Acciai: influenza degli elementi di lega

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Acciai: influenza degli elementi di lega
Acciai: influenza degli elementi di lega

 • Influenza del Nichel (Ni)
Ni = 25-28% perdita proprietà magnetiche
Ni = 36-38% massimi e minimi di diverse proprietà
Ni = 78% massimo permeabilità magnetica

Durante l’elaborazione della colata il Ni non prende
parte ad alcuna reazione, ma viene aggiunto nella
prima parte (bagno effervescente) perché la ferro
lega di Ni contiene H.
Il Ni non forma carburi
Il Ni favorisce la grafitizzazione del C

Diminuiscono T ricottura e tempra
Diminuiscono velocità critiche
Aumenta la penetrazione di tempra
Aumenta la tenacità, a parità di Rm
Non peggiora la deformabilità a freddo ed a caldo

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Acciai: influenza degli elementi di lega
• Influenza del Manganese (Mn)
E’ completamente solubile in tutte le proporzioni.
Ha un comportamento simile al Ni.
Tutti gli acciai contengono un po’ di Mn (viene utilizzato
come disossidante e desolforante , 0.3-0.4%).
Le strutture martensitiche sono troppo fragili

Caratteristiche positive
         Diminuisce T ricottura e tempra
         Aumenta penetrazione di tempra
         Diminuisce v raffreddamento critica e le deformazioni
         di tempra
         Aumenta la tenacità a parità di Rm
         Aumenta Rm (100MPa/1%Mn)
         Migliora deformabilità a caldo

Caratteristiche negative
         Diminuisce conducibilità termica
         Diminuisce deformabilità a freddo
         Aumenta la sensibilità al surriscaldo
         Diminuisce la lavorabilità per acciai austenitici
         Peggioramento proprietà magnetiche ed elettriche
         Inconvenienti nella cementazione

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Acciai: influenza degli elementi di lega
• Influenza del Cobalto (Co)
Non si ossida e può essere aggiunto alla colata in
qualsiasi momento
Aumenta la velocità critica (diminuisce la
penetrazione di tempra)
Favorisce la grafitizzazione
Rende più stabile la martensite

• Influenza del Rame (Cu)
Può essere aggiunto in qualunque momento
Migliora le caratteristiche a caldo
Fino allo 0.25÷0.30% migliora la resistenza alla
corrosione atmosferica
• Influenza dell’Azoto (N)
 Aumenta leggermente Rm, A%, Z%
 Stabilizza austenite

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Acciai: influenza degli elementi di lega
• Influenza dell’Alluminio (Al)
   Ha un energico effetto disossidante
   Forma con l’azoto dei nitruri durissimi
   Conferisce resistenza all’ossidazione a caldo
   Peggiora la saldabilità

• Influenza del Cromo (Cr)
   Forma carburi stabili
   Diminuisce la conducibilità termica
   Finchè la struttura è perlitica, Rm aumenta
   senza diminuzione di A, Z, K
   Conferisce stabilità al rinvenimento ala
   struttura temprata
   Aumenta la resistenza alla corrosione ed alla
   ossidazione

• Influenza del Titanio (Ti), Tantalio (Ta)
e Niobio (Nb)
   Formano composti intermetallici tipo Fe3Ti,
   con      conseguente       indurimento  per
   precipitazione
   Ti è un forte disossidante
   Formano carburi                        144
Acciai: influenza degli elementi di lega
• Influenza del Molibdeno (Mo)
   Appartiene allo stesso gruppo del Cr e forma
   carburi duri e stabili
   Può essere aggiunto in qualsiasi momento
   Con il 3% si chiude il campo γ, al 10% si
   chiude il campo α, oltre si forma Fe3Mo2
   Aumenta la temprabilità
   Ha un ottimo effetto indurente
   Aumenta la stabilità della martensite a T
   elevata
   Aumenta il limite di fatica e di scorrimento a
   caldo
   Diminuisce effetto di surriscaldamento
   Elimina la fragilità al rinvenimento

• Influenza del Vanadio (V)
   Simile al Cr, forma carburi
   Potente disossidante
   Legandosi con il C, diminuisce la temprabilità
   Affina il grano
   Aumenta la resistenza a caldo
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Acciai: influenza degli elementi di lega
• Influenza del Tungsteno (W)
  Meno ossidabile del Fe, può essere aggiunto
  in qualsiasi momento
  Aumenta temprabilità
  Notevole effetto indurente
  Può sostituire (con una % doppia) il Mo
  Comporta una limitata conducibilità termica

• Influenza del Silicio (Si)
  E’ sempre presente e si parla di acciai al Si
  per tenori superiori al 1%
  Aumenta R ed HV mentre K, A, Z
  diminuiscono
  Diminuisce la v critica e quindi aumenta la
  temprabilità
  Conferisce resistenza agli acidi ed
  all’ossidazione a caldo
  Riduce la velocità di diffusione del C (quindi
  effetto negativo sulla cementazione)
  Influenza dannosa sulla deformabilità a caldo
  Sensibilità al surriscaldo (ingrossamento del
  grano)                                     146
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• Influenza dello Zolfo (S)
  A seguito della formazione di un eutettico
  bassofondente (988°C) a bordo grano, si ha la
  fragilità a caldo dell’acciaio
  Ni, Co, Mo formano solfuri con punti di
  fusione ancora più bassi
  Cr, Zr, Mn formano solfuri a distribuzione
  puntuale non dannosa con elevate T di fusione.
  Questi solfuri migliorano la lavorabilità a caldo

  Peggiora la resilienza, specialmente con
  elevato C
  Fino allo 0.2% non si hanno peggioramenti
  evidenti. Si richiede comunque un tenore
  inferiore allo 0.005 ed anche allo 0.003 per
  l’elevata tendenza alla segregazione nella parte
  centrale del lingotto.
  Data la miscibilità praticamente nulla, lo zolfo
  da luogo ad inclusioni non metalliche che
  diminuiscono il limite di fatica

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Acciai: influenza degli elementi di lega
• Influenza del Fosforo (P)
   Simile allo S, per P%>0.2% la resilienza
   diviene nulla
   Il tenore limite è più basso dello 0.2%, in
   quanto il P si scioglie anche nell’acciaio
   anche allo stato solido.
   Per acciai particolarmente tenaci si arriva a
   tenori inferiori allo 0.02%
• Influenza dell’ Ossigeno (O)
   Peggiora le proprietà meccaniche
   Peggiora le proprietà fisiche
   Aumenta la sensibilità al surriscaldo
   Peggiora la lavorabilità a caldo
   Dato che la solubilità dell’O nel Fe è
   praticamente     nulla,     tutto   l’ossigeno
   contenuto è quello nelle inclusioni non
   metalliche

• Influenza dell’Idrogeno (H)
   Fa diminuire A, Z, K
   Può far formare i “fiocchi” durante il
   raffreddamento del pezzo
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Acciai: influenza degli elementi di lega
Designazione alfanumerica
        (UNI EN 10027 parte 1°)
 • Gruppo 1: acciai designati in base al loro
 impiego ed alle loro caratteristiche meccaniche o
 fisiche;
 • Gruppo 2: acciai designati in base alla loro
 composizione chimica (suddivisi in quattro
 sottogruppi).

Gruppo 1
- un simbolo principale, che indica la caratteristica
meccanica o fisica oppure l’impiego
- un numero pari alla valore minimo della proprietà
meccanica o fisica che deve essere specificata

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Acciai: influenza degli elementi di lega
Gruppo 1
Si suddivide in 4 sottogruppi:
- Sottogruppo 1 (%Mn1, tenore complessivo
elementi di lega  5%)
        Lettera X
        Tenore C moltiplicato 100
        Simboli chimici elementi di lega
        Tenore elementi di lega
- Sottogruppo 4 (acciai rapidi)
        Lettere HS
        Tenore dei seguenti elementi: W, Mo, V, Co

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Designazione precedente
              (UNI EU 27)

Si possono considerare 5 grandi categorie di acciai
  •acciai da costruzione di uso generale;
  •acciai speciali da costruzione;
  •acciai da utensili;
  •acciai per usi particolari;
  •acciai inossidabili.                      151
Acciai da costruzione di uso generale
 • Sono posti in opera senza trattamento termico,
 al massimo, dopo normalizzazione.
 • Si richiede unicamente di possedere un certo
 valore minimo di Rs
  Ciò può essere ottenuto mediante:
  • Affinamento del grano mediante precipitati fini
  • Incrudimento per deformazione plastica a freddo
  • Rafforzamento per soluzione solida (Mn, Si)
  • Rafforzamento per dispersione di precipitati (in
  presenza di Nb, Ti, V)
  •Presenza di bainite e/o martensite

 Per costruzioni saldate, bullonate e chiodate
              %Cmax %Pmax %Smax %Nmax
Fe360B        0.19 0.045 0.045 0.009
Fe410D        0.18 0.040 0.040           -
Fe510D        0.20 0.040 0.045           -

Hanno Rs
Si introducono elementi di lega per aumentare
Rs con una buona resilienza ed accettabile
resistenza alla corrosione atmosferica.

L’incremento del tenore di C è il modo più
semplice per ottenere elevati valori di Rs

Esistono delle relazioni empiriche che
permettono di correlare la resistenza meccanica
R con la composizione chimica:
R = RFe + ∆RC +       Σ∆REl

  Influenzato dal          Indipendente dal
trattamento termico      trattamento termico

                                               153
Ad esempio:

R = 300+ n 1000 %C + 100 (%Si -
0.30) + 150 (%Mn-%C)+ 40 %Ni +
150 %Cr + 300 %Mo + 700 %V +
50 %Al
Con:
n=1           Trinv = 600°C
n = 2.3       Trinv = 450°C
n = 3.8       Trinv = 200°C
n=4           Trinv = 150°C

                              154
Altre composizioni chimiche

%C     %Mn    %Si    %Cr      %Ni    altri
0.22   1.60   0.50   0.30     0.60   V,Mo    Norm.
0.20   1.00   0.35   0.35     0.65   V, Mo   Bon.
0.12   1.70   0.35   0.30     0.50   Nb,V    HSLA
0.12   0.50   0.70   1.25     0.65   Cu      Corten
0.19   1.25   0.30   0.65      -     V,Cu    Corten

%S < 0.02
%P < 0.02

                                              155
Acciai speciali da costruzione
0.1
Variazione della resistenza meccanica, per gli
acciai speciali da costruzione, al variare di Trinv

  Si possono considerare in questo gruppo:
  • acciai da bonifica
  • acciai da nitrurazione
  • acciai da cementazione
  • acciai per molle
  • acciai autotempranti
  • acciai speciali per cuscinetti a rotolamento
  • acciai per funi
  • acciai per particolari applicazioni
  • acciai maraging                            157
Acciai da bonifica
Sono adatti a sopportare sforzi, urti e vibrazioni.
I valori massimi degli elementi di lega sono:
0,2
Alcuni acciai da bonifica:
               %C     %Mn    %Cr      %Ni      %Mo
C25            0.25   0.60   ------   ------   ------
C60            0.60   0.75   ------   ------   ------
41Cr4          0.40   0.65   1.00     ------   ------
36CrMn5        0.35   1.00   1.15     ------   ------
35CrMo4        0.35   0.75   1.00     ------   0.20
39NiCrMo3      0.39   0.65   0.85     0.85     0.20
30NiCrMo12     0.31MPa       0.65     0.80     2.90
       0.45

Proprietà meccaniche (valori minimi di Rm ed Rs
[MPa] e di A% e K [J])
               Rm     Rs     A%       K
C25            625    360    19       37.5
C60            905    590    11       -----
41Cr4          1030   735    11       25
36CrMn5        980    685    12       25
35CrMo4        1030   735    11       30
39NiCrMo3      1080   785    11       30
30NiCrMo12     1080   785    14       40

                                                 159
Acciai da nitrurazione
Dopo bonifica, sono sottoposti al trattamento di
nitrurazione (50 ore a 525°C).

Il Mo viene aggiunto per evitare il problema della
fragilità al rinvenimento
%C
Acciai da cementazione
Sono sottoposti al trattamento termochimico, seguito
da una tempra ed un rinvenimento a 150°C.
Il tenore di C è basso sia per avere una buona
cementazione, che per avere una elevata tenacità nel
cuore
                       %C < 0.2
                       %Mn < 2
                        %Ni < 5
                        %Cr < 2
                      %Mo < 0.5

            C          Mn     Cr     Ni     Mo
 C10        0.1        0.50   -      -      -
 C15        0.15       0.50   -      -      -
 16MnCr5    0.16       1.15   -      -      -
 18CrMo4    0.18       0.75   1.0    -      0.20
 12NiCr3    0.12       0.45   0.55   0.65   -
 16CrNi4    0.16       0.85   0.95   0.95   -
 16NiCrMo2 0.16        0.80   0.50   0.55   0.20
 16NiCrMo12 0.16       0.55   0.95   2.95   0.35
                                             161
Acciai per molle
Si distinguono dagli altri acciai per l’elevato valore
di Rs, ottenuto agendo sia sulla composizione
chimica che sulla temperatura di rinvenimento
(400-450°C invece di 600°C).
Nel caso degli acciai non legati si utilizzano tenori
di C piuttosto elevati, mentre nel caso degli acciai
legati il tenore di C è inferiore, con valori più
elevati di Si e Mn. (
Acciai autotempranti
Sono quegli acciai che prendono tempra dopo un
semplice raffreddamento all’aria. Essi vengono
rinvenuti a 200°C. Si ottengono in tale modo delle
resistenze elevatissime (2000MPa) con una
tenacità soddisfacente.
%C+%Ni+%Cr = 5-7
0,3
Acciai speciali per
              cuscinetti da rotolamento
Si impiegano acciai ipereutettoidici che, dopo
trattamento di ricottura, assumono struttura globulare
che coincide con la massima lavorabilità e predispone
l’acciaio alla tempra.
%S
Acciai per funi
Il prodotto è caratterizzato da una elevata
resistenza a trazione, resistenza alla torsione,
resistenza piegamento, tenacità.
Tali caratteristiche sono ottenute con una scelta
ottimale della composizione chimica (%C), della
deformazione plastica (grado di incrudimento),
trattamento termico (patentamento)
Normalmente 0.2
Acciai speciali da costruzione per
          particolari applicazioni
Si ricordano gli acciai per lavorazioni ad elevata
velocità, con percentuali notevoli di S oppure con
un contenuto non trascurabile di Pb

              %C     %Mn    %Si     %S     %P
10S22         0.10   0.70   0.30    0.22   0.05
35SMn10       0.35   1.50   0.25    0.10   0.02
35SMnPb       0.35   1.50   0.25    0.10   0.02

                                             166
Acciai speciali da costruzione con
       elevatissime caratteristiche
            Acciai maraging
• Non è necessaria la presenza del C, anzi è
dannosa (%C
La scelta del tenore del Ni è dettata dalle seguenti
considerazioni:
• Se Ni23 si ha della austenite residua non
trasformata

La presenza del Mo e del Ti aumenta
notevolmente l’isteresi della trasformazione α/γ

Si possono ottenere valori di
Rs=1950MPa, con Rm=2000MPa

                                               168
Trattamento termico di Maraging

           Laminazione
           o fucinatura

                                        Solubilizzazione
           Riscaldamento
                                           composti
            a 820±25°C
                                         intermetallici

                                           Struttura
     Raffreddamento in aria
                                         completamente
       fino a T ambiente
                                          martensitica

           Permanenza a                   Precipitazione
          480±15°C per 3-                   composti
           6h (Maraging)                  intermetallici

          %Ni      %Co      %Mo         %Ti          %Al
18Ni200   17-19   8.0-9.0   3.0-3.5   0.15-0.25   0.05-0.15
18Ni300   18-19   8.5-9.5   4.7-5.2   0.50-0.80   0.05-0.15

                                                      169
Acciai per utensili
Le caratteristiche che, da sole o combinate,
vengono richieste a questi acciai sono:
• Elevata durezza a caldo ed a freddo
• Elevata capacità di taglio
• Insensibilità all’addolcimento per rinvenimento
• Elevata penetrazione di tempra
• Insensibilità alle spaccature per oscillazioni
termiche
• Buona resistenza all’usura

Per ottenere queste proprietà si ricorre a valori
elevati del %C (>0,6) ed all’aggiunta di W, Mo, V,
Cr, Co, Mn, Si

Da ricordare che:
• La temperatura di austenitizzazione >> Ac3, in
modo da solubilizzare i carburi precedentemente
precipitati (rischio ingrossamento grano)
• Durante la tempra i vari elementi di lega
modificano fortemente le curve CCT
• Durante il rinvenimento la durezza aumenta
notevolmente grazie alla precipitazione dei carburi
                                               170
Influenza dei vari elementi
C (fra 0.25 e 2%): è sempre presente ed è
l’elemento più importante per aumentare la
durezza, sia per la formazione di martensite che
di carburi.
Mn (
• Acciai per lavorazioni a freddo
Tali acciai sono caratterizzati da una elevata
durezza a freddo (>55HRC) ma da una bassa
durezza a caldo. Si possono distinguere gli acciai
per utensili al C e gli acciai legati per lavorazione
a freddo.

• Acciai per lavorazioni a caldo (T>300°C)
Sono caratterizzati da una resistenza al
rinvenimento,       da       una      insensibilità
all’ingrossamento del grano e da una buona
conducibilità termica. La loro durezza a
temperatura ambiente è compresa fra 40 e 55 HRC
e resta ad un buon livello a caldo, grazie alla
precipitazione di carburi in forma finemente
dispersa.

                                                172
• Acciai rapidi
Sono caratterizzati da una durezza molto elevata
alla temperatura ambiente (>60HRC) e da una
ottima durezza a caldo. Queste proprietà sono
ottenute mediante l’aggiunta importante di
elementi carburigeni (W, Mo, V) associati al Cr
(miglioramento      della   temprabilità)    ed,
eventualmente, al Co.

Acciai semi rapidi (v. taglio ≅ 15 m/min)
%C ≅ 0.8; %Cr ≅ 4; %W ≅ 8; Mo; V

Acciai rapidi (v. taglio ≅ 30 m/min)
Non si usa Co;il W è spesso sostituito dal Mo

Acciai super rapidi (v. taglio ≅ 40 m/min)
0.7
Acciai inossidabili
Sono delle leghe a base di ferro resistenti ad un
gran numero di ambienti corrosivi, in un campo
esteso di temperatura.
L’elemento indispensabile perché un acciaio sia
inossidabile è il Cr che deve essere presente
almeno con un tenore minimo del 12%.
Gli elementi di lega hanno una influenza sulla
struttura di tipo:

ALFAGENO
(come il Cr)

GAMMAGENO
(come il Ni)

                                            174
Si può utilizzare il diagramma di Schaeffler
(valido per le leghe dopo solidificazione), che
permette di determinare la microstruttura
dominante, nota la composizione chimica e la
velocità di raffreddamento.

Nieq = %Ni + 30 %C + 0.5 %Mn
Creq = %Cr + %Mo + 1.5 %Si + 0.5 %Nb

Questi acciai vengono usualmente classificati in
base alla microstruttura e, spesso, viene per essi
utilizzata la designazione americana AISI.
Serie 400: acciai inossidabili ferritici e martensitici
Serie 300: acciai inossidabili austenitici       175
Acciai inossidabili martensitici
          (posseggono A3 ed A1)

Sono caratterizzati da una notevole temprabilità e
la loro velocità di raffreddamento critica
corrisponde a quella relativa ad un raffreddamento
in aria

I trattamenti tipici di questi acciai, che vengono
effettuati nei diversi stadi di lavorazione, sono la
ricottura, la tempra ed il rinvenimento.

Per quanto riguarda il rinvenimento:
per Trinv
Impiego a basse temperature

Impiego ad elevate temperature
Gli acciai martensitici non vengono impiegati ad
elevata T per non eliminare gli effetti della
bonifica, a parte l’AISI 410 (fino a circa 650°C).

                                              177
Acciai inossidabili ferritici
          (non hanno A3 ed A1,
    e non sono induribili per tempra)

Il rischio maggiore è l’ingrossamento del grano.
Per 400°C< T< 600°C si ha la fragilità al
rinvenimento
per 550°C< T< 850°C si ha la precipitazione di
fase σ

Possono essere sottoposti a ricottura       (per
migliorare resistenza meccanica ed           alla
corrosione) ed a ricristallizzazione

                                            178
Impiego a basse temperature

La temperatura di transizione (piuttosto elevata)
può essere abbassata diminuendo il tenore degli
elementi interstiziali (C+N)

Impiego ad elevate temperature
Gli acciai ferritici hanno una elevata resistenza
all’ossidazione (crescente al crescere della %Cr).
L’AISI 446 può resistere fino a 1100°C

                                             179
Acciai inossidabili austenititci
         (hanno A3 ed A1 < 20°C)

Sono esposti al pericolo della sensibilizzazione (600-
700°C), che, in determinate condizioni, rende
possibile l’attacco corrosivo intergranulare.
Per ovviare a tale problema si può:
• Diminuire la % di C (fino a 0.02%)
• Aggiungere elementi di lega stabilizzanti (Nb,Ti),
effettuando il trattamento di stabilizzazione (885°C-
2h)
• Effettuare un trattamento di solubilizzazione
(1000°C)

Fra i trattamenti termici si può ricordare anche la
distensione (a 350-450°C) che viene effettuato solo
in taluni casi

                                                180
Impiego a basse temperature

Impiego ad elevate temperature
Si può avere:
• Precipitazione di carburi
• Segregazione fase σ

                                 181
Acciai per impieghi a bassa T
- fino a 0°C : Acciai al carbonio effervescenti e semicalmati;
- fino a –20°C : Acciai al carbonio calmati;
- fino a –45°C : Acciai al Mn (≅ 1%) calmati e normalizzati;
- fino a –80°C : Acciaio 1.5% Ni normalizzato;
- fino a –103°C : Acciaio 3.5% Ni normalizzato e rinvenuto a
620°C;
- fino a –196°C : Acciaio 9% Ni sia bonificato che
normalizzato e rinvenuto;
- fino a –269°C : Acciai inossidabili austenitici.

   Acciai per impieghi ad elevata T
Devono resistere allo scorrimento viscoso ed alla ossidazione
- fino a 450°C  Acciai al C (%C
Acciaio al 13%Mn (acciaio Hadfield)
             X120Mn12
Amagnetico, estremamente tenace, ha una
elevatissima capacità di incrudimento e viene
utilizato quando si prevedono delle sollecitazioni
contemporanee di urti ed abrasione. Ha una
lavorabilità a freddo nulla.
Per %Mn>12 si ottiene austenite stabile a 20°C. La
composizione tipica è:
%C=1.1-1.4             %Mn=11-14          %Si
Ghise
Sono leghe ferrose che durante la solidificazione
formano, almeno in parte, l’eutettico ledeburitico

 Il passaggio dal diagramma metastabile (linee
 continue a quello stabile (linee tratteggiate) è
 legata alla decomposizione della cementite:
 Fe3C → 3 Fe + C

                                             184
Nel caso delle ghise, l’influenza dei vari elementi
di lega, oltre a riguardare la microstruttura
(elementi alfageni e gammageni) e la capacità di
formare precipitati (ossidi, carburi, nitruri), deve
considerare anche la capacità di agevolare la
decomposizione della cementite, ovvero il loro
effetto grafitizzante.
Il fenomeno della grafitizzazione dipende:
- dalla velocità di raffreddamento (natura della
parete del getto, grandezza del pezzo), con la
grafitizzazione che viene agevolata da velocità di
raffreddamento basse.
- dalla presenza di elementi grafitizzanti, quali il
Si, o di antigrafitizzanti, quali il Mn.

I tenori negli elementi normali di elaborazione,
Mn, Si, P, sono normalmente più elevati che
negli acciai.

                                               185
• Il Si è l’elemento grafitizzante per eccellenza
Il tenore di C corrispondente all’eutettico (Ce)
diminuisce secondo la relazione:
                 Ce = 4.3 - Si/3.2

• Il Ni ha un effetto grafitizzante 4 volte inferiore
a quello del Si
• Al, Ti, Zr hanno una influenza simile a quella
del Si
• Il Cu è un debole grafitizzante e promuove la
formazione di perlite
• Il Cr promuove la formazione di carburi
• Così pure Mo, V, Mn, W
• Ta stabilizza i carburi
                                                186
Influenza della velocità di
         raffreddamento sulla microstruttura

Se si considera un tondo di diametro φ crescente, al centro si
avranno velocità di raffreddamento via via sempre minori

                                                         187
Gli elementi di grafite sono classificati in base a
(UNI3775-73):
• Forma
• Distribuzione
• Dimensione

          Forma degli elementi di grafite

I) Lamelle sottili con punte aguzze
II) Noduli con accentuate ramificazioni di lamelle
III)Lamelle spesse con punte arrotondate
IV) Flocculi frastagliati
V) Flocculi compatti
VI) Noduli a contorno circolare, quasi regolare (sferoidi)
                                                       188
Distribuzione degli elementi di grafite

A) Distribuzione uniforme
B) Rosette non orientate
C) Lamelle non orientate
D) Lamelle in zone interdendritiche
E) Lamelle interdendritiche

                                             189
Le ghise sono tradizionalmente classificate nei
seguenti gruppi:

• ghise grigie, così chiamate dal colore scuro
delle superfici di frattura, grazie alla presenza di
carbonio grafitico;
• ghise bianche, così chiamate dal colore chiaro
delle superfici di frattura, per la presenza del
carbonio sotto forma di cementite;
• ghise malleabili, così chiamate per la loro
elevata deformabilità;
• ghise sferoidali, in cui gli elementi di grafite si
trovano sotto forma sferoidale;
• ghise legate, che , grazie ad elevati tenori di
alcuni elementi di lega, sono caratterizzate da
particolari proprietà, come la resistenza al calore
ed alla corrosione.

                                                190
Ghise grigie
Sono dette tali dal colore della superficie di frattura
2 < %C < 4.5
1 < %Si < 3
Durante la solidificazione si forma l’eutettico
grafite-cristali γ.
 Per ottenere la resistenza di un getto di ghisa
 grigia si utilizza il seguente nomogramma

  HB provetta
  R provetta
  HB getto      }     R getto
                                                  191
Le curve σ - ε non seguono la legge di Hooke
E è determinata arbitrariamente con delle formule
empiriche oppure con la pendenza fra l’origine ed
un punto corrispondente ad una sollecitazione pari
ad 1/4 Rm

Hanno una buona resistenza all’usura e lavorabilità
(per asportazione di truciolo).
Sopra i 300°C si hanno:
- grafitizzazione e formazione carburi
- processi di ossidazione e corrosione
- trasformazioni allotropiche

                                              192
Ghise bianche
Il carbonio si trova legato a formare cementite.
La ghisa solidifica e raffredda secondo il sistema
metastabile. Per ottenerla si possono modificare la
composizione chimica oppure la velocità di
raffreddamento
2.5 < %C < 3.5 (dipende dalla durezza desiderata)
%Si < 0.7
Cr (di solito
Ghise malleabili
Sono ottenute da ghise bianche
Sono caratterizzate da una certa plasticità a freddo
Si ottengono mediante malleabilizzazione
Si possono avere due processi di malleabilizzazione:
• a cuore bianco
• a cuore nero

Ghise malleabili a cuore bianco
  Riscaldamento a 900-
   1000°C in ambiente
  decarburante (Fe2O3)     • Grafitizzazione
                           • Diffusione del C
    Permanenza per         • Decarburazione superficiale
        un tempo
    sufficiente (120-
          150h)

  Raffreddamento a T     Piccole sezioni: matrice ferritica
  ambiente molto lento   Grosse sezioni: matrice perlitica

                                                    194
Ghise malleabili a cuore nero
  Riscaldamento a
 950°C in ambiente
       neutro           • Grafitizzazione
                        • Diminuzione della solubilità
 Permanenza per un      del C nella austenite
  tempo sufficiente

Raffreddamento a T     Matrice prevalentemente
ambiente molto lento           ferritica
                       La grafite che si ottiene
                       è sotto forma di noduli
                             di ricottura

                                                   195
Ghise sferoidali

• La grafite precipita sotto forma di noduli
• Sono duttili
%C = 3.4-4
%Si = 2-3
%Mn = 0.1-0.8
%P < 0.01
%S < 0.02
Gli elementi che permettono la sferoidizzazione
della grafite sono Mg, Ce, Ca, Li, Na, Ba.
                                            196
%Mg residuo = 0.04-0.08
Trattamenti termici
• Stabilizzazione (540-600°C):      per eliminare
tensioni interne
• Ricottura (850-920°C): per ottenere una struttura
ferritica, per ottenere la massima deformabilità
plastica
• Normalizzazione (900°C): per ottenere struttura
perlitica
• Bonifica
• Tempra superficiale alla fiamma
• Tempra superficiale ad induzione

                                               197
Ghise resistenti alla corrosione
%Si > 3 promuove la formazione di una pellicola
superficiale protettiva negli ambienti ossidanti
%Cr < 35 favorisce la formazione di un ossido
protettivo agli ambineti ossidanti
%Ni < 32 migliora la resistenza agli ambienti
riducenti
%Cu < 6 migliora la resistenza all’acido solforico

Rm = 90-130 MPa

    Ghise al Si      Ghise al Cr    Ghise al Ni
%C     0.4-1            2-4             2-3
%Si   14-17            0.5-3          1-2.75
%Mn   0.4-1            0.3-1.5        0.4-1.5
%Ni      -
Ghise resistenti al calore
• Non si deve avere una eccessiva dilatazione per
grafitizzazione
• La penetrazione dell’ossigeno deve essere
perlomeno limitata
• Si deve avere una buona resistenza alla criccatura
per urto termico
Si, Cr promuovono la formazione di uno strato
protettivo
Ni, Mo aumentano la tenacità ed Rm ad elevata T
Mn, P, Cr, Mo, V riducono dilatazione della ghisa,
in quanto stabilizzano i carburi

          Ghisa lamellare       Ghisa sferoidale
       Al Silicio   Al Cromo        Al Nickel
%C       2-2.5          2-3
Leghe di Alluminio (Al)
L’Al puro è caratterizzato dalle seguenti proprietà:
Rm = 55-90 MPa
Re = 20-50 MPa
HB = 18
E = 66,6 GPa
I prodotti commerciali dell’alluminio sono
tipicamente leghe contenenti Cu, Si Zn, Mg e Mn
           1xxx   Al di purezza industriale
           2xxx   Leghe contenenti Cu
           3xxx   Leghe contenenti Mn
           4xxx   Leghe contenenti Si
           5xxx   Leghe contenenti Mg
           6xxx   Leghe contenenti Mg + Si
           7xxx   Leghe contenenti Zn
           8xxx   Altre leghe

                                               200
Trattamenti termici leghe Al
• Omogeneizzazione: Sono dei riscaldamenti
effettuati a 450-610°C per 6-48 ore effettuati per
disciogliere tutte le fasi eventualmente precipitate.
• Trattamenti di addolcimento: hanno lo scopo di
addolcire un metallo indurito (p.e. a seguito di
tempra strutturale). Se si tratta di restaurazione
viene effettuata a 200-300°C, mentre se si tratta di
una recristallizzazione si effettua a 300-400°C per
0.5-3 ore
• Tempra di soluzione (o tempra strutturale) +
invecchiamento (naturale o artificiale)

                                               201
Leghe di Rame (Cu)
L’Al puro è caratterizzato dalle seguenti proprietà:
Rm = 23-50 MPa
Re = 7-30 MPa
HB = 40
E = 117 GPa
Le leghe più diffuse sono quelle con:
• Zn (ottone)
• Sn (bronzo)
• Si (bronzo al silicio)
• Al (bronzo all’alluminio o cupralluminio
• Ni (cupronichel, monel)

                                               202
Saldatura degli acciai
La saldatura dei materiali metallici è un processo
tecnologico che consiste nel fornire continuità
meccanica e metallica a due o più lembi mediante
fusione     (e/o   pressione)      e    successiva
solidificazione.

Sorgenti di energia impiegate in saldatura, da
sole o in coppia:
• Elettriche Arco
            Plasma
            Scintillio
            Effetto Joule
            Fascio elettronico
• Laser
• Meccaniche   Urto
               Pressione
               Esplosione
               Attrito
               Ultrasuoni
•Chimiche   Fiamma
            Reazioni esotermiche

                                             203
Tecniche di saldatura
• Saldatura per fusione
                        Ad elettrodi rivestiti
                        Ad arco sommerso
           Ad arco      In atmosfera gassosa
                        Elettrogas
                        Plasma

           Chimica
                      { Gas
                        Alluminotermica

           Fisica
                      {   Fascio elettronico
                          Laser
                          Elettroscoria
• Saldatura per pressione
          Elettrica
                      { Resistenza
                        Scintillio
                        Induzione

          Meccanica
                      { Esplosione
                        Attrito
                        Ultrasuoni
          Fuoco       { Bollitura              204
Rappresentazione tridimensionale di
 un cordone di saldatura formato da
 una sorgente termica in movimento

v = velocità movimento sorgente (m/s)
W = potenza erogata (kJ/s)

Quantità di energia disponibile per unità di lunghezza
H = W/v (kJ/m)

Rapporto di diluizione
Rd = vol. metallo base fuso/vol. totale zona fusa
                                                205
1       Liqu.       4 3 2
  1538
                                            1
  1394          2
            δ
T [°C]
                                                HV
                    γ
   912
                3
   727
                4
              α
         0.02 0.2            0.77
                        %C

                                                     206
Evoluzione della temperatura nel tempo al
crescere della distanza dal cordone di saldatura

                                            207
• Zona 1: La temperatura non supera i 600°C circa
• Zona 2: La temperatura è compresa fra 600°C ed
Ac1
• Zona 3: La temperatura è compresa fra Ac1 ed
Ac3
• Zona 4: La temperatura è compresa fra Ac3 e
1100°C circa
• Zona 5: La temperatura è compresa fra 1100 e
1500°C (fusione).
• Zona sotto cordone: nei vari punti del cordone,
per velocità di raffreddamento decrescenti, si
ottengono strutture martensitiche, bainitiche e
ferriito-perlitiche.

                                             208
Influenza delle dimensioni del grano
       nel metallo base e nella zona di
   legame sulla struttura di solidificazione

Possibili difetti macroscopici in una saldatura
          testa-testa in ZF o in ZTA

                                               209
I principali problemi metallurgici della ZF sono:
• Protezione dall’ambiente del bagno metallico
• Condizioni di raffreddamento

I problemi relativi alla solidificazione sono
principalmente tre:
• Formazione di strutture dendritiche
• Formazione di cavità di ritiro
• Inglobamento di particelle non metalliche (ossidi,
scorie,…)

La composizione del metallo di apporto deve
essere simile a quella del metallo base, con le
seguenti modifiche:
• %C inferiore a quello del metallo base (p.e. 0.1%
contro lo 0.2%)
• Mo quasi sempre presente perché aumenta di
molto la resistenza del giunto senza intaccare la
tenacità (0.15-0.75%)
• Ni generalmente più alto del metallo base, per le
stesse ragioni del Mo
• Si, S, P e V ridotti al minimo                210
Lateralmente alla ZF si trova no due ZTA che
possono subire, dopo una parziale oppure totale
austenitizzazione, varie trasformazioni a seconda
dell’apporto termico e della velocità di
raffreddamento

Per la saldabilità di un acciaio si può utilizzare
come parametro il Carbonio equivalente CE:

Ceq = %C + %Mn/6 + (%Cr+%Mo+%V)/5 +
      (%Cu+%Ni)/15
• Ceq < 0.4% : non ci sono particolari problemi
metallurgici
• 0.4< Ceq < 0.60 : si prescrive il preriscaldo dei
lembi
• Ceq > 0.60% si prescrivono sia un pre che un
postriscaldo

                                              211
Precipitazione di carburi in zona
     termicamente alterata

                                212
Corrosione
E’ il processo antitetico a quello della
metallurgia estrattiva in quanto il metallo tende
a riassumere una forma ossidata non dissimile
da quella originaria del minerale. Tale processo
è caratterizzato da una variazione negativa di
energia libera (∆G
Morfologie di corrosione

                           214
Lo schema elementare per introdurre il fenomeno
della corrosione è quello di due metalli diversi a
contatto fra loro e con una soluzione acquosa

                   Na+   Cl-     Na+   Cl-

           Ferro               Rame

Il metallo meno nobile, in questo caso il ferro, si
ossida secondo la reazione anodica:
                 Fe = Fe++ + 2e-

Sulla superficie del metallo più nobile (in questo
caso il rame) si verifica una delle due reazioni
catodiche, secondo la presenza o meno di
ossigeno:

Reazione catodica con ossigeno:
          1/2 O2 + H2O + 2e- = 2OH-
Reazione catodica senza ossigeno:
           2 H2O + 2e- = H2 + 2OH-
                                               215
Na+    Cl-      Na+           Cl-
                                     OH-
                     Fe2+

         Ferro              Rame
                   anodo    catodo

La velocità di corrosione è un parametro che
misura il passaggio di elettroni; nel caso di
corrosione generalizzata, è esprimibile dalla
densità di corrente elettrica (A/m2) che passa tra
catodo ed anodo o dalla variazione di peso
dell’anodo nell’unità di tempo e di superficie
(mg/dm2 giorno) o di perdita di spessore
dell’anodo nell’unità di tempo (mm/anno).

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Serie galvanica dei potenziali in acqua di mare
                         Platino
                          Oro
                        Argento
                        Titanio
              Acciaio inossidabile passivo
                      Leghe di Ni
                         Rame
               Acciaio inossidabile attivo
                  Acciaio al carbonio
                       Alluminio
                         Zinco
                       Magnesio

La corrosione si manifesta anche in presenza di
un solo metallo grazie alla formazione sulla
superficie del metallo di microzone anodiche e
catodiche che cambiano di posizione casualmente
nel tempo e nello spazio. Macroscopicamente si
ottiene un attacco corrosivo generalizzato del
metallo.
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Corrosione galvanica Corrosione uniforme

Corrosione localizzata Corr. sotto schermo

       Pit             crevice

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Metodi di protezione contro la corrosione
• Metodi cinetici: permettono di agire direttamente sulla
velocità di corrosione. In tale categoria possono essere
ricordati:
- l’impiego degli inibitori;
- l’impiego dei rivestimenti;
-in una certa misura, la passivazione anodica, in cui il metallo
viene portato nelle sue condizioni di passivazione, ovvero
riesce a formare uno strato uniforme, sottile, compatto, ed
aderente di ossido superficiale che svolge un ruolo protettivo.

• Metodi termodinamici: essi consistono nel far “funzionare” il
metallo in condizioni di immunità. Si possono citare in tale
categoria:
- la scelta del metallo;
- la protezione catodica, che permette di posizionare il metallo
nella sua zona di immunità.

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Impiego di rivestimenti
Si possono distinguere:
• Rivestimenti metallici, ottenuti per:
          - elettrolisi (Zn, Ni, Cr, Cu, Cd, ...)
          - immersione (Zn, Sn, Al)
          - diffusione di un elemento di lega (Zn, Al)
          - placcatura, su prodotti piani durante la laminazione a
          caldo (saldatura per diffusione). Sono placcati anche su
          acciaio al carbonio: acciai inossidabili, ottone, nickel,
          cupro-nickel, rame, ... .
• Rivestimenti non metallici
          - pitture, vernici contenenti eventualmente degli inibitori
          di corrosione;
          - smalti, vetri;
          - materie plastiche, gomme;
          - fosfatazione;
          - ossidazione anodica (Al) oppure chimica (Mg).

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Corrosione degli acciai inossidabili
Gli acciai inossidabili sono così denominati grazie alla loro
caratteristica resistenza alla corrosione, dovuta alla
formazione di un film protettivo passivante legato alla
presenza del Cr. Diversi sono i parametri che influenzano
la resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili:
• acidità del mezzo aggressivo (pH);
• tenore in ioni alogenuri (essenzialmente Cl-);
• potere ossidante della soluzione aggressiva;
• temperatura.

Questi acciai hanno una buona resistenza alla corrosione
generalizzata, dipendente dalla loro composizione chimica,
ma risultano sensibili ad alcune forme di corrosione
localizzata:
•Vaiolatura (pitting);
•Corrosione cavernosa;
•Corrosione sotto sforzo;
•Corrosione intergranulare

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Vaiolatura
Affinché si possa avere si debbono verificare
contemporaneamente le tre seguenti condizioni:
•Ambiente ossidante
•Presenza di ioni alogenuri (ad esempio Cl-)
•Metallo passivabile (ad esempio acciaio inossidabile)
Caso tipico è quello di strutture in acciaio inossidabile
austenitico immerse in acqua di mare (ambiente ossidante
contenente ioni Cl-)

   Corrosione cavernosa
Attacco corrosivo localizzato in cui fenomeni di idrolisi,
diminuzione del pH e la presenza degli ioni Cl- giocano un
ruolo importante.

   Corrosione sotto sforzo
La corrosione sotto sforzo avviene ogni qual volta si hanno
degli sforzi (esterni, residui post-saldatura, dovuti a
trattamenti meccanici o termici ...) in presenza di ambienti
clorurati. Gli acciai inossidabili austenitici subiscono in
queste condizioni una fessurazione transgranulare piuttosto
importante, mentre gli acciai inossidabili ferritici sembrano
essere meno sensibili a questo tipo di corrosione
                  σ                      σ
                                                        222
Corrosione intergranulare
Affinché si abbia questa forma di attacco corrosivo, il
metallo deve subire un processo di sensibilizzazione ovvero
permanere per tempi sufficienti a temperature comprese fra
500 ed 800°C, con conseguente precipitazione a bordo grano
di carburi di Cromo del tipo Cr23C6. Nel caso questa
precipitazione sia molto spinta si può avere una
depassivazione di queste zone, che divengono anodiche al
contatto con il mezzo aggressivo. Un caso tipico è quello
della corrosione intergranulare nelle zone sensibilizzate nel
caso di saldatura di acciai inossidabili

  I rimedi sono:
  • Solubilizzazione dei carburi precipitati (1000°C);
  • Impiego di acciai a basso tenore di C (< 0,02%)
  • Aggiunta di elementi tipo Ti, Nb, V, Ta (detti
  stabilizzanti) e trattamento di stabilizzazione (permanenza
  a 885°C per due ore, quindi raffreddamento in aria) in
  modo da far precipitare i carburi degli elementi aggiunti e
  NON di cromo.
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