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6. Acciai legati: definizione e designazione convenzionale.
L�insufficenza delle propriet� degli acciai non legati per talune applicazioni impone l�impiego degli acciai legati. La normativa UNI EN 10027 fissa due sistemi di designazione degli acciai.
� Designazione alfanumerica (UNI EN 10027 parte 1�).
Si considerano due gruppi principali:
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
: La designazione comprende:- un simbolo principale, che indica la caratteristica meccanica o fisica oppure l�impiego. Esempi:
S = acciai per impieghi strutturali
P = acciai per impieghi sotto pressione
L = acciai per tubi di condutture
B = acciai per cemento armato
R = acciai per o sotto forma di rotaie
- un numero pari alla valore minimo della propriet� meccanica o fisica che deve essere specificata (sempre secondo normativa). Ad esempio, per i casi sopra elencati, si deve aggiungere il carico unitario di snervamento minimo in N/mm
2.
Gruppo 2
: Questo gruppo si suddivide in quattro sottogruppi:Sottogruppo 2.1 (Mn<1%):
- La lettera C.
- Il tenore medio in C moltiplicato 100.
Sottogruppo 2.2 (Mn>1%, il tenore di tutti gli elementi di lega � < 5%):
- Il tenore medio in C moltiplicato 100.
- I simboli chimici degli elementi di lega caratterizzanti l�acciaio (in ordine decrescente rispetto ai rispettivi tenori).
- I numeri indicanti i valori dei tenori degli elementi di lega moltiplicati per un determinato fattore dato nella seguente tabella:
Elemento Fattore
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10
Ce, N, P, S 100
B 1000
Sottogruppo 2.3: Acciai legati (con eccezione acciai rapidi) in cui il tenore di almeno un elemento di lega � >5%.
- Lettera X
- Il tenore medio in C moltiplicato 100.
- I simboli chimici degli elementi di lega caratterizzanti l�acciaio (in ordine decrescente rispetto ai rispettivi tenori).
- I numeri indicanti i valori dei tenori degli elementi di lega.
Sottogruppo 2.4: Acciai rapidi.
- Lettere HS.
- I numeri indicanti i valori dei tenori degli elementi di lega, nel seguente ordine :
- Tungsteno (W),
- Molibdeno (Mo),
- Vanadio (V),
- Cobalto (Co).
� Designazione numerica (UNI EN 10027 parte 2�).
Tale designazione � complementare alla precedente designazione alfanumerica.
La formulazione � la seguente:
1. XX XX(XX)
ove:
1. � il numero di gruppo del materiale (1 = acciaio)
XX numero di gruppo dell�acciaio (fornito in un prospetto della normativa)
XX(XX) Numero sequenziale, attualmente di due cifre, ma � previsto un aumento fino a quattro cifre.
E� importante sottolineare che la designazione numerica pu� essere attribuita soltanto ad acciai che hanno una diffusione commerciale.
6.1. Influenza degli elementi di lega.
Le trasformazioni in condizioni di equilibrio degli acciai non legati sono rappresentate in modo soddisfacente sul diagramma binario Fe-C. Se si considera come riferimento tale diagramma, si pu� schematizzare l�influenza degli elementi di lega, insistendo sui tre punti pi� importanti dal punto di vista metallurgico:
- Modificazione dello sviluppo delle reazioni, delle temperature e dei tenori corrispondenti alle trasformazioni eutettiche ed eutettoidiche.
- Modificazione dell�estensione dei domini di esistenza delle soluzioni solide CFC e CCC: effetto gammageno oppure alfageno che viene a sommarsi a quello gammageno del carbonio.
- Modificazione della natura dei carburi in equilibrio, a seconda che l�elemento sia o meno carburigeno.
6.1.1 Diagrammi di equilibrio.
Nel caso in cui si abbia un solo elemento di lega principale, il sistema pu� essere considerato come ternario Fe-C-X. Nei casi pi� complessi, si possono utilizzare dei diagrammi approssimativi pi� semplici, che raggruppano gli elementi aventi una identica influenza (ad esempio, il diagramma di Schaeffler).
Se l�approssimazione ternaria � valida, si possono utilizzare dei diagrammi bidimensionali sotto forma di:
- Sezioni ternarie isotermiche: se si considerano delle sezioni isotermiche opportunamente scelte dei diagrammi ternari, si pu� ottenere una rappresentazione conveniente dell�evoluzione della lega.
- Sezioni pseudo-binarie: il tenore di uno degli elementi � considerato costante.
Sono disponibili delle relazioni empiriche che permettono di ottenere i punti di trasformazione in funzione del tenore degli elementi di lega, ciascuno moltiplicato per un coefficiente (positivo oppure negativo).
Ad esempio (per %C<0.6):
Ac
1(�C)=727+10.7(%Mn)-16.9(%Ni)+29.1(%Si)+16.9(%Cr)+6.38(%W)+ 290(%As)La visualizzazione dell�influenza della presenza di elementi di lega sulla estensione del dominio austenitico � possibile utilizzando la proiezione di sezioni pseudo-binarie (allo stesso tenore dell�elemento X) sul piano Fe-C.
La presenza del carbonio negli acciai pu� portare alla formazione di carburi con i differenti elementi di lega. L�affinit� termodinamica per il carbonio dei differenti elementi pu� essere classificata con la seguente sequenza (ad affinit� crescente):
Si-Al-Cu-Ni-Co-Fe-Mn-Cr-Mo-W-V-Ti-Nb
Quindi, negli acciai, gli elementi a sinistra del ferro non sono carburigeni, mentre quelli a destra lo sono.
I carburi che si formano sono di due tipi, in funzione della natura dell�elemeto e del suo tenore:
- Cementiti legate (Fe,X)3C , ortorombica.
- Carburi (Fe,X)mCn , fra cui i principali sono M23C6 , M6C , M2C , M7C3 , MC.
Si pu� definire un coefficiente di ripartizione di un elemento fra due fasi: nel caso pi� comune fra carburi e ferrite (XK/Xa) esso dipende dal suo tenore ma anche da quello degli altri elementi:
- Si, Al, Cu, Co hanno un coefficiente di ripartizione nullo.
- Mn, Cr, W, MO hanno un coefficiente di ripartizione medio.
- V, Ti, Zr, Nb hanno un coefficiente di ripartizione elevato.
6.1.2. Influenza degli elementi di lega sulle propriet�.
In questo paragrafo si considerer� il caso degli acciai ferrito-perlitici debolmente legati. L�influenza specifica che si ha in alcune leghe fortemente legate (acciai inossidabili, acciai per utensili) sar� considerata successivamente.
Si � gi� visto che i fattori metallurgici principali negli acciai ferrito-perlitici sono:
- la frazione di ferrite e di perlite;
- le microstrutture dei due costituenti (grandezza del grano ferritico d, distanza fra le lamelle di perlite D).
I vari elementi di lega possono essere presenti solo nella ferrite (ad esempio P, Si, Al, Cu, Ni, Co) oppure si possono ripartire fra ferrite e carburi (ad esempio Mn, Cr, W, Mo, V).
Gli elementi solubili nella ferrite influenzano le propriet� secondo due meccanismi differenti:
- per effetto della messa in soluzione solida, a cui consegue un aumento di R
e ed un aumento della temperatura di transizione fragile-duttile;- per il loro carattere alfageno o gammageno: gli elementi gammageni, grazie all�abbassamento del punto A3, comportano un affinamento del grano ferritico, con un miglioramento di Re e della temperatura di transizione fragile-duttile; gli elementi alfageni hanno l�effetto inverso.
- per la loro azione indiretta sulla presenza di precipitati fragilizzanti ai bordi grano (effetto estremamente negativo sulla temperatura di transizione fragile-duttile).
Per questa classe di acciai sono valide relazioni del tipo:
dove bi rappresenta l�azione dell�elemento Xi per effetto della messa in soluzione solida. Si ha che bC,N >> bNb > bP >> bSi > bMn,Mo,Ni > bCr . Anche la temperatura di transizione fragile-duttile pu� essere oggetto di una simile analisi. Gli elementi gammageni (Mn, Ni) permetteranno una forte diminuzione della temperatura di
transizione (ad esempio il Ni fa diminuire tale temperatura di 30�C per ogni % aggiunto), mentre quelli alfageni aumenteranno tale temperatura anche in modo notevole (ad esempio, il Si aumenta la temperatura di transizione di 70�C per ogni % aggiunto).
Una applicazione di questi risultati � l�impiego del Ni per usi criogenici: il nickel � l�unico elemento che aumenta la duttilit� ed, allo stesso tempo, sposta la zona duttile verso le basse temperature.
La presenza di taluni elementi in soluzione solida permette di controllare la formazione di precipitati fragilizzanti, grazie all�azione che essi hanno sulla solubilit� del carbonio e dell�azoto.
Per gli acciai ferrito-perlitici debolmente legati la presenza di elementi di lega nella cementite non ha una grande importanza. Pi� interessante � l�azione sulla distanza interlamellare: il rallentamento della diffusione e l�abbassamento del punto A1 (Ni e Mn) comportano un affinamento della microstruttura perlitica e, quindi, un miglioramento di Re. Il miglioramento delle propriet� meccaniche pu� essere ottenuto mediante aggiunta di
elementi favorevoli come il Ni, il Mn ed il C, ma, problemi legati alla saldabilit� limitano spesso i tenori utilizzabili. Si pu� ugualmente aumentare Re mediante dispersione di una seconda fase nella massa ferritica, controllando la distribuzione e la morfologia dei precipitati. Gli elementi pi� utilizzati sono Nb, Ti, V. Ad un aumento di Re corrisponde una diminuzione della resilienza, ma, dato che effetto indurente � notevole, si pu� diminuire il tenore in C, migliorando la resilienza. In tale modo si ottengono gli acciai a dispersoidi microlegati.