Parti in acciaio al carbonio
L'acciaio al carbonio è un acciaio con un contenuto di carbonio compreso tra circa lo 0,05 e il 3,8% in peso.La definizione di acciaio al carbonio dell’American Iron and Steel Institute (AISI) recita:
1. non è specificato o richiesto alcun contenuto minimo per cromo, cobalto, molibdeno, nichel, niobio, titanio, tungsteno, vanadio, zirconio o qualsiasi altro elemento da aggiungere per ottenere l'effetto legante desiderato;
2. il minimo specificato per il rame non supera lo 0,40%;
3. oppure il contenuto massimo specificato per uno qualsiasi dei seguenti elementi non supera le percentuali indicate: manganese 1,65%;silicio 0,60%;rame 0,60%.
Il termine acciaio al carbonio può essere utilizzato anche in riferimento ad acciaio che non sia acciaio inossidabile;in questo uso l'acciaio al carbonio può includere acciai legati.L'acciaio ad alto tenore di carbonio ha molti usi diversi come fresatrici, utensili da taglio (come gli scalpelli) e fili ad alta resistenza.Queste applicazioni richiedono una microstruttura molto più fine, che migliora la tenacità.
All’aumentare del contenuto percentuale di carbonio, l’acciaio ha la capacità di diventare più duro e resistente attraverso il trattamento termico;tuttavia, diventa meno duttile.Indipendentemente dal trattamento termico, un contenuto di carbonio più elevato riduce la saldabilità.Negli acciai al carbonio, il maggiore contenuto di carbonio abbassa il punto di fusione.
Lo scopo del trattamento termico dell'acciaio al carbonio è quello di modificare le proprietà meccaniche dell'acciaio, solitamente duttilità, durezza, carico di snervamento o resistenza agli urti.Si noti che la conduttività elettrica e termica sono solo leggermente alterate.Come con la maggior parte delle tecniche di rinforzo dell'acciaio, il modulo di Young (elasticità) non viene influenzato.Tutti i trattamenti dell'acciaio scambiano la duttilità con una maggiore resistenza e viceversa.Il ferro ha una maggiore solubilità per il carbonio nella fase austenite;pertanto tutti i trattamenti termici, ad eccezione della sferoidizzazione e della ricottura di processo, iniziano con il riscaldamento dell'acciaio ad una temperatura alla quale può esistere la fase austenitica.L'acciaio viene quindi raffreddato (trafilato a caldo) a una velocità da moderata a bassa consentendo al carbonio di diffondersi fuori dall'austenite formando carburo di ferro (cementite) e lasciando ferrite, o a una velocità elevata, intrappolando il carbonio all'interno del ferro formando così martensite .La velocità con cui l'acciaio viene raffreddato attraverso la temperatura eutettoidica (circa 727 °C) influenza la velocità con cui il carbonio si diffonde dall'austenite e forma cementite.In generale, un raffreddamento rapido lascerà il carburo di ferro finemente disperso e produrrà una perlite a grana fine, mentre un raffreddamento lento darà una perlite più grossolana.Il raffreddamento di un acciaio ipoeutettoidico (meno dello 0,77% in peso di C) si traduce in una struttura lamellare-perlitica di strati di carburo di ferro con α-ferrite (ferro quasi puro) in mezzo.Se si tratta di acciaio ipereutettoidico (più di 0,77% in peso di C), la struttura è completamente perlite con piccoli grani (più grandi della lamella di perlite) di cementite formati sui bordi dei grani.Un acciaio eutettoide (0,77% di carbonio) avrà una struttura perlitica in tutti i grani senza cementite ai bordi.Le quantità relative dei componenti si trovano utilizzando la regola della leva.Di seguito l'elenco delle tipologie di trattamenti termici possibili.
L'acciaio legato è acciaio legato con una varietà di elementi in quantità totali comprese tra l'1,0% e il 50% in peso per migliorarne le proprietà meccaniche.Gli acciai legati si dividono in due gruppi: acciai bassolegati e acciai altolegati.La differenza tra i due è controversa.Smith e Hashemi definiscono la differenza al 4,0%, mentre Degarmo et al. la definiscono all'8,0%.Più comunemente, la frase "acciaio legato" si riferisce agli acciai bassolegati.
A rigor di termini, ogni acciaio è una lega, ma non tutti gli acciai sono chiamati "acciai legati".Gli acciai più semplici sono il ferro (Fe) legato al carbonio (C) (dallo 0,1% all'1% circa, a seconda del tipo).Tuttavia, il termine "acciaio legato" è il termine standard che si riferisce agli acciai con altri elementi di lega aggiunti deliberatamente oltre al carbonio.I leganti comuni includono manganese (il più comune), nichel, cromo, molibdeno, vanadio, silicio e boro.Leganti meno comuni includono alluminio, cobalto, rame, cerio, niobio, titanio, tungsteno, stagno, zinco, piombo e zirconio.
Di seguito è riportata una gamma di proprietà migliorate negli acciai legati (rispetto agli acciai al carbonio): resistenza, durezza, tenacità, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione, temprabilità e durezza a caldo.Per ottenere alcune di queste proprietà migliorate, il metallo può richiedere un trattamento termico.
Alcuni di questi trovano impiego in applicazioni esotiche e altamente impegnative, come nelle pale delle turbine dei motori a reazione e nei reattori nucleari.A causa delle proprietà ferromagnetiche del ferro, alcune leghe di acciaio trovano importanti applicazioni in cui le loro risposte al magnetismo sono molto importanti, inclusi nei motori elettrici e nei trasformatori.
Sferoidale
La sferoidite si forma quando l'acciaio al carbonio viene riscaldato a circa 700 °C per oltre 30 ore.La sferoidite può formarsi a temperature più basse ma il tempo necessario aumenta drasticamente, poiché si tratta di un processo a diffusione controllata.Il risultato è una struttura di bastoncini o sfere di cementite all'interno della struttura primaria (ferrite o perlite, a seconda del lato dell'eutettoide in cui ci si trova).Lo scopo è quello di ammorbidire gli acciai ad alto tenore di carbonio e consentire una maggiore formabilità.Questa è la forma di acciaio più morbida e duttile.
Ricottura completa
L'acciaio al carbonio viene riscaldato a circa 40 °C sopra Ac3 o Acm per 1 ora;questo garantisce che tutta la ferrite si trasformi in austenite (anche se la cementite potrebbe ancora esistere se il contenuto di carbonio è maggiore dell'eutettoide).L'acciaio deve quindi essere raffreddato lentamente, intorno ai 20 °C (36 °F) all'ora.Di solito viene semplicemente raffreddato in forno, dove il forno viene spento con l'acciaio ancora all'interno.Ciò si traduce in una struttura perlitica grossolana, il che significa che le "fasce" di perlite sono spesse.L'acciaio completamente ricotto è morbido e duttile, senza tensioni interne, che sono spesso necessarie per una formatura economicamente vantaggiosa.Solo l'acciaio sferoidale è più morbido e duttile.
Ricottura del processo
Un processo utilizzato per alleviare lo stress in un acciaio al carbonio lavorato a freddo con meno dello 0,3% C. L'acciaio viene solitamente riscaldato a 550–650 °C per 1 ora, ma a volte a temperature fino a 700 °C.L'immagine a destra [chiarimento necessario] mostra l'area in cui avviene la ricottura del processo.
Ricottura isotermica
È un processo in cui l'acciaio ipoeutettoidico viene riscaldato al di sopra della temperatura critica superiore.Questa temperatura viene mantenuta per un certo tempo e poi ridotta al di sotto della temperatura critica inferiore e viene nuovamente mantenuta.Viene quindi raffreddato a temperatura ambiente.Questo metodo elimina qualsiasi gradiente di temperatura.
Normalizzazione
L'acciaio al carbonio viene riscaldato a circa 55 °C sopra Ac3 o Acm per 1 ora;questo garantisce che l'acciaio si trasformi completamente in austenite.L'acciaio viene quindi raffreddato ad aria, con una velocità di raffreddamento di circa 38 °C (100 °F) al minuto.Ciò si traduce in una struttura perlitica fine e una struttura più uniforme.L'acciaio normalizzato ha una resistenza maggiore rispetto all'acciaio ricotto;ha una resistenza e una durezza relativamente elevate.
Tempra
L'acciaio al carbonio con almeno lo 0,4% in peso di C viene riscaldato a temperature di normalizzazione e quindi raffreddato rapidamente (temprato) in acqua, salamoia o olio alla temperatura critica.La temperatura critica dipende dal contenuto di carbonio, ma come regola generale è inferiore all'aumentare del contenuto di carbonio.Ciò si traduce in una struttura martensitica;una forma di acciaio che possiede un contenuto di carbonio sovrasaturo in una struttura cristallina deformata cubica a corpo centrato (BCC), propriamente chiamata tetragonale a corpo centrato (BCT), con molto stress interno.Pertanto l'acciaio temprato è estremamente duro ma fragile, solitamente troppo fragile per scopi pratici.Queste tensioni interne possono causare crepe da stress sulla superficie.L'acciaio temprato è circa tre volte più duro (quattro con più carbonio) dell'acciaio normalizzato.
Martempering (marquenching)
Il martemperaggio non è in realtà una procedura di rinvenimento, da qui il termine marquenching.Si tratta di una forma di trattamento termico isotermico applicato dopo un raffreddamento iniziale, tipicamente in un bagno di sali fusi, ad una temperatura appena superiore alla "temperatura iniziale della martensite".A questa temperatura, le tensioni residue all'interno del materiale vengono alleviate e si può formare della bainite dall'austenite trattenuta che non ha avuto il tempo di trasformarsi in qualcos'altro.Nell'industria, questo è un processo utilizzato per controllare la duttilità e la durezza di un materiale.Con una marcatura più lunga la duttilità aumenta con una minima perdita di resistenza;l'acciaio viene trattenuto in questa soluzione finché le temperature interna ed esterna della parte non si equalizzano.Successivamente l'acciaio viene raffreddato a velocità moderata per mantenere minimo il gradiente di temperatura.Questo processo non solo riduce le tensioni interne e le crepe da stress, ma aumenta anche la resistenza agli urti.
Temperamento
Questo è il trattamento termico più comune riscontrato, poiché le proprietà finali possono essere determinate con precisione dalla temperatura e dal tempo del rinvenimento.Il rinvenimento comporta il riscaldamento dell'acciaio bonificato a una temperatura inferiore alla temperatura dell'eutettoide, quindi il raffreddamento.La temperatura elevata consente la formazione di quantità molto piccole di sferoidite, che ripristina la duttilità, ma riduce la durezza.Le temperature e i tempi effettivi sono scelti con cura per ogni composizione.
Autemperatura
Il processo di austempering è lo stesso del martempering, tranne che il raffreddamento viene interrotto e l'acciaio viene mantenuto nel bagno di sali fusi a temperature comprese tra 205 °C e 540 °C, quindi raffreddato a velocità moderata.L'acciaio risultante, chiamato bainite, produce una microstruttura aciculare nell'acciaio che ha grande resistenza (ma inferiore alla martensite), maggiore duttilità, maggiore resistenza agli urti e minore distorsione rispetto all'acciaio martensite.Lo svantaggio dell'austempering è che può essere utilizzato solo su pochi acciai e richiede uno speciale bagno di sale.
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