Acciaio

ACCIAIO

Partiamo dalla produzione:

è uno dei materiali più importanti.. si parte dai minerali di ferro (ossido di ferro), viene aggiunto al combustibile (coke) e i fondenti (carbonati di calcio e magnesio) che servono per abbassare le temperature;

dall'altoforno ciò che ottengo è la ghisa che contiene fero + carbonio al 3.5 ÷ 4.5%. nell'acciaio il contenuto di carbonio non è mai superiore dell'1% allora per avere l'acciaio bisogna eliminare il carbonio

come si fa?

Si porta la ghisa nei convertitori ove viene insufflato ossigeno che reagisce col carbonio e lo elimina.

Attenzione che il tenore dell'acciaio è direttamente correlato alla sua durezza. un acciaio dolce è meno resistente e duro ma più duttile, l'acciaio duro è più resistente ma meno duttile quindi fragile.

La prove tecnologiche

La prova a trazione:

ci serve per capire la differenza fra duttile e fragile

si prende un provino con una forma ad osso di cane, supponiamo A₀ l'area della sezione da sottoporre a prova e l₀ una distanza di riferimento.

quello che dovremo misurare noi sarà l'allungamento del provino prima della rottura e anche la forza necessaria per allungare il provino

conoscendo questi valori faccio la forza diviso l'area iniziale e trovo le deformazioni in percentuale.

disegno così un nuovo grafico..

la resistenza e lo sforzo si misurano in N/mm² (è una sollecitazione) e non una forza (newton).

cosa succede?

Studiamo il comportamento:

c'è una zona iniziale di comportamento elastico. In tale zona, se carico il materiale e poi lo scarico, la deformazione può essere completamente recuperata

poi, continuando a sollecitare accade qualcosa al suo interno: gli atomi sono sistemati in un reticolo cristallino che non sarà mai perfetto, a noi ci interessano i difetti di linea che creano un qualcosa all'interno del materiale che passata una certa sollecitazione esso non recupera più tutta la deformazione. la zona in cui cominciano a mobilitarsi i difetti di linea si chiama SNERVAMENTO.

La deformazione che non riesco a recuperare è la deformazione plastica, quindi si dice che da qual punto in poi il materiale avrà un comportamento plastico

La resistenza di snervamento mi dice il limite fra i comportamenti elastico e plastico.. che è importantissimo.. di solito è 210 Mpa di resistenza a snervamento più un coefficiente i sicurezza 2 o tre quindi si lavora con una resistenza di circa 100 Mpa.

Oltre la resistenza di snervamento ci interessa L'ALLUNGAMENTO A ROTTURA che più importante perché ci dice quanto il materiale riesce a deformare prima di rompersi.

Un materiale con una notevole deformazione plastica ha un lungo allungamento a rottura..

L'allungamento a rottura rappresenta la DUTTIITA' DEL MATERIALE.

l'acciaio duro, ha un comportamento fragile, si rompe di schianto senza deformazioni plastiche: quasi non arriva alla fase di snervamento!!

un acciaio dolce ha un grande campo di deformazioni plastiche e il provino si allunga subendo una strizzone nella sezione sottoposta a prova.. la strizzone è una riduzione di sezione.

in pratica l'allungamento a rottura è importante perché ci da informazioni sulla duttilità del materiale e conoscere la duttilità è fondamentale perché va scelta in base al lavoro che vogliamo fare..

capiamo che per le carpenterie metalliche per le costruzioni edili si usa solo acciaio dolce perché la duttilità aumenta la capacità di resistenza ai terremoti. si piega ma no si spezza!

dopo un certo punto comincia la strizzone cioè la sezione del provino non è più A₀, l'andamento della curva da questo punto comincia a scendere;

c'è una curva reale che tiene conto della riduzione della sezione da strizzone, ma la macchina dei provini ci da un'altra curva perché considera A₀ costante.

A volte non è semplice definire la resistenza di snervamento.. come si fa?

Per definizione, la resistenza di snervante si prende la parallela al tratto elastico che parte dal punto 0,2 % di deformazione!! Lo si vede bene dal grafico.

Perché lo 0,2% perché si è visto che bene o male tutti gli acciai snervano lì.

Abbiamo detto: supponiamo di caricare il provino, se supero lo snervamento e rimuovo il carico ho una deformazione residua.. cosa succede  se ricarico il provino?

L'andamento della curva si ricollega a quella precedente però ha un comportamento diverso, sembra un comportamento elastico! Quindi in realtà dopo aver scaricato e ricaricato il provino è come se avessi irrobustito il materiale :

questo fenomeno si chiama incrudimento il che comporta un aumento di resistenza, ma perde molto in duttilità.

Quindi nel caso di un terremoto, questo provoca lo snervamento dei ferri. sembra come se il sisma gli fa bene cioè ritestando la loro resistenza essi resisteranno di più, però hanno una duttilità molto ma molto più bassa.

LE VARIE TECNICHE DI DEFORMAZIONE PLASTICA

A volte per aumentare la resistenza a rottura si adottano dei metodi che però variano le proprietà dei prodotti finiti e le faccio a caldo o a freddo

Un materiale duttile assorbe energia prima di rompersi.. questa proprietà è la TENACITA' ed è l'aria sottesa dalla curva, cioè l'energia che spendo per portare a rottura una unità di materiale

(basse percentuali di carbonio sono tipiche degli acciai duttili, e viceversa , alte percentuali sono tipiche degli acciai fragili)

Come si capisce quando l'acciaio è duro?

Ci sono le prove di durezza: ci sono determinati dispositivi che imprimono determinate sollecitazioni sull'acciaio dopo di che si misura l'impronta lasciata dalla macchina. ci sono due dispositivi che imprimono la forza, uno lo fa tramite una sferetta e un altro tramite una piramide di diamante..

Un acciaio dolce è tenero cioè subisce una impronta grande, mentre uno forte avrà una impronta piccola

Si determina i valore della durezza sulla base dell'area dell'impronta o sulla sua profondità.

Per quanto riguarda la tenacità c'è la prova di RIESILIENZA.

Si fa con il pendolo di CHARPY che funziona così:

c'è un maglio pesante che va a colpire un provino con un intaglio centrale che serve a concentrare gli sforzi esattamente in corrispondenza della sezione che voglio io.. si misura l'energia assorbita dal provino. Come?

Misuro l'energia potenziale del maglio all'inizio che avrà una certa h.. dopo aver rotto il provino il maglio si ferma ad una h1 minore , faccio

mgh - mgh1  e trovo l'energia assorbita detta RESILIENZA.

In queste prove la temperatura è importante:

alle alte temperature un acciaio è tenace, ma meno tenace a bassa temperatura.

PROVA DI FATICA

Altra prova importante, lo dice la parola stessa, cosa succede?

Un materiale è sottoposto a più cicli di carico e scarico ripetuti nel tempo, succede che la crisi del materiale si ha prima del previsto. La prova si fa così:

si sottopone il materiale ad un carico, che lo sottopone a continua trazione e compressione alternati. Cosa succede?

Succede che io posso caratterizzare il materiale in un dato modo: andare a misurare il numero dei cicli per andare a rompere il provino.. in base alle sollecitazioni imposte.. cioè vario le sollecitazioni e conto il numero di cicli necessari per la rottura..

Ricavo così il diagramma di wohler da cui si nota anche il LIMITE DI FATICA ovvero , sotto di esso l'acciaio resiste ad infiniti cicli. Si capisce come sia una prova lunghissima da fare.

La rottura della barra sottoposta a prova di fatica :

la sezione è fatta da una parte lucida in cui il materiale ha resistito duttilmente, e una rugosa dove il materiale si è rotto di schianto

cosa succede se il materiale lo sottopongo ad alta temperatura?

Era il fenomeno che era stato attribuito in un primo momento alle torri gemelle. ove si pensò che lo sforzo più la temperature elevata aveva indotto un fenomeno di creep, poi si è visto che non era vero perché non corrispondevano i tempi, in quel caso era avvenuto troppo presto.

I MECCANISMI DI RINFORZO

l'incrudimento: deformazione plastica a freddo dove dopo aver scaricato e ricaricato il provino questo ha una resistenza di snervamento più alta

soluzioni solide: posso mettere in soluzione ferro e carbonio, cioè gioco con le percentuali di carbonio.. più ne metto e più rinforzo il materiale

dimensione del grano: vediamo non solo l'acciaio ma diversi materiali. il grafco riporta in ascisse la dimensione del grano e più vado avanti e più il grano è piccolo, sulle ordinate o la resistenza allo snervamento.

o      Il grano piccolino corrisponde a poche deformazioni plastiche, più resistente ma meno duttile

o      grano grosso, il contrario.

precipitazione

trattamenti termici

RECUPERO E CRRISTALLIZAZIONE

Avevamo detto che l'incrudimento poteva essere fatto in diversi modi per esempio la laminazione che rimpicciolisce il granulo e aumenta la resistenza. Questo a temperatura ambiente..

Se la stessa operazione la facciamo a temperatura più elevata. succede che la grana cristallina può recuperarsi grazie al calore e se faccio quella lavorazione ho addirittura un recupero della dutilità ma scapito della resistenza meccanica.. quindi a temperatura elevate abbiamo assestamenti dei granuli ed è importante perché con questi metodi vengono prodotti i profili per l'edilizia come i proili ad H a T , ad L, ecc.

PRECIPITAZIONE

Consiste nel far precipitare le sostanze disperse all'interno del materiale e irrigidisce il materiale. ma non ci interessa!!

TRATTAMENTI TERMICI DELL'ACCIAIO:

Sono operazioni in cui il materiale metallico viene riscaldato fino a una certa temperatura, mantenuto a tale temperatura per un dato tempo e poi riportato a temperatura ambiente con una certa velocità di raffreddamento.

Di solito si portano a 800-1000 gradi, quello che importa poi è la velocità di raffreddamento:

ricottura completa: raffreddo il materiale in modo molto lento lasciandolo dentro il forno spento.. tale raffreddamento fa si che i grani sono grossi cioè il materiale sarà più duttile e meno resistente

normalizzazione: raffreddo il materiale e lo tengo all'aria: i grani che si ottengono sono più piccoli

la tempra + rinvenimento: si raffredda il materiale, immergendolo in un liquido freddo. Tale procedimento lo tempra, lo irrigidisce e forma una microstruttura di granuli piccoli che lo fa più resistente ma poco duttile.. il raffreddamento lo irrigidisce in un modo tale da rendersi necessario un RINVENIMENTO che è un nuovo riscaldamento a basse temperature..

L'aumento della velocità di raffreddamento comporta l'aumento di resistenza e fragilità.

perché succede questo?

Partendo dall'acciaio fuso, abbassando la temperatura cominciano a formarsi piccoli nuclei solidi, se raffreddo velocemente, si formano tantissimi nuclei che non hanno spazio per crescere e rimangono piccoli viceversa se raffreddo lentamente accade il contrario.