluppata a partire
dalla fine degli anni 1970, con basso tenore di C (circa 0.1%), Mn compreso tra 1 e 2% e
con V come elemento microalligante in tenore dello 0.04%.
La loro microstruttura è caratterizzata da isole martensitiche all’interno di una matrice
duttile ferritica (da cui il termine dual-phase).
Questa particolare microstruttura viene ottenuta effettuando un riscaldamento a
temperature comprese tra A1 e A3, nel campo bifasico in cui coesistono ferrite e
austenite. Ciò comporta la formazione di zone austenitiche che, data la maggiore
solubilità rispetto alla ferrite, si arricchiscono di carbonio. Il successivo processo di
tempra comporta la formazione di isole martensitiche.
Il Mn assicura una buona temprabilità dell’acciaio. Gli elementi microalliganti quali V e
Nb assicurano il controllo delle dimensioni dei grani e la formazioni di microprecipitati
indurenti.
La struttura dual-phase consente di ottenere un’elevata resistenza meccanica unitamente
ad un ottima duttilità, come mostrato in figura 11.4, dove si riportano gli andamenti tipici
della curva sforzi-deformazioni per gli acciai HSLA, dual-phase e per confronto per un
comune acciaio dolce, L’acciaio dual-phase presenta un andamento continuo della curva
sforzi-deformazioni, con snervamento convenzionale allo 0.2% di deformazione
permanente, ed allungamenti a rottura superiori rispetto a quelli dell’acciaio HSLA di
pari resistenza meccanica.
42
Fig. 11.4 – Comportamenti a trazione: a)
acciaio HSLA, b) acciaio dual phase, c) acciaio
dolce.
43
Acciai maraging
Sono acciai speciali da costruzione a bassissimo tenore di carbonio (C<0.03%), con elevate
caratteristiche meccaniche raggiunte grazie agli elementi di lega Ni (15-20%), Mo (3-5%) Co
(7-9%), Ti (0.2-0.8%), Al (0.005-0.15%) e ad un particolare processo di produzione
(trattamento maraging).
Dato il bassissimo tenore di C e l’elevato tenore di Ni, possono considerarsi come leghe Fe-
Ni. Queste leghe sono suscettibili alla trasformazione dell’austenite in martensite che, data
l’assenza di C, presenta particolari proprietà: buona resistenza meccanica abbinata ad ottima
tenacità ed invariabilità della struttura per riscaldamenti fino a ca. 500°C.
Le ottime caratteristiche meccaniche vengono ottenute nella struttura martensitica di
partenza (mar-) mediante rinvenimento per alcune ore, o invecchiamento (-aging), grazie alla
precipitazione di composti intermetallici a base di Co, Mo e, in misura minore, Ti e Al.
Il trattamento maraging consiste in un riscaldo in campo austenitico (a temperature non
troppo elevate per evitare l’ingrossamento del grano austenitico), da un raffreddamento in
aria e dal successivo invecchiamento a 480°C per 3-6°C, anch’esso seguito da
raffreddamento in aria
Con questo trattamento si raggiunge un’elevatissima resistenza meccanica (carico di rottura
oltre i 2000 Mpa) con alto valore del rapporto carico di snervamento / carico di rottura (fino al
90%) e con buona tenacità (un’applicazione caratteristica sono le lame dei fioretti). Gli acciai
maraging sono utilizzati nell’industria spaziale ed aeronautica e più in generale nell’industria
meccanica, in applicazioni dove le temperature di esercizio sono inferiori a quella di
invecchiamento.
44
ACCIAI PER UTENSILI
Agli acciai per utensili (sottogruppi 2.21 e 2.22 delle Norme UNI EN) si richiedono proprietà
specifiche in relazione alla tipologia di strumento: utensili da taglio per asportazione di truciolo
(utensili da tornio, frese, etc.) o da adibire a lavorazioni plastiche, a caldo o a freddo (magli,
punzoni, etc.).
Gli acciai per utensili devono resistere ad una complessa gamma di sollecitazioni e possedere,
quindi, proprietà come durezza, tenacità, resistenza all’usura, agli urti, etc.
- Durezza: è la proprietà più importante degli acciai per utensili. Elevate durezze si ottengono
con microstrutture martensitiche e con la precipitazione di carburi; di conseguenza, si deve
studiare un composizione ottimale degli elementi di lega, anche ai fini della temprabilità.
- Resistenza all’usura: è strettamente connessa alla durezza e può essere ulteriormente
accresciuta facendo precipitare carburi di metalli pesanti (Cr, Mo, W, V).
- Tenacità: come è noto, varia in senso inverso alla durezza. Occorre, quindi, realizzare il
miglior compromesso tra queste due proprietà, anche in considerazione del tipo di impiego
cui verrà sottoposto l’utensile. A favore della tenacità giocano, come è noto, i bassi tenori di
carbonio e le elevate temperature di rinvenimento.
- Resistenza agli shock termici, che possono verificarsi negli utensili durante i cicli di
lavorazione: i gradienti termici comportano variazioni di volume che possono portare a
tensioni interne e a cricche nel materiale. Tutto ciò viene esaltato dalla presenza di elementi
di lega che riducono la conducibilità termica del ferro.
- Attitudine al taglio, proprietà richiesta negli utensili da taglio, nei quali viene specificata la
durata tra due affilamenti. Naturalmente tale proprietà è condizionata dalla durezza e dalla
resistenza all’usura, ma anche dalla tenacità se l’utensile è soggetto ad urti.
45
Questo insieme di proprietà non può trovarsi nei comuni acciai al carbonio, in quanto la tenacità
della martensite è trascurabile e, nello stesso tempo, la durezza non è sufficiente a garantire una
buona resistenza all’usura, anche nel caso di acciai ipereutettoidi in cui è presente la cementite
secondaria. Inoltre, le strutture di tempra perdono rapidamente le loro proprietà per effetto del
riscaldamento. Per tutte queste ragioni, si ricorre alla alligazione con elementi di lega, quali Cr, W,
Mo, Co, Ni, V, Mn.
Gli acciai per utensili vengono suddivisi in tre gruppi (tabella 11.9).
- Acciai rapidi: sono impiegati per utensili da taglio per lavorazioni con asportazioni di truciolo,
non soggetti ad urti (punte elicoidali, maschi, filiere, brocce, etc.). Tali acciai vengono così
denominati per le elevate velocità di taglio cui possono essere utilizzati (ca. 30 m/min). Hanno
alti tenori di carbonio (0.70 - 1.40 %) e contengono Cr, W, Mo, V e Co. Quest’ultimo elemento
caratterizza i cosiddetti acciai super-rapidi, con rendimenti nel taglio ancora superiori. Secondo
la Norma UNI 2955 sono identificati dalla sigla HS, seguita nell’ordine dalle percentuali di W,
Mo, V e Co, pertanto la designazione X 148 WVCoMo 12 5 5 1 KU (Norma Uni EN 10027)
corrisponde a HS 12 1 5 5 (Norma UNI 2955). Il trattamento termico consiste in una tempra
seguita da un rinvenimento per il conseguimento della massima durezza a seguito della
precipitazione secondaria dei carburi.
46
- Acciai per lavorazioni a caldo: vengono utilizzati per matrici e stampi per operazioni a
caldo. Devono possedere un insieme di requisiti come la resistenza agli urti, la stabilità al
riscaldamento delle strutture di rinvenimento, la resistenza all’ossidazione a caldo e
l’elevata conducibilità termica. La loro composizione chimica è opportunamente
predisposta per ottenere un buon compromesso tra i suddetti requisiti: il tenore di carbonio
è, in genere, non molto alto (0.25 - 0.60%); altri elementi di lega sono il Ni, il Cr e il W.
Il trattamento termico consiste in una tempra seguita da un rinvenimento a temperature
che devono essere superiori a quelle di esercizio.
- Acciai per lavorazioni a freddo: trovano impiego in stampi e matrici per lavorazioni
plastiche a freddo o in parti di macchine che richiedono particolari requisiti. Le
prestazioni richieste a questi acciai sono l’elevata durezza, la resistenza alla usura
unitamente alla tenacità. Come elementi di lega si utilizzano Cr, Mn, V. Il trattamento
termico consiste in una tempra seguita da un rinvenimento a temperature tali da ottenere il
miglior compromesso tra le caratteristiche meccaniche del materiale.
47
Tabella 11.9 – Acciai per utensili: composizioni chimiche espresse come percentuali in peso.
C Si Mn Cr Mo Ni V W Co
Acciai per utensili da taglio
X 100 MoVW 9 2 2 KU 1.00 <0.5 <0.4 4.0 8.70 - 1.95 1.80 <1.0
X 87 WMoV 8 1 1 KU 0.87 <0.5 <0.4 4.0 4.95 - 1.95 6.20 <1.0
X 123 WMoV 6 5 3 KU 1.23 <0.5 <0.4 4.0 4.95 - 2.95 6.00 <1.0
X 80 WCoV 18 10 1 KU 0.80 <0.5 <0.4 4.0 - - 1.60 18.0 10.0
X148WVCoMo 12 5 5 1 KU 1.48 <0.5 <0.4 4.0 0.85 - 5.05 12.2 4.95
Acciai per utensili per lavorazioni a caldo
30 CrMoV 12 27 Ku 0.30 0.25 0.30 3.0 2.75 - 0.55 - -
30 CrMoCoV 12 30 12 KU 0.30 0.25 0.45 3.0 3.00 - 0.90 - 3.0
40 NiCrMoV 16 KU 0.40 0.25 0.55 1.8 0.50 3.7 0.15 - -
56 NiCrMoV 7 KU 0.56 0.25 0.80 1.1 0.50 1.6 0.10 - -
X 30 WCrV 9 3 KU 0.30 0.25 0.30 2.8 - - 0.40 8.80 -
X 40 CrMoV 5 1 1 KU 0.40 1.05 0.40 5.0 1.45 - 1.00 - -
Acciai per utensili per lavorazioni a freddo
55 WCrV 8 KU 0.55 0.95 0.30 1.05 - - 0.20 2.00 -
90 MnVCr 8 KU 0.90 0.25 1.95 0.33 - - 0.20 - -
107 CrV 3 KU 1.07 0.25 0.40 0.75 - - 0.15 - -
X 41 Cr 13 KU 0.41 <1.0 <1.0 13.5 - <1.0 - - -
X 38 CrMo 16 1 KU 0.38 <1.0 <1.0 16.0 1.25 - - - -
X 102 CrMo 17 KU 1.02 <1.0 <1.0 17.0 0.55 - - - -
48
49
Il diagramma di Schaeffler
• Si è visto che gli elementi di lega influenzano la velocità della trasformazione perlitica.
In generale la struttura ottenuta per normalizzazione o tempra presenta maggior
interesse, ai fini applicativi della struttura di equilibrio. E’ possibile rappresentare in un
diagramma, con sufficiente approssimazione, la struttura ottenibile a T ambiente, data la
composizione dell'acciaio e mantenendo costante in un intervallo ben determinato la
velocità media di raffreddamento (condizioni corrispondenti al raffreddamento in aria
calma). Un diagramma di questo tipo è noto come diagramma di Schaeffler.
• Per costruire il diagramma di Schaeffler, si utilizza la divisione degli elementi di lega in
stabilizzanti della ferrite e stabilizzanti dell'austenite e si assegna un fattore empirico di
peso a ciascun elemento secondo l'efficacia dell’azione stabilizzante (figura), per questo
fattore dovranno essere moltiplicate le percentuali degli elementi presenti nell'acciaio. Si
riporta quindi in ordinate la somma delle concentrazioni pesate degli elementi
austenitizzanti e in ascisse quella degli elementi ferritizzanti e si delimitano, sulla base di
osservazioni metallografiche, i campi di esistenza delle fasi.
50
• In origine il diagramma di Schaeffler è stato introdotto per sistematizzare gli
effetti microstrutturali nelle zone saldate di acciai inossidabili. Opportunamente
modificato per tener conto anche della presenza di altri elementi oltre Ni e Cr, il
diagramma è riportato in figura e dà utili indicazioni su come la microstruttura
può essere modificata da un trattamento termico simile a quello della saldatura
ordinaria.
51
• Consideriamo due acciai abbastanza lontani
dalla composizione degli acciai inossidabili
al Ni-Cr. Un acciaio con composizione:
4.255% Ni, 1.25% Cr, 0.25% Mo, 0.45%
Mn, 0.25% Si e 0.3% C. (sono stati
sottolineati i valori relativi agli elementi
austenitizzanti):
Peso degli elementi stabilizzanti
dell’austenite (A):
A = 4.25 + 0.45 x 0.5 +0.3 x 30=4.25+ 0.225+
9.0=13.475
Peso degli elementi stabilizzanti della ferrite
(F):F= 1.25 + 0.25 + 0.25 x 1.5 = 1.25+ 0.25 +
0.375=1.875
Coordinate del punto A di figura e indicano che
l'acciaio possiede struttura completamente
martensitica; in effetti un acciaio di questa
composizione è stato citato come
autotemprante.
52
Sottoponiamo ora il diagramma di Schaeffler ad una verifica più approfondita
considerando il caso di un acciaio (il 4340 v. fig.20 della sezione "Trattamenti Termici")
di cui si conosca la composizione e la curva di temprabilità Jominy. Dall'andamento
della curva di temprabilità deduciamo che si tratta fondamentalmente di una acciaio
autotemprante. Tuttavia l'andamento della durezza, che decresce al diminuire della
velocità di raffreddamento, indica la formazione di apprezzabili quantità di ferrite
proeutettoide (l'accìaio a 0.4 %C mantiene la composizione ipoeutettoide).
L'esame del diagramma di Schaeffler fornisce le seguenti conclusioni:
Composizione dell'acciaio 4340:
0.38% C; 0.75% Mn; 1.71 % Ni; 0.77% Cr; 0.32% Mo.
Peso degli elementi stabilizzanti dell'austenite (A):
A = 0.38 x 30 + 0.75 x 0.5 + 1.71 = 11.4 + 0.375 + 1.71=13.48
Peso degli elementi stabilizzanti della ferrite (F): F = 0.77 + 0.32=2.09
Secondo queste coordinate anche questo acciaio dovrebbe essere
completamente martensitico.
• In conclusione il diagramma di Schaeffler dà risultati accurati per acciai
alto-legati al Cr-Ni e risultati orientativi di prima approssimazione per gli
altri acciai legati.
53
Acciai inossidabili
Il nome degli acciai inossidabili deriva dall’elevata resistenza all’ossidazione, dovuta all’elevato contenuto in Cr, in
grado di dar luogo, al di sopra di un certo contenuto minimo, alla formazione dell’ossido di Cr (il Cr , meno nobile del
Fe, forma però uno strato continuo e tenace di ossido, in grado di proteggere efficacemente l’acciaio dalla corrosione).
Si distinguono acciai inossidabili a struttura ferritica (ferrite ), martensitica o austenitica, tutti caratterizzati da un
contenuto di Cr almeno 12% (ciò che conferisce l’inossidabilità).
Gli acciai inossidabili austenitici costituiscono un sottogruppo di acciai inox aventi una struttura austenitica, e
contengono, oltre al Cr, anche il Ni in quantità sufficiente a stabilizzare l’austenite a temperatura ambiente. Tali acciai
sono in realtà sono da considerare delle leghe ternarie Fe-Cr-Ni con contenuti di Cr >18% e di Ni > 8%. Una loro
caratteristica essenziale è che normalmente non subiscono la trasformazione →, comunque elevata sia la velocità di
raffreddamento a partire da alta temperatura. La natura praticamente monofasica della struttura austenitica migliora
ulteriormente la resistenza alla corrosione dovuta al Cr. Le ottime caratteristiche meccaniche a caldo (temperature di
servizio max circa 700-800°C, a seconda della composizione) e a bassissima temperatura (non presenta transizione
duttile-fragile), l’elevatissima tenacità, rendono tali acciai fra i più adatti a far fronte a condizioni severe di impiego. Per
la loro resistenza alla corrosione sono molto utilizzati anche a temperatura ambiente in molte applicazioni. Il costo
elevato (dovuto soprattutto al contenuto di Ni) ne limita un impiego più estensivo.
In tabella sono riportate le composizioni degli acciai inox austenitici della serie AISI 300, caratterizzati da un contenuto
minimo di 18% Cr (in alcuni tipi 16%), 8% Ni con l’aggiunta del 2% Mn. Il contenuto di carbonio è mantenuto molto
basso; per la maggior parte dei casi C<0.10%; per alcuni tipi, detti low carbon, C 0.03 % (ad es. 304L).
54
Gli acciai inossidabili possono essere raggruppati in relazione alla microstruttura a
temperatura ambiente:
− acciai austenitici
− acciai ferritici
− acciai martensitici
− duplex (microstruttura bifasica austenitica - ferritica)
Naturalmente la microstruttura è determinante ai fini del comportamento a trazione ed
alla prova Chrapy. Gli acciai martensitici hanno la maggiore resistenza meccanica,
mentre quelli austenitici la maggiore duttilità; inoltre gli acciai austenitici hanno elevati
valori di resilienza che si mantengono anche all’abbassarsi della temperatura, mentre gli
altri acciai presentano il fenomeno della transizione tenace – fragile.
55
Caratteristiche meccaniche degli acciai
inossidabili: a) prove di trazione, b) prove
Charpy.
56
Designazione degli acciai inossidabili
Secondo la Norma UNI EN 10027-1, gli acciai inossidabili appartengono al gruppo
2.22 e vengono contraddistinti dalla lettera iniziale X, seguita dai simboli degli
elementi chimici che li caratterizzano e dal loro tenore effettivo, espresso come
percentuale in peso.
La designazione più diffusa di tali acciai è quella americana AISI per semilavorati
standard, secondo la quale gli austenitici sono raggruppati nelle serie 200 e 300,
mentre i ferritici ed i martensitici nella serie 400.
In tabella 12.1 viene riportata, per alcuni dei più diffusi acciai delle tre serie AISI,
l’indicazione dei principali elementi di lega, del carico di rottura, del carico di
snervamento e delle più importanti applicazioni.
Sigla
AISI
Composizione
chimica
(% in peso)
Condizioni Carico di
rottura
(MPa)
Carico di
snervam.
(MPa)
Allung
.
(%)
Applicazioni
Acciai inossidabili austenitici
202 17-19Cr, 4-6Ni, 7.5-
10Mn, 0.15C
Ricotto 520 300 50 Componenti
architettonici
304 18-20Cr, 8-10Ni,
2Mn, 1Si, 0.08C
Ricotto 580 250 50 Componenti per
‘industria chimica
304L 18-20Cr, 8-10Ni,
2Mn, 1Si, 0.03C
Ricotto 520 240 55 Versione ad elevata
saldabilità
316 16-18Cr,10-14Ni,
2Mn, 1Si, 2-3Mo
0.08C
Ricotto 600 270 50 Componenti da
utilizzare a caldo
316L 16-18Cr,10-14Ni,
2Mn, 1Si, 2-3Mo
0.03C
Ricotto 520 220 50 Versione ad elevata
saldabilità
Acciai inossidabili ferritici
430 16-18Cr, 0.12C Ricotto 510 340 25 Cucine, cappe
446 23-27Cr, 0.2C Ricotto 550 340 20 Forni, camere di
combustione
Acciai inossidabili martensitici
410 11.5-13.5Cr, 0.15C Ricotto
Temprato e
rinv. a 370°C
510
1290
310
1070
25
17
Bulloni, parti di
macchine e di
impianti
440C
*
16-18Cr, 0.95-1.2C Ricotto
Temprato e
rinv. a 300°C
785
1890
420
1760
15
4
Bulloni, raggi,
cuscinetti
57
Acciai inossidabili AISI
*)I gradi 440A e 440B hanno un tenore di
carbonio più basso.
58
Acciai inossidabili austenitici
Gli alti tenori di nichel conferiscono a questi acciai una struttura completamente austenitica.
Di conseguenza, le proprietà fisiche e meccaniche sono quelle peculiari di tale fase:
−non presentando punti di trasformazione, pertanto non possono essere induriti per tempra, ma
solo per incrudimento a freddo;
−mantengono ottime proprietà meccaniche sia a basa che ad alta temperatura;
−hanno un’elevata tenacità, anche a basse temperature, senza che avvenga la transizione
tenace-fragile;
−non presentano il fenomeno dello snervamento, passando con continuità dalla fase elastica a
quella plastica;
−hanno un’elevata duttilità che li rende particolarmente idonei per lo stampaggio a freddo;
−sono suscettibili al fenomeno dell’infragilimento e della sensibilizzazione nei confronti della
corrosione intergranulare, a seguito di permanenza nell’intervallo critico di temperatura
intorno ai 600°C ed in relazione alla presenza di carbonio;
−sono amagnetici.
59
La presenza di Ni e di Cr conferisce una buona resistenza allo scorrimento a caldo e
all’ossidazione a caldo, proprietà che rendono gli acciai inossidabili austenitici
idonei anche per impieghi alle alte temperature; con tenori maggiori di tali
elementi si entra nel campo delle superleghe, materiali largamente impiegati nelle
turbine a gas e nei forni presenti negli impianti petrolchimici.
L’acciaio AISI 304 rappresenta il grado base degli acciai austenitici al Cr.Ni. L’alligazione con Mo in tenori del 2-
3% ed il Ni in concentrazione del 10-14% (AISI 316) consente di ottenere, pur con costi maggiori, un ottimo
comportamento alla corrosione in soluzione acquose contaminate da cloruri.In figura si riporta per l’acciaio AISI 304 l’andamento del carico di snervamento (σ
s)
in funzione della temperatura: si osservi come questo conservi buoni valori fino a
ca. 500°C.
Carico di snervamento dell’acciaio AISI 304 in
funzione della temperatura.
60
Le proprietà meccaniche e di resistenza alla corrosione rendono gli acciai inossidabili austenitici
particolarmente idonei per applicazioni strutturali nell’industria chimica ed alimentare. Grazie all’elevata
tenacità alle bassissime temperature questi acciai sono molto utilizzato nel settore della criogenia per lo
stoccaggio e il trasporto dei gas liquefatti.Tenendo conto del fatto che non presentano punti di trasformazione, gli acciai
austenitici possono essere sottoposti ai trattamenti termici di seguito
elencati.
•Distensione: riscaldamento del materiale per circa 1h a temperature comprese
nell’intervallo 350-430°C (comunque al di sotto dei 450°C per evitare fenomeni di
sensibilizzazione), al fine di eliminare le tensioni residue.
•Solubilizzazione: riscaldamento a temperature non inferiori ai 1000°C, in modo
da realizzare la dissoluzione nella matrice austenitica dei carburi
eventualmente presenti, seguito da un rapido raffreddamento per evitare una
nuova formazione e precipitazione di carburi. Temperature e tempi di
solubilizzazione devono comunque essere limitati per evitare un’eccessiva
crescita della grana cristallina.
•Sensibilizzazione: trattamento termico effettuato in laboratorio per
determinare la suscettibilità del materiale alla corrosione intercristallina,
attraverso un riscaldamento nell’intervallo critico situato intorno ai 500-600°C
•Stabilizzazione: riscaldamento intorno agli 880°C seguito da raffreddamento in
aria. Tale trattamento, effettuato negli acciai contenti piccole percentuali di
Ti in grado di stabilizzare i carburi, è finalizzato a ridurre la sensibilità
nei confronti della corrosione intercristallina.
61
Nell’intervallo critico, cosiddetto di sensibilizzazione, avviene il fenomeno della
precipitazione dei carburi di cromo al bordo del grano austenitico che rende il materiale
fragile oltre che suscettibile alla corrosione intercristallina lungo il bordo dei grani.
Nelle micrografie in figura 12.5, relative ad una lamiera di AISI 304, sensibilizzata nel
corso della laminazione a caldo, sono ben visibili i carburi precipitati al bordo dei grani
austenitici (fig. a) e gli effetti della corrosione intergranulare (fig. b)
Di questo fenomeno occorre tener conto in molte applicazioni tecnologiche, specialmente
nel caso dei giunti saldati ove può verificarsi la sensibilizzazione della zona termicamente
alterata.
Microgafie SEM di acciaio austenitico AISI 304 sensibilizzato: a) precipitazione
carburi al bordo dei grani, b) corrosione interganulare dopo immersione per 24 ore in
una soluzione bollente di rame e acido solforico (test ASTM A262 – Practice E).
62
La sensibilizzazione può essere contenuta limitando il tenore di carbonio, come
avviene negli acciai austenitici “low carbon”, con tenore di carbonio C=0.03%,
contraddistinti dalla lettera L (es. 304L e 316L). Gli acciai con ridotto tenore
di carbonio sono quelli con minori problemi di saldabilità.Altri fenomeni di infragilimento possono verificarsi per effetto di una
deformazione plastica a freddo, che porta alla formazione di una fase martensitica,
detta α’, la quale torna ad essere austenitica dietro rinvenimento.
Nelle leghe bifasiche austenitiche-ferritiche, una ulteriore causa di
infragilimento è data dalla precipitazione della fase σ (un costituente molto duro
e fragile), che si verifica a seguito di riscaldamenti a temperature intorno agli
800°C.
63
Acciai inossidabili ferritici
Gli acciai inossidabili ferritici sono essenzialmente leghe Fe-Cr-C, senza punti
critici di trasformazione austenitica. Le proprietà di questi acciai sono, quindi,
quelle caratteristiche della fase α:
•non sono temprabili per l’assenza di punti di trasformazione;
•hanno bassi valori della resilienza che, per di più, cala rapidamente con la
temperatura, per il fenomeno della transizione duttile - fragile;
•presentano una discreta lavorabilità per deformazione plastica;
•sono magnetici al di sotto del punto di Curie.
L’assenza di nichel rende gli acciai ferritici più economici di quelli austenitici e
quindi più largamente diffusi nei casi in cui non sono richieste particolari
caratteristiche meccaniche (finiture per auto, arredamento, costruzioni civili,
etc.).
Questi acciai sono poco idonei per impieghi a basse temperature essendo soggetti al
fenomeno della transizione tenace / fragile; ad alte temperature presentano una buona
resistenza all’ossidazione, tanto maggiore quanto più elevato è il tenore di cromo.
Gli acciai ferritici, in relazione alla composizione chimica, possono essere
suscettibili a fenomeni di infragilimento sia per la precipitazione dei carburi di
cromo, che e per la precipitazione della fase σ a temperature intorno agli 800°C. La
presenza di molibdeno aumenta la tendenza a formare dannose fasi intermetalliche. La possibilità che si formino fasi che
infragiliscono il materiale comporta problemi di saldabilità.Il trattamento termico cui sono sottoposti questi acciai consiste in una ricottura di
ricristallizzazione a temperature non troppo elevate (650-800°C) per evitare
l’ingrossamento eccessivo dei grani. Il raffreddamento deve essere rapido per evitare
fenomeni di infragilimento.
Tale ricottura conferisce al materiale le migliori caratteristiche meccaniche e di
resistenza alla corrosione, mediante l’eliminazione delle tensioni interne indotte da
lavorazioni a freddo o da operazioni di saldatura.
64
Acciai inossidabili martensitici
Questa categoria di acciai, appartenente anch’essa alla serie AISI 400, presenta i
punti di trasformazione A1
e A3, per cui è suscettibile alla trasformazione
martensitica per raffreddamento in aria. In genere sono autotempranti, ma nel
caso di pezzi di grande spessore è preferibile eseguire un atempra in olio.
Il cromo, elemento ferritizzante, e il carbonio, elemento austenitizzante, sono bilanciati tra loro in modo da
avere struttura austenitica ad alta temperatura e struttura martensitica a temperatura ambiente. Tuttavia
l’elevato tenore di carbonio, necessario per conferire buona durezza e resistenza meccanica, espone
l’acciaio al rischio della formazione di carburi di cromo. Di conseguenza gli acciai inossidabili martensitici
sono, tra tutti gli acciai inossidabili, i meno resistenti alla corrosione ed loro impiego è limitato ad ambienti
blandamente aggressivi.Le proprietà degli acciai martensitici dipendono essenzialmente dal trattamento
termico (tabella 12.1): essi raggiungono ottime proprietà meccaniche,
soprattutto allo stato bonificato, unitamente ad una moderata resistenza alla
corrosione.
Il loro campo di applicazione comprende parti di macchine soggette ad usura in
ambienti corrosivi, come cuscinetti, ingranaggi di pompe, etc.
La tempra degli acciai martensitici avviene secondo le comuni procedure. Per
quanto riguarda il rinvenimento, di fondamentale importanza risulta la scelta
della temperatura: con T < 430°C si ottengono i valori più elevati di resistenza
meccanica e la migliore resistenza alla corrosione, con T = 600 – 670°C si ha la
migliore tenacità, mentre occorre evitare il campo di temperatura compreso tra
430 e 570°C, pericoloso per la precipitazione di carburi, che porta sia a
fenomeni di infragilimento che ad un brusco calo della resistenza alla
corrosione. Naturalmente tutto questo comporta problemi di saldabilità.
65
Acciai inossidabili duplex
Gli acciai inossidabili duplex devono il loro nome alla particolare microstruttura bifasica
formata da austenite e ferrite.
I principali elementi di lega degli acciai inossidabili, cromo e soprattutto nichel e molibdeno, si
contraddistinguono per l’elevato costo, soggetto alle leggi del mercato. La riduzione dei tenore
di nichel e di molibdeno rappresenta quindi una priorità per il settore dell’acciaio inossidabile.
Dagli anni ’70 si è andato diffondendo l’impiego degli acciai inossidabili austeno-ferritici
nell’industria chimica, nucleare ed alimentare, grazie alle buone proprietà meccaniche ed
all’eccellente resistenza alla corrosione sia generalizzata che localizzata in molti ambienti (ad
esempio in condizioni di corrosione sotto sforzo ed in ambiente contenente cloruri).
E’ stato osservato, infatti, che un acciaio con struttura completamente ferritica è più resistente
alla corrosione sotto sforzo, ma più vulnerabile alla corrosione generalizzata di un acciaio con
struttura completamente austenitica. Sulla base di questa considerazione, la presenza di una
struttura bifasica consente di ottimizzare le caratteristiche di resistenza alla corrosione proprie
degli acciai ferritici ed austenitici.
La resistenza meccanica degli acciai duplex è buona e la tenacità presenta valori, intermedi tra
quelli degli acciai austenitici e ferritici.
I risultati migliori si ottengono quando la microstruttura è costituita di ferrite e di austenite in
quantità approssimativamente uguali, bilanciando opportunamente il tenore di elementi di lega
ferritizzanti e austenitizzanti. Tipicamente gli acciai inossidabili Duplex hanno infatti tenori di
cromo compresi tra 22% e 25% e di nichel tra 4% e 7%, con eventuali aggiunte di molibdeno
(3-4%) e di azoto (0,1-0,25%).
66
Per questi acciai è di uso comune la denominazione commerciale originariamente
sviluppata dalla Sandvik, che prevede una doppia coppia di numeri in cui il primo
indica il tenore di cromo e il secondo di nichel: ad esempio l’acciaio SAF 2205, uno
dei più diffusi della categoria duplex, contiene Cr (21-23%), Ni (5-6.5%), Mo (3-3.5),
C (<0.03ra… come ed unisce buone proprietà meccaniche e di resistenza alla
corrosione; la microstruttura è bifasica (matrice ferritica con grani austenitici), come
mostrato in figura.
Gli acciai duplex acciai possono presentare problemi di saldabilità. Infatti, sia le
quantità relative delle fasi presenti che la ripartizione degli elementi di lega nel giunto
dipendono dalle modalità di raffreddamento dopo la solidificazione, inoltre la
struttura del metallo base nei pressi della zona fusa può subire alterazioni
metallurgiche a seguito del ciclo termico di saldatura.
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Microstruttura bifasica di un laminato in
acciaio inossidabile duplex SAF 2205: a)
superficie di laminazione, b) superficie
trasversale