Composizione acciai

Composizione degli acciai
Conoscere bene per comprare meglio
Manuele Dabalà
Dip. Ingegneria Industriale
Università di Padova
5 novembre 2013
Introduzione
Cos’è l’acciaio?
Norma UNI EN 10020/01
Materiale il cui tenore in massa di ferro è
maggiore di quello di ciascuno degli altri
elementi ed il cui tenore di carbonio è
generalmente minore del 2%, e contenente
altri elementi.
5 novembre 2013
Introduzione
Dalla definizione si intende che l’acciaio è
costituito principalmente da ferro con
quantità variabili di carbonio.
Oltre a questi 2 elementi, altri alliganti in
quantità più o meno elevata possono
essere presenti nell’acciaio.
La norma suddivide e classifica gli acciai
in: acciai non legati e acciai legati
5 novembre 2013
Acciai non legati
Acciai legati
Viene invece considerato acciaio legato
qualsiasi acciaio il cui tenore di almeno
un elemento in lega superi il valore
indicato in tabella
Convenzione si definisce acciaio
bassolegato un acciaio in cui il tenore di
qualsiasi elemento in lega è < 5 %,
mentre acciaio altolegato un acciaio in
cui vi sia almeno un elemento in lega con
tenore superiore al 5 %
5 novembre 2013
Ferro
1,2,3,4 grani 5 bordo grano
5 novembre 2013
Ferro
Struttura dei grani e dei bordi di grano
5 novembre 2013
Ferro
La disposizione degli atomi del ferro è di
due tipi a seconda della T
La transizione avviene a 912°C
5 novembre 2013
Ferro
Variazioni della struttura con la temperatura
5 novembre 2013
Acciaio
Se nel ferro viene sciolto carbonio si
ottiene l’acciaio
Il carbonio produce una modifica delle
temperature alle quali avvengono le
trasformazioni della struttura del ferro
Questo effetto è visibile nel diagramma
Fe-C
5 novembre 2013
Acciaio
5 novembre 2013
Acciaio
Variazioni della struttura in raffreddamento
5 novembre 2013
Acciaio
5 novembre 2013
Acciaio
Variazioni della struttura in raffreddamento
5 novembre 2013
Acciaio
5 novembre 2013
Ferro
La perlite presenta una struttura a lamelle
di Fe a e di Fe3C
5 novembre 2013
Acciaio
Se il raffreddamento avviene rapidamente
si inibisce la formazione di Fe3C e si
ottiene una struttura metastabile detta
martensite
5 novembre 2013
Acciaio
Vi sono due tipi di martensite
5 novembre 2013
Acciaio
Vi sono due tipi di martensite
5 novembre 2013
Acciaio
La martensite è dura e fragile e la sua
durezza dipende dal contenuto di C
5 novembre 2013
Acciaio
La T alla quale si forma la martensite
dipende dal tenore di C così come la
quantità di austenite residua
5 novembre 2013
Acciaio
Un successivo riscaldamento provoca la
scomparsa della martensite e la
formazione di carburi.
In questo modo si ottiene elevata
resilienza
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Negli acciai oltre al carbonio vi sono altri
elementi che influenzano le proprietà del
materiale
Gli elementi alliganti si possono dividere in due
gruppi:
Elementi che espandono il campo austenitico
(gammageni)
Elementi che riducono il campo austenitico (alfageni)
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Ni, Mn, Co, Rh, Ru, Pt
Si, Al, P, Be, Cr, Mo, W,
Ti
C, N, Cu, Zn, Au
Zr, Ta, Nb, B
Elementi alliganti
Gli elementi gammageni aumentano
l’intervallo delle temperature di
trasformazione austenitica
Diminuiscono la T - e aumentano T L’effetto maggiore lo mostrano il Nickel e il
Manganese
Carbonio e Azoto hanno lo stesso effetto
ma solubilità limitata
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Gli elementi alfageni riducono l’intervallo
delle temperature di trasformazione
austenitica
Aumentano la T - e diminuiscono T L’effetto maggiore lo mostrano il Silicio, il
Cromo e il Molibdeno
Cromo, Molibdeno, Tungsteno e Vanadio
formano carburi che induriscono l’acciaio
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Gli elementi alliganti cambiano inoltre il
valore del carbonio all’eutettoide
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Negli acciai gli elementi alliganti possono
trovarsi:
in soluzione solida
in forma di composti intermetallici
come ossidi, solfuri o altre forme di inclusioni
come carburi
Elementi che formano carburi: Cr, Mn, Mo,
W, V, Ti, Nb
Elementi che non formano carburi: Ni, Si,
Co, Al, Cu e N
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Gli elementi formatori di carburi hanno un
forte effetto di indurimento dell’acciaio
quando, mediante trattamento termico, si
provoca la formazione dei carburi.
I carburi possono però sciogliersi quando
l’acciaio viene scaldato ad alta T per
lunghi tempi di permanenza.
5 novembre 2013
Elementi alliganti
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Tutti gli elementi alliganti modificano le
curve di trasformazione al raffreddamento
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Inoltre abbassano la T di trasformazione
martensitica (ad eccezione di Al e Co)
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Questo fa si che maggiore è il contenuto di
elementi, maggiore è la temprabilità
5 novembre 2013
Elementi alliganti
La maggiore temparabilità dovuta agli
elementi alliganti tuttavia produce una
riduzione della saldabilità
Si ha la tendenza a formazione di
martensite nelle zone termicamente
alterate
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Gli elementi formatori di carburi inibiscono
la crescita del grano durante il
riscaldamento
Maggiore resistenza a
caldo
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Alluminio (0.95-1.30%): disossidante.
Usato per limitare la crescita del grano
austenitico.
Boro (0.001-0.003%): Aumenta la
deformabilità e la temprabilità. Molto
efficace negli acciai a basso carbonio.
Cromo (0.5-18%): Component chiave.
Aumenta resistenza a corrosione,
temprabilità, resistenza e antiusura
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Cobalto: Aumenta resistenza ad alta T.
Rame (0.1-0.4%): elemento residuo.
Aumenta fragilità e resistenza a corrosione
Piombo: Aumenta truciolabilità.
Manganese (0.25-13%): Aumenta
resistenza ad alta T (rimuove i solfuri di
ferro). Aumenta la duttilità e la resistenza
ad usura
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Molibdeno (0.2-5.0%): Aumenta
temprabilità e resistenza ad alte T,
resistenza a corrosione.
Nickel (2-20%): Aumenta resistenza a
impatto, corrosione e tenacità a basse T.
Niobio: forma carburi duri, aumenta
snervamento e carico di rottura. Riduce
l’ingrossamento del grano.
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Fosforo: dannoso, usato talvolta per
aumentare truciolabilità
Silicio (0.2-2.0%): Aumenta elasticità
provoca ingrossamento della grana,
disossidante.
Zolfo (0.08-0.15%): in piccola quantità
aumenta truciolabilità, peggiora le
proprietà a caldo dell’acciaio
5 novembre 2013
Elementi alliganti
Titanio: Aumenta resistenza meccanica e
a corrosione, limita crescita del grano.
Tungsteno: Produce carburi molto stabili
e affina la grana incrementando durezza
ad alta T.
Vanadio (0.15%): Come titanio e niobio,
produce carburi stabili che aumentano la
resistenza ad alta T e promuove
l’affinamento della grana cristallina
5 novembre 2013
Acciai strutturali
Vengono designati in base al carico di
snervamento minimo in N/mm2 del
prodotto con spessore più ridotto
5 novembre 2013
Acciai strutturali
Vengono designati in base al carico di
snervamento minimo in N/mm2 del
prodotto con spessore più ridotto
5 novembre 2013
Acciai strutturali
La saldatura degli acciai può essere
eseguita con uno dei procedimenti all’arco
elettrico codificati secondo la norma EN
ISO 4063.
Sono richieste caratteristiche di duttilità,
snervamento, resistenza e tenacità in
zona fusa ed in zona termicamente
alterata non inferiore a quella del materiale
base
5 novembre 2013
Acciai strutturali
La composizione chimica ha notevole
importanza sulla saldabilità
5 novembre 2013
Acciai strutturali
La composizione chimica ha notevole
importanza sulla saldabilità
5 novembre 2013
Acciai strutturali
5 novembre 2013
Acciai strutturali
In presenza di tenori di carbonio equival.
C > 0,22% > 0,41 e di spessori >= 40 mm ,
sono richieste precauzioni speciali per
effettuare la saldatura, particolarmente per
quanto riguarda il tenore di idrogeno del
metallo fuso, la temperatura di pre-riscaldo
e le condizioni di apporto termico.
Gli acciai per impieghi a basse temperature
(< -20 °C) non dovranno comunque avere
un tenore di zolfo superiore a 0,010 %.
5 novembre 2013
Acciai strutturali
Anche nelle norme di prodotto, di acciai
ritenuti idonei ai vari processi di saldatura,
“l’idoneità non è illimitata”, in quanto oltre alla
qualità e quindi alla composizione chimica,
entrano in gioco, altre varianti da non
sottovalutare come per esempio lo spessore,
la pulizia dei lembi di saldatura, la presenza
di umidità ecc….
5 novembre 2013
Acciai strutturali
All’aumentare:
- dello spessore della lamiera,
- dei valori resistenziali,
-della percentuale di carbonio equiv.
aumenta quindi il rischio della formazione di
cricche a freddo.
Tale fenomeno pertanto può essere la
conseguenza della presenza di idrogeno
diffusibile nel metallo di saldatura, di una
struttura fragile nella zona termicamente
alterata e della concentrazione rilevante di
sollecitazioni a trazione nel giunto saldato.
5 novembre 2013
Acciai strutturali
S185
S235JR
S235J0
S235J2
S275JR
S275J0
S275J2
S355JR
S355J0
S355J2
S355K2
5 novembre 2013
Le due lettere (JR, JO, J2 e K2) indicano
l’attitudine all’insensibilità alla rottura fragile
(in parole più semplici potremmo dire il
comportamento del materiale sottoposto ad
un urto).
Acciai strutturali
S185
S235JR
S235J0
S235J2
S275JR
S275J0
S275J2
S355JR
S355J0
S355J2
S355K2
5 novembre 2013
Altre sigle che si possono trovare in queste
tipologie di acciai sono
Acciai strutturali
Acciai strutturali
La composizione chimica
5 novembre 2013
Acciai strutturali
Fragilità alle basse temperature
La scelta della qualità dell’acciaio e
l’eventuale richiesta di ulteriori requisiti
particolari dovrebbe essere fatta in modo da
evitare fenomeni di rottura fragile.
In particolare per la scelta della qualità
dell’acciaio strutturale da impiegare a basse
temperature possono essere utilizzate le
tabelle seguenti
5 novembre 2013
Acciai strutturali
5 novembre 2013
Acciai strutturali
Fragilità alle basse temperature
La scelta della qualità dell’acciaio e
l’eventuale richiesta di ulteriori requisiti
particolari dovrebbe essere fatta in modo da
evitare fenomeni di rottura fragile.
In particolare per la scelta della qualità
dell’acciaio strutturale da impiegare a basse
temperature possono essere utilizzate le
tabelle seguenti
5 novembre 2013
Qualità dell’acciaio
La qualità dell’acciaio è determinata dai
difetti presenti.
Scheggiature, cricche e bolle (superficiali)
Cricche, porosità, inclusioni e segregazioni
(interni)
Le inclusioni in genere sono i peggiori
difetti nell’acciaio
Acciai calmati con alluminio hanno
maggiore contenuto di inclusioni
5 novembre 2013
Qualità dell’acciaio
Le inclusioni di alluminio provocano la
formazione di scheggiature o di
microcricche
5 novembre 2013
Qualità dell’acciaio
Rame e stagno sono particolarmente
nocivi negli acciai
Qualità dell’acciaio
Il tipico problema che si riscontra è quello
dell’hot shortness
5 novembre 2013
Qualità dell’acciaio
La segregazione a bande degli elementi
alliganti è un’altro dei principali problemi
negli acciai strutturali
Essa deriva da una segregazione durante
la solidificazione.
5 novembre 2013
Qualità dell’acciaio
Il principale elemento che provoca questo
fenomeno è il Mn
5 novembre 2013
Qualità dell’acciaio
Pertanto è importante che negli acciai
strutturali non vi sia Mn > 1,8%
Teoricamente è possibile ridurre il
bandeggiamento mediante trattamento
termico ma risulta troppo oneroso
5 novembre 2013
Qualità dell’acciaio
Il fosforo è un potente infragilente
dell’acciaio in quanto forma fasi eutettiche
a bordo grano
Comunemente non deve superare 0,04%,
ma se sono richieste alte duttilità, esso
deve essere il più basso possibile
Vi sono acciai rifosforati con P= 0,1% che
sono usati per rulli di laminazione
5 novembre 2013
Qualità dell’acciaio
Cosa fare per sapere se l’acciaio è
conforme.
Verificare se le composizioni chimiche
rientrano nelle specifiche
Verificare che le specifiche siano adatte
alla applicazione
Misurare la durezzapuò essere una valida
alternativa per gli acciai strutturali
5 novembre 2013
Qualità dell’acciaio
La durezza da un valore approssimato del
carico di resistenza dell’acciaio
5 novembre 2013
Qualità dell’acciaio
Verificare se vi sono difetti caratteristici
Se il pezzo è stato ricavato da
deformazione plastica a caldo (forgiatura,
laminazione..) vi possono essere filature,
inclusioni, bruciature che possono influire
negativamente sull’utilizzo
5 novembre 2013
Qualità dell’acciaio
Verificare se vi sono difetti caratteristici
Nel caso di getti vi possono essere cavità
da ritiro, gocce fredde, soffiature, cricche a
caldo sopratutto superficiali
5 novembre 2013
Qualità dell’acciaio
Verificare se vi sono difetti caratteristici
Nel caso di getti vi possono essere cavità
da ritiro, gocce fredde, soffiature, cricche a
caldo sopratutto superficiali
5 novembre 2013
Qualità dell’acciaio
Verificare se vi sono difetti caratteristici
Nel caso di saldature verificare la
posizione del difetto
Se sul il cordone probabilmente erano
presenti soffiature, cricche sottopelle
Se nella ZTA verificare le caratteristiche
del metallo (composizione)
5 novembre 2013
Conclusione
La composizione e la qualità
dell’acciaio (assenza di difetti) sono
fondamentali per un suo corretto impiego
Ciononostante è fondamentale avere tutte
le informazioni per poter eseguire
correttamente la lavorazione e nel caso di
problemi, risalire alla causa che ha
scatenato il problema.
5 novembre 2013
5 novembre 2013