TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
CAP.6 - GLI ACCIAI
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CAPITOLO
6
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GLI ACCIAI
Sinossi
N
el Capitolo 4 è stato presentato il diagramma di
fase del sistema Fe-Fe3C, rappresentativo degli
acciai al carbonio (Fig.4.23 e 4.25); nello stesso
capitolo sono stati descritti i principali trattamenti
termici applicati a questo tipo di acciai. Gli acciai al
carbonio,
tuttavia,
possiedono
caratteristiche
meccaniche, di lavorabilità, di resistenza a corrosione
che ne limitano l'impiego in applicazioni, come quelle
tipiche del settore aerospaziale, in cui sono richieste
particolari prestazioni anche in termini di durata e
affidabilità in condizioni operative molto variabili. In
pratica, gli acciai al carbonio trovano applicazioni di
interesse aerospaziale molto limitate. D'altra parte
l'aggiunta di elementi di lega permette di modificare la
struttura cristallina, la risposta ai diversi trattamenti
termici, la resistenza a ossidazione, le prestazioni
meccaniche, estendendo in modo molto significativo i
campi di impiego. In questo capitolo vengono descritti
gli effetti dei principali alliganti utilizzati negli acciai
legati e vengono presi in esame gli acciai inossidabili e
gli acciai speciali, alcuni dei quali, nonostante la
densità piuttosto elevata, pari a circa 7,8 g/cm3, sono di
notevole interesse per la produzione di componenti
altamente sollecitati in campo aeronautico e spaziale.
6.2 Acciai legati
I
comuni acciai al carbonio possono raggiungere
caratteristiche di resistenza meccanica anche molto
elevate, ma trovano molte limitazioni quando queste
caratteristiche devono essere combinate con buona
tenacità e duttilità a temperature anche basse,
resistenza a corrosione e ossidazione, facile
lavorabilità. L'aggiunta di specifici elementi di lega
può modificare queste caratteristiche, anche se a spese
di un aumento nel costo del materiale.
Non esiste un'unica classificazione degli acciai al
carbonio e degli acciai legati, ma vengono
comunemente impiegate diverse classificazioni che
possono fare riferimento alle caratteristiche
meccaniche (ad esempio la resistenza) o al contenuto di
elementi di lega o alla temprabilità, inossidabilità, ecc.
Inoltre, soprattutto per gli acciai speciali di più recente
sviluppo, vengono spesso seguite classificazioni e
denominazioni stabilite dai produttori o da associazioni
di produttori/utilizzatori.
Nella classificazione UNI, italiana, gli acciai dolci, a
basso tenore di carbonio, vengono classificati con la
sigla Fe seguita da una sigla alfanumerica indicativa
dell'applicazione e della resistenza dell'acciaio. Gli
acciai da costruzione a maggiore tenore di C, destinati
a trattamenti termici, vengono designati con la lettera C
seguita da un numero indicativo del contenuto di
carbonio.
Per gli acciai legati, tra le classificazioni maggiormente
usate a livello internazionale vi è quella definita
dall'American Iron and Steel Institute (AISI). L'acciaio
viene classificato con 4 o 5 cifre: le prime due sono
indicative dei principali elementi o gruppo di elementi
di lega, le ultime 2 o 3 cifre si riferiscono al contenuto
di carbonio. La Tab.6.1 riporta la classificazione AISI
dei principali tipi di acciai legati. La classificazione del
British Standard Institute (BSI) è per certi aspetti
simile a quella dell'AISI: l'acciaio è classificato con 6
caratteri alfanumerici: le prime tre cifre indicano la
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famiglia a cui l'acciaio appartiene (ad esempio, 000199 per gli acciai al carbonio; 300-499 per gli acciai
inossidabili e resistenti ad alta temperatura); il quarto
carattere indica la caratteristica di controllo richiesta
(A-composizione chimica, M-resistenza meccanica,
CAP.6 - GLI ACCIAI
H-temprabilità, S-inossidabilità); le ultime due cifre
sono indicative del contenuto di carbonio. La Tab.6.2
riporta le composizioni e le classificazioni secondo
AISI e BSI di alcuni acciai al carbonio e legati.
Tabella 6.1: Classificazione AISI, caratteristiche, applicazioni di alcuni acciai legati
Tabella 6.2: Classificazione AISI – BS e relativa composizione di alcuni acciai al carbonio e legati
6.3 Effetto degli elementi di lega
L'aggiunta degli alliganti ha lo scopo di migliorare
diverse proprietà degli acciai, come ad esempio la
durezza e la resistenza meccanica, la temprabilità, la
resistenza al rinvenimento ad alta temperatura, la
2
tenacità a basse temperature, la resistenza ad
ossidazione e corrosione. Il miglioramento di alcune di
queste caratteristiche può, tuttavia, determinare il
peggioramento di altre; è necessario quindi un accurato
dosaggio delle quantità introdotte. Dal punto di vista
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della modifica delle caratteristiche meccaniche,
l'azione degli elementi di lega è costituita
essenzialmente da:
- aumento della resistenza per soluzione solida
sostituzionale a seguito di dissoluzione nella fase
ferritica o austenitica. La distorsione del reticolo
interferisce con il movimento delle dislocazioni
aumentandone la resistenza a scorrimento.
- combinazione col carbonio presente e formazione di
carburi che possono essere in miscela con la cementite
(carburo di Fe), oppure semplici, dispersi nel materiale.
La formazione di carburi può essere controllata, per
prevenirla ovvero per attivarla, durante i trattamenti
termici. per questo è importante valutare la risposta a
solubilizzazione ad alta temperatura e a precipitazione
a seguito di raffreddamento.
- spostamento delle curve di TTT (di Bain) e CCT con
conseguente aumento della temprabilità e possibilità di
ottenere struttura martensitica anche a seguito di
raffreddamento lento. L'aumento della temprabilità
comporta una maggiore profondità di tempra con
possibilità di ottenere elevate resistenza e uniformità di
caratteristiche anche su componenti di grande spessore.
E' necessario considerare che l'aggiunta di alliganti può
variare le temperature delle trasformazioni di equilibrio
oltre che di inizio e fine formazione della martensite
(Ms e Mf). Questo significa che le temperature
caratteristiche dei trattamenti termici devono variare di
conseguenza. La Fig.6.1 e la Fig.6.2 mostrano ad
esempio l'effetto di alcuni alliganti sulla temperatura di
formazione dell'eutettoide Fe-Fe3C.
Figura 6.1: Spostamento dell'eutettoide a seguito di
aggiunta di Mn
Due metalli tendono a formare soluzioni solide in un
ampio range di composizione quando i reticoli
cristallini sono simili. Così, salvo alcune eccezioni,
elementi con struttura CCC, come il Cr o il Mo, si
solubilizzano prevalentemente nella fase ferritica,
stabilizzandola (elementi α-stabilizzanti), mentre
elementi con struttura CFC, come Ni o Mn, si
solubilizzano prevalentemente nella fase austenitica
(elementi γ-stabilizzanti). La stabilizzazione della fase
CAP.6 - GLI ACCIAI
α determina una riduzione del campo di esistenza della
fase γ, che, per certe composizioni, può anche
scomparire.
Figura 6.2: Temperatura dell'eutettoide in funzione del
contenuto di alliganti
La Fig.6.3 riporta il diagramma di fase Fe-Cr che
mostra come a contenuti superiori a 14% Cr non sia
possibile la fase austenitica; la contemporanea presenza
di C sposta tale limite a valori superiori. Una
conseguenza di questo comportamento, ad esempio, è
che ad alti tenori di Cr non sono possibili trattamenti di
tempra in quanto non esiste trasformazione
austenite ---> ferrite o martensite. Viceversa, elementi
che stabilizzano la fase γ, allargano il campo di
esistenza dell'austenite, abbassando la temperatura di
trasformazione γ ---> α; in alcuni casi, come con Ni o
Mn, ad alti tenori di alligante è possibile ottenere
austenite stabile o metastabile a temperatura ambiente
o anche molto inferiore. L'aggiunta di questi elementi
consente quindi di ottenere acciai austenitici, dotati di
buona deformabilità, tenacità, risposta a incrudimento,
anche a basse temperature. Anche in questo caso un
trattamento di tempra martensitica non è possibile in
quanto l'acciaio mantiene la sua struttura austenitica in
tutto il campo di temperatura.
Gli alliganti più comunemente usati sono Cr, Ni, Si,
Mn e, inoltre, Al, Mn, Ti, V, W. Di seguito vengono
indicati gli effetti dei principali elementi impiegati.
Il cromo aumenta la temprabilità, consentendo mezzi di
tempra più blandi all'aumentare del suo tenore, ma
soprattutto migliora la resistenza a corrosione. Leghe
metalliche con elevate caratteristiche di resistenza a
ossidazione e corrosione a caldo, non solo acciai,
contengono generalmente alti tenori di Cr. Gli acciai
inossidabili hanno contenuti di cromo superiori al 12%.
Il cromo, in presenza di carbonio forma facilmente
carburi difficilmente solubili e che precipitano
lentamente, prevalentemente ai bordi di grano,
limitandone l'ingrossamento. I carburi aumentano la
durezza, resistenza meccanica, la resistenza a creep ad
alta temperatura. Ad alti tenori di C, l'aggiunta di Cr
insieme ad altri elementi in grado di formare carburi,
ad esempio vanadio, molibdeno, tungsteno, consente
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un forte incremento della durezza, anche a seguito di
trattamenti termici di tempra e rinvenimento,
mantenendo discreta tenacità. Inoltre il cromo riduce
sensibilmente la conducibilità termica dell'acciaio.
Come conseguenza, i trattamenti termici richiedono in
generale temperature e tempi di mantenimento
superiori. Particolare cura nei trattamenti termici è
CAP.6 - GLI ACCIAI
necessaria anche per evitare il fenomeno
dell'infragilimento da rinvenimento: il mantenimento o
raffreddamento lento in un intervallo di temperatura
intorno a 550 °C determina un marcato infragilimento
del materiale a seguito di formazione di precipitati
continui ai bordi di grano.
Figura 6.3: Diagramma di fase Fe -Cr
Fig. 6.4 – Effetto dell'infragilimento da rinvenimento in un acciaio al Cr-Mn
Il problema viene evitato raffreddando velocemente
dopo rinvenimento a 600 °C oppure con l'aggiunta di
Mo e V. La Fig.6.4 confronta l'effetto di rinvenimento
a 525 °C (fragilizzato) e a 600 °C seguito da
raffreddamento veloce in acqua (non fragilizzato): si
nota la variazione della temperatura di transizione
fragile-duttile.
La transizione fragile-duttile definisce il passaggio da
un materiale tenace, deformabile ad un comportamento
marcatamente fragile al diminuire della temperatura in
4
un intervallo ristretto. Questa caratteristica, tipica dei
materiali con struttura cristallina CCC (ad esempio gli
acciai non austenitici), diventa particolarmente critica
quando la temperatura di transizione ricade nel campo
delle condizioni operative, in quanto può determinare
un brusco cambiamento nel comportamento meccanico
del materiale. In generale, metalli con struttura
cristallina CFC non presentano transizione fragileduttile o questa avviene a temperature molto basse;
questi materiali mantengono cioè caratteristiche di
tenacità e deformabilità anche a temperature ridotte.
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In funzione della composizione e dei trattamenti
termici è possibile ottenere acciai al Cr perlitici,
ferritici, martensitici.
Acciai al cromo trovano applicazioni soprattutto ove è
richiesta una elevata durezza e stabilità anche a
temperature elevate. La Tab.6.3 riporta le composizioni
di alcune classi di acciai al cromo.
CAP.6 - GLI ACCIAI
Il Cr è spesso associato a Ni sia ad alti (inox
austenitici) che a bassi tenori; la presenza di Ni
determina un miglioramento della temprabilità e della
tenacità, oltre che della resistenza a ossidazione.
Il nickel è un elemento austenitizzante, stabilizza cioè
la fase γ. Al crescere del tenore di Ni e in presenza di
C, anch'esso austenitizzante, sono possibili acciai
ferritici, bifasici ferritici-austenitici, o completamente
austenitici a temperatura ambiente, già al di sopra del
8% Ni; contenuti superiori stabilizzano ulteriormente
l'austenite. La Fig.6.5 mostra il diagramma di fase FeNi da cui si osserva che all'aumentare del contenuto di
Ni la temperatura di trasformazione dell'austenite si
riduce. Nella realtà, a causa della lenta cinetica della
trasformazione è possibile ottenere struttura austenica
praticamente stabile già a contenuti molto inferiori a
quanto previsto dal diagramma di equilibrio.
Tabella 6.3: Composizione di diverse classi di acciai
Figura 6.5: Diagramma di fase Fe-Ni
Gli effetti del Ni sono riassunti di seguito:
- riduce la temperatura dei trattamenti termici (ricottura
e tempra) a seguito delle temperature delle
trasformazioni (temperature Ac1 e Ac3).
- migliora moderatamente la temprabilità e la
penetrazione di tempra
- aumenta la tenacità a parità di resistenza, in generale
per tutte le strutture di ricottura e rinvenimento della
martensite
- mantiene elevati valori di deformabilità sia a caldo
che a freddo, diminuendo la temperatura di transizione
fragile-duttile o eliminandola del tutto
- affina il grano conferendo resistenza meccanica e
all'usura
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- migliora la resistenza a ossidazione a seguito
dell'effetto di passivazione derivante dalla formazione
di ossidi di Ni stabili.
Acciai al Ni si prestano ad applicazioni a temperature
anche molto basse quali tubazioni e serbatoi a contatto
con gas liquefatti a temperature criogeniche grazie alle
caratteristiche di saldabilità e tenacità a bassa
temperatura.
La cella cristallina CFC di leghe Fe-Ni raggiunge le
massime dimensioni a circa 40% Ni, a cui corrisponde
un valore del coefficiente di espansione termica quasi
nullo. Leghe Fe-Ni (INVAR, NILO) a diversa
composizione posseggono coefficiente di dilatazione
variabile tra 0 e 12*10-6-13*10-6, corrispondenti ai
coefficienti di Fe e Ni.
Il manganese è un forte austenitizzante e viene
comunemente aggiunto agli acciai come desolforante
per prevenire la fragilità da zolfo. Ha effetti simili al Ni
(a costo inferiore), ma non migliora la resistenza a
ossidazione a caldo. Acciai al Mn presentano ottima
resistenza, tenacità, risposta a incrudimento; trovano
larga applicazione in utensileria e per componenti
resistenti a urti e usura.
Il silicio è marcatamente α-stabilizzante e favorisce la
formazione di carbonio grafitico; per questo è
generalmente accompagnato da elementi stabilizzatori
di carburi come Cr e/o Mn. Oltre ad aumentare la
temperatura di riscaldamento prima della tempra, il Si
aumenta
considerevolmente
la
resistenza
a
rinvenimento della martensite (a scapito della duttilità,
tenacità, saldabilità), incrementando il carico di
snervamento anche a temperature elevate. L'impiego
tipico di acciai contenenti Si, Cr ed altri elementi è
nella produzione di leghe ad elevato limite di
snervamento per molle operanti anche a temperature
superiori a 600-700 °C, ad esempio in campo
motoristico.
L'alluminio forma composti intermetallici col Fe e con
altri
alliganti
consentendo
indurimento
per
CAP.6 - GLI ACCIAI
precipitazione. Migliora fortemente la resistenza a
ossidazione. Trattamenti di diffusione superficiale di
Al (calorizzazione) consentono il miglioramento della
resistenza a ossidazione a caldo. Acciai refrattari,
resistenti a ossidazione fino a 1000 °C contengono
elevati tenori di Al e Cr.
Molibdeno, vanadio e tungsteno formano carburi
limitando l'accrescimento dei grani. Conferiscono
migliore resistenza a caldo e a creep.
6.4 Acciai speciali
Esistono molte diverse categorie di acciai speciali che
trovano specifiche applicazioni nelle costruzioni
meccaniche ed aeronautiche; tra queste particolare
importanza rivestono gli acciai maraging, gli acciai per
utensili, gli acciai basso legati ad alta resistenza (HSLA
- high strength low alloy) e microlegati, gli acciai
bifasici (dual phase).
Gli acciai maraging sono stati sviluppati dopo gli anni
'50 per rispondere alle esigenze dell'industria
aerospaziale. La loro particolarità è di possedere
resistenza meccanica molto elevata, accoppiata a buona
resistenza a frattura.
Sono costituiti da leghe ferrose con elevata quantità di
alliganti, fino a quasi 40%, soprattutto Ni (17-25%
Ni), ma con un tenore di carbonio molto basso (<
0,03%). La Tab.6.4 riporta la composizione di alcuni
acciai maraging. La produzione degli acciai maraging è
fondata sulla formazione di una fase martensitica che
viene successivamente sottoposta a trattamento di
invecchiamento (martensite-aging).
Come già citato in precedenza, a presenza di Ni
stabilizza la fase austenitica, abbassando la temperatura
di trasformazione austenite ---> ferrite; tuttavia questa
trasformazione è caratterizzata da una forte isteresi, per
cui la conversione di nuovo in austenite, a seguito di
riscaldamento, può avvenire solo a temperature
sensibilmente superiori.
Tabella 6.4: Composizione di alcuni acciai maraging
La Fig.6.6 mostra il diagramma Fe-Ni con l'isteresi
della trasformazione.
Nella pratica, il raffreddamento anche in aria
dell'austenite porta alla formazione di martensite
(anzichè ferrite): a causa del basso contenuto di
carbonio e della scarsa deformazione del reticolo
cubico corpo centrato, questa martensite ha durezza
molto inferiore a quella dei normali acciai temprati ed è
deformabile, così da consentire deformazione plastica a
freddo e lavorazione alle macchine utensili. Inoltre
6
possiede alta tenacità e, grazie all'isteresi della
trasformazione, si mantiene stabile fino a temperatura
di circa 500 °C.
La particolarità di questi acciai consiste nella
possibilità di effettuare trattamento termico di
invecchiamento, senza sostanziale infragilimento della
lega. Per potere effettuare l'invecchiamento è
necessaria la presenza di elementi come Co e Mo in
quantità consistenti (12-18%), oltre che Ti e Al in
quantità minori (solitamente < 1,5%), in grado di
formare precipitati coerenti finemente dispersi. Il
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CAP.6 - GLI ACCIAI
trattamento termico tipico dei maraging consiste in un
primo
riscaldamento
di
austenitizzazione
e
solubilizzazione dei composti intermetallici presenti a
temperatura superiore a 800 °C per tempi variabili tra
alcune decine di minuti ad alcune ore, in funzione delle
dimensioni del pezzo.
Figura 6.7: Curva di indurimento per invecchiamento di un
acciao maraging 18 Ni 250 dopo solubilizzazione a 820 °C seguita
da raffreddamento in aria.
La Fig.6.7 mostra la curva di indurimento a seguito di
invecchiamento di un acciao maraging. La Fig.6.8
mostra a titolo di esempio le curve sforzodeformazione di due acciai maraging.
Figura 6.6: Diagramma di fase Fe-Ni. Viene evidenziata l'isteresi
della trasformazione
Dopo raffreddamento in aria, con formazione di
martensite, il materiale può essere sottoposto a
lavorazione a freddo e incrudimento (marforming). Un
successivo riscaldamento per alcune ore a temperature
intorno a 470-500 °C, al di sotto della temperatura di
formazione dell'austenite, determina un forte aumento
della resistenza per precipitazione senza corrispondente
infragilimento. Il riscaldamento per tempi/temperature
superiori provoca il sovrainvecchiamento del materiale,
peraltro, con limitata riduzione delle caratteristiche di
resistenza.
Proprietà
Durezza Rockwell
(HRC)
Resistenza a trazione
(MPa)
Carico di snervamento
(MPa)
Allungamento a
rottura
(%)
18 Ni 200
27
44-48
1000
1360-1600
840
1300-1500
17
6-12
Figura 6.8: Curve sforzo-deformazione di due acciai maraging
18 Ni 250
29
48-50
1000
1700-1900
820
1650-1800
19
6-10
18 Ni 300
32
51-55
1000
1850-2100
810
1800-2100
17
5-10
Tabella 6.5: Effetto dell'invecchiamento sulle caratteristiche meccaniche di alcuni acciai maraging. La prima riga si riferisca allo stato
ricotto, la seconda riga allo stato invecchiato.
Questi acciai, nello stato invecchiato, posseggono
resistenza ultima e a snervamento tipicamente di 16002500 MPa (Tab.6.5).
Ulteriori utili caratteristiche dei maraging sono quella
di non presentare transizione fragile-duttile a bassa
temperatura e di potere essere saldate, ripetendo il
trattamento di invecchiamento dopo saldatura. Acciai
maraging contenenti anche Cr sono inossidabili. Acciai
non
inossidabili
possono
essere
trattati
superficialmente (ad esempio mediante cadmiatura) per
migliorarne la resistenza a ossidazione.
Nel settore aerospaziale, trovano importante
applicazione per la costruzione di componenti
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TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
criticamente sollecitati, come parti del carrello di
atterraggio, elementi del motore, valvole, alberi e
ingranaggi, componenti di armi, involucri (case) di
razzi, grazie anche alla possibilità di ottenere strutture
saldate, anziché rivettate. Nonostante il costo, l'uso dei
maraging si è esteso anche ad altri settori industriali
come quelli delle lavorazioni meccaniche (utensili,
stampi. ecc.) e dalla produzione di energia.
Gli acciai per utensili sono costituiti da acciai di
elevata durezza, resistenza meccanica e stabilità
termica che trovano impieghi soprattutto per la
costruzione di utensili per la lavorazione dei metalli
(elementi di taglio, stampi, filiere, ecc.). In generale
CAP.6 - GLI ACCIAI
contengono elevato tenore di C (fino oltre 1,5%) e di
alliganti (fino oltre 25 %) in grado di formare carburi
come Cr, W, V, Mo. L'alto contenuto di alliganti e di
carburi stabili consente di avere ottima temprabilità,
così da mantenere alta durezza e resistenza anche a
bassa velocità di raffreddamento dopo i trattamenti, e
di ottenere martensite stabile anche a temperature
elevate. La formazione di carburi a temperature intorno
a 500 °C determina negli acciai altamente legati la
presenza di ulteriore indurimento (durezza secondaria)
che ne incrementa la resistenza e la fragilità. (La
Tab.6.6 riporta le composizioni e le caratteristiche
principali di alcuni acciai per utensili.
Tabella 6.6: Composizioni e caratteristiche principali di alcuni acciai per utensili
Negli acciai HSLA e microlegati caratteristiche di
resistenza desiderate (fino a circa 550 MPa) sono
ottenute con un basso contenuto di C ma con la
presenza di piccole quantità di alliganti in grado di
formare precipitati (carburi e nitruri di Nb, V, Ti, Zr) e
con accurato controllo della microstruttura (dispersione
dei precipitati, dimensione dei garni, ecc.) della lega. Il
basso contenuto di alliganti conferisce una buona
saldabilità.
Gli acciai bifasici (dual phase) hanno un contenuto di
C relativamente basso e contengono una fase
martensitica uniformemente dispersa all'interno della
fase ferritica. Tale struttura viene ottenuta a seguito di
riscaldamento nel campo bifasico ferrite+austenite del
diagramma di fase Fe-Fe3C (Fig.4.25) seguita da
tempra: la fase austenitica, più ricca di C, si trasforma
in martensite, dura, all'interno di matrice ferritica, più
deformabile. Si ottengono acciai con resistenza fino a
1000 MPa.
6.5 Acciai inossidabili
Gli acciai inossidabili vengono selezionati per la loro
eccellente resistenza a corrosione. Tutti gli acciai
inossidabili contengono almeno il 12 % Cr che, a
seguito della formazione di uno strato superficiale di
ossido passivante, consente la protezione dell'acciaio. Il
cromo è quindi l'alligante che caratterizza gli acciai
inossidabili. In funzione del contenuto di Cr e di altri
alliganti, ad esempio C, Ni, Mn, gli acciai inossidabili
8
possono presentare struttura ferritica, martensitica,
austenitica o mista.
Gli acciai inossidabili vengono classificati secondo
AISI mediante un codice di tre cifre: la prima cifra è 4
per gli inossidabili ferritici e martensitici (esenti da Ni)
e 3 per gli inossidabili austenitici, contenenti anche Ni,
(1 o 2 quando è presente anche Mn); le ultime due cifre
non sono riferite alla composizione. Il codice numerico
può, eventualmente, essere seguito da una lettera
indicativa di variazioni rispetto alla lega base (ad
esempio L, indica basso tenore di C, inferiore a 0,03%
per ridurre la possibilità di sensibilizzazione). Anche
per gli inossidabili sono di uso comune indicazioni e
sigle non o parzialmente corrispondenti a
classificazioni ufficiali; ad esempio, le sigle 18/8 o
18/10 impiegate per acciai inossidabili di largo impiego
fanno riferimento al contenuto di Cr (18%) e di Ni (810%).
Gli inossidabili ferritici sono costituiti essenzialmente
da leghe Fe-Cr con contenuto di Cr superiore a 11%,
fino a 30%, e contenuto di carbonio normalmente
molto basso, inferiore a 0,12%; possono essere presenti
altri alliganti come Mo e Nb in piccole quantità. A
causa della struttura CCC hanno buona resistenza ma
limitata duttulità. Il rafforzamento deriva da soluzione
solida e da incrudimento per deformazione a freddo.
Presentano transizione fragile-duttile. La formazione di
carburi, a maggiore contenuto di C, aumenta la durezza
ma infragilisce il materiale. Posseggono ottima
resistenza a corrosione e ossidazione a caldo, tanto
maggiore quanto maggiore è il contenuto di Cr;
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
trovano utilizzo a temperature anche superiori a 1000
°C. Sono relativamente poco costosi e i principali
campi di impiego sono nell'industria automobilistica e
motoristica, chimica, della lavorazione dei materiali
(forni, stampi, ecc.).
Gli acciai inossidabili martensitici hanno contenuto di
Cr relativamente basso, tra 11% e 18%, e contenuto di
C relativamente alto, anche fino a 1,2%. La Fig.6.9
mostra una porzione del diagramma di fase Fe-Cr a
diversi contenuti di C.
CAP.6 - GLI ACCIAI
La Fig.6.10 riporta la tenacità delle diverse classi di
acciai inossidabili in funzione della temperatura. Non
vengono normalmente impiegati sotto sollecitazione ad
alta temperatura poiché si annullerebbero gli effetti
della bonifica.
Data la minore quantità di Cr e la mancanza o bassa
quantità di Ni, presentano resistenza a corrosione
inferiore rispetto ai ferritici e agli austenitici.
Gli acciai inossidabili austenitici sono gli inossidabili
di più largo impiego, anche in campo aerospaziale.
Sono caratterizzati dalla presenza di Ni, elemento
austenitizzante, in quantità consistenti, superiori a 7% e
fino a 35%. La struttura austenitica conferisce in
generale elevata duttilità e tenacità con temperatura di
transizione fragile-duttile molto bassa o assente.
Figura 6.9: Diagramma di fase Fe-Cr. Campo di esistenza
dell'austenite
Si osserva che il campo di esistenza dell'austenite,
ridotto per la presenza di Cr, dipende anche dal
contenuto di C. Per contenuti di C sufficienti è
possibile ottenere una fase austenitica stabile anche ad
alti tenori di Cr; per queste composizioni è quindi
possibile un trattamento di riscaldamento in fase γ
seguito da tempra martensitica ed eventuale distensione
o rinvenimento. La struttura risultante dalla tempra è
costituita da martensite o martensite+carburi di cromo
per tenori di C più elevati. Si osserva anche che il
riscaldamento in campo austenitico richiede
temperature superiori a 1000 °C. La presenza di Cr
conferisce facile temprabilità anche in grossi spessori.
A causa della forte riduzione di conducibilità termica i
trattamenti
termici
possono
richiedere
preriscaldamento dei pezzi per ridurre le tensioni
residue; con 18% di Cr la conducibilità termica è di 2025 W/(m°C), meno della metà rispetto ad un acciaio al
carbonio.
In generale gli inossidabili martensitici posseggono una
buona combinazione di resistenza, tenacità, resistenza a
corrosione. Presentano transizione fragile duttile,
anche se a temperature inferiori ai ferritici.
Figura 6.10: Dipendenza della tenacità dalla temperatura in
diverse classi di acciai inossidabili
Gli acciai austenitici presentano curva sforzodeformazione con un limite di proporzionalità piuttosto
basso (σy/σr = 0,4-0,5) e senza snervamento netto.
Peraltro la possibilità di applicare ampie deformazioni
a freddo consente di incrudire il materiale con
consistente incremento del limite di snervamento e del
limite di fatica. La Fig.6.11 mostra l'effetto
dell'incrudimento a seguito di deformazione plastica
sulla resistenza, sul carico di snervamento e sulla
deformabilità di un acciaio AISI 304.
Figura 6.11: Caratteristiche meccaniche in funzione dell'incrudimento di un acciaio inossidabile austenitico AISI 304
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TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
A seguito della mancanza di transizione α <---> γ,
della resistenza a ossidazione e corrosione, del
mantenimento di buone caratteristiche meccaniche ad
alta temperatura, gli acciai austenitici sono
comunemente impiegati anche a temperature elevate.
Per acciai ad alto contenuto di Cr, in impieghi ad alta
temperatura, va considerata la possibilità di
infragilimento a seguito della possibilità di formazione
di carburi e di composti intermetallici, la cui velocità di
precipitazione, normalmente trascurabile, diventa
apprezzabile a temperature superiori a 600 °C.
CAP.6 - GLI ACCIAI
Un ulteriore effetto negativo che può avvenire a
seguito dell'esposizione ad alte temperature di acciai
inossidabili, soprattutto austenitici e ferritici, è la
sensibilizzazione. Se il contenuto di C è superiore a
0,03%, a temperature elevate (400-750 °C) può
avvenire la precipitazione di carburi di cromo ai bordi
di grano. La concentrazione di Cr diventa non
omogenea, con un impoverimento del Cr disciolto in
prossimità dei bordi di grano. La Fig.6.12 schematizza
la distribuzione di composizione in Cr in vicinanza di
un bordo di grano.
Fig. 6.12 – Sensibilizzazione degli acciai inossidabili. Precipitazione di carburi di Cr ai bordi di grano
La concentrazione di Cr può scendere localmente ad un
valore inferiore a 11-12%, contenuto minimo che
garantisce una passivazione efficace e la resistenza ad
ossidazione/corrosione. Particolarmente in ambienti
aggressivi, ad esempio in presenza di cloruri e a
contatto con acqua salata, è possibile l'attivazione di
corrosione
intergranulare
che
propaga
in
corrispondenza dei bordi di grano. Il fenomeno della
sensibilizzazione avviene in genere a seguito
riscaldamento durante lavorazioni successive alla
produzione, come saldatura, taglio, deformazione a
caldo, trattamenti termici. La formazione di carburi
richiede diffusione del Cr (e di C e altri elementi) verso
i bordi di grano: per tempi ridotti di esposizione ad alta
temperatura la precipitazione dei carburi non avviene.
A seguito di riscaldamento a temperatura e per tempi
sufficientemente alti, la diffusione permette di
omogeneizzare la composizione, in particolare il tenore
di Cr. Per evitare la sensibilizzazione, quindi, sono
possibili diverse soluzioni:
- riduzione del contenuto di C al di sotto del 0,03%;
sono possibili brevi riscaldamenti, ad esempio a
seguito di saldatura o stampaggio a caldo.
- aggiunta di elementi, come Ti, Nb, Ta, che formano
carburi distribuiti con maggiore omogeneità e riducono
il carbonio disponibile per la formazione di carburi di
Cr.
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- applicazione di un trattamento termico di
solubilizzazione per omogeneizzare il contenuto di Cr.
Gli acciai inossidabili austenitici possono essere
sottoposti a diversi trattamenti termici.
- La solubilizzazione, o tempra austenitica, consiste nel
riscaldamento a temperature superiori a 1000 °C, per
annullare eventuali alterazioni strutturali e solubilizzare
fasi precipitate, in particolare carburi, seguito da
raffreddamento veloce in acqua (spegnimento) per
mantenere la struttura austenitica e prevenire la
formazione di carburi.
- La stabilizzazione, meno diffuso, consiste nel
riscaldamento a 890 °C per tempi superiori a 2ore,
seguito da raffreddamento in aria, per stabilizzare i
carburi di Ti e Nb, migliorando il comportamento a
corrosione.
- La distensione, impiegata anche per altri acciai e
metalli in genere, consiste nel riscaldamento a
temperatura media, inferiore a 430-450 °C per evitare
l'inizio
della
sensibilizzazione,
seguito
da
raffreddamento in aria. l'effetto è la riduzione delle
tensioni interne e il miglioramento del comportamento
a stress corrosion.
Molti acciai inossidabili, ed in particolare molti
austenitici, pur avendo ottime caratteristiche di stabilità
termica e resistenza ad ossidazione, non raggiungono
proprietà
di
resistenza,
snervamento,
bassa
deformabilità a creep sufficientemente elevate per
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
CAP.6 - GLI ACCIAI
alcune applicazioni, specie in campo aerospaziale. Il
basso contenuto di C e l'aggiunta di elementi di lega,
oltre a Cr e Ni, in piccole quantità in grado di formare
composti intermetallici tra loro o insieme agli elementi
già presenti (ad esempio Ni), permette di aumentere la
resistenza del materiale a seguito di trattamento di
invecchiamento.
Gli
acciai
inosidabili
da
precipitazione (PH - precipitation hardening), che
possono avere struttura martensitica, semi austenica
(austenite + martensite) o austenitica contengono
elementi come Al, Ti, Mo, Nb, Ta, Cu, N, che possono
formare precipitati coerenti a seguito di trattamento
termico. Il trattamento termico consiste in un
riscaldamento di solubilizzazione a temperatura di 750
- 1100 °C, in funzione della composizione e del tempo
di trattamento, seguito da raffreddamento, in olio o in
aria, fino a bassa temperatura. In queste condizioni il
materiale è facilmente deformabile e lavorabile per
deformazione a freddo o a caldo. Il successivo
riscaldamento a 480-600 °C per alcune ore consente di
raggiungere lo stato invecchiato con resistenze fino a
oltre 1500 MPa con buona tenacità.
Figura 6.13: Acciai da precipitazione: schema di trattamento termico
Tabella 6.7: Composizione e caratteristiche di alcuni acciai inossidabili e da precipitazione
La Fig.6.13 mostra la schema di trattamento termico
applicato agli acciai PH. In generale presentano buona
resistenza a sovrainvecchiamento fino a temperatura
intorno a 480-500 °C, che rappresenta quindi un limite
per il loro impiego. I processi di saldatura devono
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TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI
essere seguiti da trattamento termico per ottenere
prestazioni simili al materiale originario.
Il maggiore impiego degli acciai da precipitazione è nel
settore aerospaziale, per la produzione di elementi
strutturali, componenti del motore operanti a
temperature medie, sistemi a contatto con liquidi
aggressivi (lubrificanti, liquidi idraulici, ecc.), bordi di
attacco di pale (ad esempio in elicotteri).
Gli acciai duplex sono acciai inossidabili bifasici
contenenti una uguale quantità di ferrite ed austenite,
ottenute con un accurato controllo della composizione
e del trattamento termico. Questo consente una
combinazione di proprietà in termini di resistenza
meccanica, resistenza a corrosione, formabilità,
saldabilità non ottenibili negli altri acciai inossidabili
comuni.
La Tab.6.7 riporta le composizioni e le caratteristiche
di diversi acciai inossidabili.
Bibliografia
ASM
“Metals Handbook”, 2nd ed., vol. 1, 1998
Askeland, D.:
"The Science and Engineering of Materials", 3rd SI ed.
Chapman and Hall, London, 1996
Smith, W. F.:
"Scienza e Tecnologia dei Materiali", 3a ed.
McGraw-Hill, Milano, 2008
Nicodemi, R, Zoia, J.
“Metallurgia Applicata”,
Tamburini ed., 1975
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CAP.6 - GLI ACCIAI