Trattamenti termici Paragrafo 7

7. Temprabilità.

Si può definire come temprabilità di un acciaio la sua attitudine la sua attitudine a non formare aggregati ferrite-carburi, in corrispondenza a dei raffreddamenti sempre più lenti da Ta fino ad Ms. Quindi più è lento il raffreddamento che vede l’inizio della trasformazione A ® F + C, più è elevata la temprabilità.

Lo studio delle trasformazioni anisotermiche dell’austenite permette di precisare i fattori che influiscono sulla temprabilità. In modo generale, tutti i fattori che agiscono sul tempo di incubazione della reazione A ® F + C, cioè sulla velocità di nucleazione della ferrite o della cementite, ha una azione diretta sulla temprabilità:

· La solubilizzazione di elementi di lega nell’austenite, con eccezione del Co, ritarda la nucleazione dei carburi, permettendo di aumentare la temprabilità. Questo spiega il ricorso ad acciai più fortemente legati per risolvere dei problemi di tempra non risolvibili con degli acciai ordinari. La presenza di precipitati o di inclusioni può

apportare dei siti di nucleazione esogena e diminuire la temprabilità.

· Le condizioni di austenitizzazione, fissando la grandezza del grano austenitico e l’omogeneità chimica dell’austenite, hanno un’influenza notevole sulla temprabilità. Un aumento del grano austenitico migliora la temprabilità ma degrada contemporaneamente la maggior parte delle proprietà meccaniche. Non si usa mai questo metodo per migliorare la temprabilità di un acciaio.

7.1 Curve di penetrazione della tempra.

Qualora si effettua la tempra di un pezzo, le velocità di raffreddamento cambiano da un punto all’altro. Per un determinato mezzo di tempra ed una data dimensione del pezzo, si può legare ogni punto del pezzo con una legge di raffreddamento. La differenza di temprabilità fra acciai di differenti composizioni si traduce in una differenza di penetrazione di tempra. Tale penetrazione di tempra può essere quantificata attraverso la misura della durezza dopo il raffreddamento, in funzione della posizione del pezzo. Tale determinazione sperimentale (prova Jominy) viene effettuata su provini cilindrici. La variazione della durezza lungo una generatrice del cilindro permette di quantificare la temprabilità dell’acciaio in oggetto. Le caratteristiche curve ad U della durezza ottenute su una sezione trasversale permettono di identificare l’influenza dei vari fattori sulla temprabilità.

La temprabilità, che dipende essenzialmente dal tenore in elementi di lega, è meno elevata per gli acciai meno legati che per gli acciai al Cr. La durezza massima è più elevata per gli acciai non legati che per gli acciai legati.

7.2 Determinazione della temprabilità e delle caratteristiche dopo tempra.

Per determinare quantitativamente la temprabilità si possono usare i diagrammi CCT e la prova Jominy. Esistono anche dei programmi di calcolo che permettono di prevedere le proprietà meccaniche dopo tempra in funzione della costituzione fisico-chimica del metallo. Taluni programmi permettono anche di ottenere delle previsioni dopo rinvenimento.

Impiego dei diagrammi CCT. Tali diagrammi permettono di identificare, normalmente mediante interpolazione, la velocità di raffreddamento minima che bisogna applicare per evitare di formare degli aggregati di ferrite e carburi. Tale velocità è denominata velocità critica di tempra martensitica (Vr⁷⁰⁰) oppure (Dt ^300-700)

Tale velocità costituisce una valutazione quantitativa della temprabilità di un acciaio austenitizzato in condizioni determinate. Tale valutazione risulta interessante in quanto considera contemporaneamente l’effetto chimico e la grandezza dei grani.

Al fine di ottenere un pezzo completamente martensitico è necessario che la velocità di raffreddamento sia superiore alla velocità critica di tempra martensitica in ogni punto del pezzo. In effetti la legge di raffreddamento T(t) in punto del pezzo dipende dalla conduttività l del metallo, dalla forma e dalle dimensioni del pezzo, dalla capacità di raffreddamento del fluido di tempra che dipende a sua volta dal coefficiente di scambio h legato, fra l’altro, all’agitazione del bagno.

Se si considerano delle forme semplici (tondi, piatti, giunti saldati), i risultati sperimentali sono ben rappresentati da relazioni del tipo:

r = diametro del tondo oppure spessore del piatto.

a, b = coefficienti dipendenti dal mezzo di tempra e dal punto del pezzo considerato.

L’esperienza mostra che la capacità di raffreddamento dei mezzi di tempra

normalmente utilizzati può variare notevolmente. Ad esempio, se si considerano dei tondi austenitizzati a 850°C (ove=s, [d]= mm), al centro dei tondi si ha che:

Se si hanno dei tondi di 100 mm di diametro, le velocità medie di raffreddamento sono rispettivamente 104, 5 103 e 5 102 °C/h.

Il livello degli sforzi residui dopo la tempra costituisce un aspetto importante di un trattamento termico. Il campo degli sforzi interni dipende dalla geometria del pezzo e dal mezzo di raffreddamento utilizzato, ed è legato alla presenza di gradienti di temperatura all’interno del pezzo e ad anomalie di dilatazione associate alle trasformazioni di fase descritte precedentemente.

I gradienti di temperatura dipendono direttamente dalla massività del pezzo e dal mezzo di tempra8. Un mezzo di raffreddamento più severo, comporta una velocità di raffreddamento più elevata, ma anche un gradiente spaziale di temperatura più elevato.

L’esistenza di gradienti termici e la non simultaneità delle trasformazioni dell’austenite metastabile nei diversi punti di un pezzo comporta la formazione di eterogeneità di deformazione legate alla formazione di un campo di sollecitazioni dovuto alla tempra. A

seconda del livello raggiunto dalle sollecitazione e della natura del metallo, il limite elastico può essere superato, con una deformazione plastica più o meno estesa ed una possibile rottura locale del pezzo.

In conclusione, i rischi di incidente di tempra aumentano con la severità H del mezzo, la massività del pezzo, il tenore in carbonio. Gli acciai legati hanno una temprabilità più elevata che i non legati ( a parità di C ). Questi ultimi possono essere temprati in sicurezza solo se si considerano mezzi di tempra non severi.

Principio della prova Jominy. La prova Jominy ha come obbiettivo quello di ottenere, in una sola

operazione effettuata su di una provetta normalizzata (figura 13), delle indicazioni globali sulla temprabilità di

un acciaio (curva Jominy). Tale prova è effettuata in tre fasi (UNI 3150):

Figura 13

- austenitizzazione di una provetta normalizzata ad una temperatura Ta (normalmente fissata dalla normativa);

- raffreddamento di un estremo della provetta effettuato mediante getto d’acqua in condizioni imposte;

- misura della durezza effettuata su una superficie piana ottenuta con una lavorazione effettuata in modo da non avere un riscaldamento eccessivo.

I risultati di una prova unica sono presentati graficamente su una curva HRC = f(Jx) detta curva Jominy dell’acciaio considerato. L’evoluzione di tale curva può essere osservato in figura 14 per diversi acciai.

Figura 14

Man mano che la distanza x aumenta, le velocità di raffreddamento diminuiscono e così pure le durezze (con

formazione prima di bainite, quindi di perlite e cementite).

La temprabilità di un acciaio è in generale rappresentato da una banda Jominy che considera una dispersione delle composizioni in funzione del prelievo dal lingotto e delle differenze da una colata all’altra.

La conoscenza delle curve Jominy permette di comparare facilmente la temprabilità di differenti acciai.