AREA I - ARTE TECNICO SCIENTIFICA (ATS)
Capitolo ATS.G09: "Proprietà e Metallurgia dell'Acciaio"" - Pagina 03

Gli argomenti di questa pagina sono stati inseriti da Ing. Michele Cuzzoni nel 2012, aggiornati il 21/04/2016, e sono desunti dalla Bibliografia riportata a fondo pagina.

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Proprietà degli Acciai e classificazione

 

 

INDICE:

 

 

Proprietà degli acciai

Prendono il nome di acciai tutte le leghe del ferro con il carbonio, nelle quali il ferro è predominante e la percentuale di carbonio risulta inferiore al 2 %. Tuttavia negli acciai più comuni il carbonio di solito non supera l’1 %. Inoltre nelle varie leghe possono essere presenti anche altri elementi speciali, allo scopo di migliorarne le proprietà.

Le proprietà degli acciai dipendono principalmente dalla percentuale di carbonio, dalla presenza nella lega di altri elementi, dal trattamento termico cui sono stati sottoposti.

Comunemente essi presentano:

· BUONA RESISTENZA MECCANICA ....... Rm = 400 ¸ 1000 N/mm²

· BUON ALLUNGAMENTO ................... A = 5 ¸ 25 %

· BUONA RESILIENZA ........................ KU = 20 ¸ 60 J

· BUONA SALDABILITÀ

· BUONA PLASTICITÀ A CALDO (PER GLI ACCIAI DOLCI ANCHE A FREDDO)

· SCARSA FUSIBILITÀ E COLABILITÀ

Ecco in sintesi come variano le proprietà degli acciai all’aumentare della percentuale di carbonio:

 

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Classificazione pratica degli Acciai

 

Classificazione degli acciai in base alla percentuale di carbonio.

Struttura dopo ricottura

· ACCIAI DOLCI (TENERI ) C < 0,2 % ferrite + poca perlite

· ACCIAI DI MEDIA DUREZZA C = 0,2 ¸ 0,6 % ferrite + perlite

· ACCIAI MOLTO DURI C > 0,6 % perlite + poca ferrite

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Classificazione degli acciai in base alla presenza di altri elementi in lega

ACCIAI NON LEGATI : quando eventuali altri elementi sono presenti in percentuali minime.

ACCIAI DEBOLMENTE LEGATI : quando ciascuno degli elementi speciali è presente in quantità inferiore al 5 %.

ACCIAI LEGATI : quando almeno uno degli elementi speciali è presente in quantità uguale o superiore al 5 %.

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Influenza degli elementi leganti

Di solito durante la fabbricazione degli acciai vengono aggiunti alla lega alcuni elementi speciali, per migliorarne le proprietà meccaniche e/o tecnologiche. L’influenza degli elementi in lega dipende sia dalla presenza dell’elemento, sia dalla quantità presente nella lega. Qui di seguito sono elencati quelli più comuni e per ciascuno di essi vengono indicati brevemente gli effetti provocati nell’acciaio.

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Note

I CARBURI sono composti formati dal carbonio con un metallo. Hanno sempre una durezza molto elevata.

La TENACITÀ è una proprietà globale del materiale; essa non è esprimibile numericamente perché dipende da proprietà diverse che contemporaneamente il materiale deve possedere. Un materiale si dice tenace quando ha una buona resistenza meccanica, un discreto allungamento percentuale e in più è resiliente.

La FRAGILITÀ DA RINVENIMENTO è un fenomeno che si manifesta negli acciai al Cr e al Cr Ni, se sono raffreddati lentamente dopo il rinvenimento.

CORROSIONE INTERGRANULARE: è una corrosione profonda che avviene ai bordi dei cristalli della matrice metallica senza che l’interno dei grani venga attaccato. Le microfessure che si formano pregiudicano enormemente la resistenza del materiale.

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I GRUPPO

· Simbolo iniziale: Fe Fe E Fe G

· Numero che indica la resistenza meccanica.

 

ESEMPI:

Fe 510 Acciaio con resistenza minima a trazione Rm = 510 N/mm²

Fe E 390 Acciaio con carico unitario di snervamento minimo Rs = 390 N/mm²

Fe 60 Acciaio con resistenza minima a trazione Rm = 590 N/mm²

Fe G 70 Acciaio per getti con resistenza minima a trazione Rm = 690 N/mm²

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II GRUPPO

 

ACCIAI  NON LEGATI

· Simbolo iniziale: C

· Numero che indica la percentuale di carbonio.

 

ESEMPI:

C 45 Acciaio con 0,45 % di carbonio.

C 100 Acciaio con 1 % di carbonio.

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ACCIAI DEBOLMENTE LEGATI

· Nessun simbolo iniziale (o G negli acciai per getti)

· Numero che indica la percentuale di carbonio.

· Uno o più simboli chimici degli elementi in lega.

· Uno o più numeri separati da un trattino che indicano la percentuale di ciascun elemento, moltiplicata per un opportuno coefficiente, come indicato nella tabella sottostante.

 

ESEMPI:

41 Cr 4 Acciaio con 0,41 % di carbonio e 1 % di cromo.

18 Ni Cr 16 Acciaio con 0,18 % di carbonio, 4 % di nichel e presenza di cromo.

30 Cr Al Mo 5-10 Acciaio con 0,3 % di carbonio, 1,25 % di cromo,1 % di alluminio e presenza di molibdeno.

10 S 20 Acciaio con 0,1 % di carbonio e 0,2 % di zolfo.

G 90 Cr 4 Acciaio per getti con 0,9 % di carbonio e1 % di cromo.

 

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ACCIAI LEGATI

· Simbolo iniziale X (o GX negli acciai per getti)

· Numero che indica la percentuale di carbonio.

· Uno o più simboli chimici degli elementi in lega.

· Uno o più numeri separati da un trattino che indicano la percentuale reale di ciascun elemento.

 

ESEMPI:

X 20 Cr 13 Acciaio con 0,2 % di carbonio e 13 % di cromo.

X 10 Cr Ni 18-09 Acciaio con 0,1 % di carbonio, 18 % di cromo e 9 % di nichel.

X 100 Cr Mo V 5-1 Acciaio con 1 % di carbonio, 5 % di cromo, 1 % di molibdeno e presenza di vanadio.

 

 

Gli ACCIAI NON LEGATI sono quelli in cui la percentuale degli elementi in lega non raggiunge nessuna delle quantità indicate in tabella.

Se nell’acciaio sono presenti contemporaneamente più elementi fra quelli segnati in grassetto, bisogna verificare:

1. che i tenori limite per ciascuno degli elementi sia inferiore ai limiti in tabella;

2. che la somma delle percentuali degli elementi in lega sia inferiore al 70% della somma dei tenori limiti di quegli elementi.

 

Esempio:

un acciaio contiene 0,2% Cr e 0,1% Ni

0,2 < 0,3 e 0,1 < 0,3 ma non basta, bisogna verificare che

(0,2 + 0,1) < (0,3 + 0,3) ´ 0,7;

0,3 < 0,42 vera  acciaio non legato

 

Gli ACCIAI LEGATI sono quelli in cui la percentuale di almeno uno degli elementi in lega raggiunge o supera il valore limite indicato in tabella.

Acciai non legati di base: non vi sono prescrizioni di trattamento termico, né di particolari attitudini, né degli elementi in lega. Hanno caratteristiche meccaniche entro limiti specificati dalle norme.

 

Acciai non legati di qualità: non sono richieste regolarità di risposta ai trattamenti termici o prescrizioni di purezza per le inclusioni non metalliche. Sono adatti ad uno specifico impiego.

 

Acciai non legati speciali: presentano purezza elevata e composizione chimica molto precisa. Hanno le più diverse proprietà di lavorabilità e attitudini all’impiego. Sono in genere destinati ai trattamenti termici.

 

Acciai legati di qualità: contengono elementi in lega con tenori limiti percentuali seguenti. La loro utilizzazione è simile agli acciai non legati di qualità. Normalmente non sono destinati a trattamenti termici.

 

 

 

Acciai legati speciali: hanno una precisa composizione chimica che gli conferiscono le più diverse attitudini all’impiego. Fanno parte di questi acciai: quelli per costruzioni meccaniche, gli acciai inossidabili, gli acciai da cementazione, gli acciai per cuscinetti, gli acciai per utensili.

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CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI IN BASE ALL’IMPIEGO

Gli acciai usati nelle costruzioni meccaniche vengono classificati di solito in tre gruppi:

A - ACCIAI PER USI GENERALI

B - ACCIAI SPECIALI DA COSTRUZIONE

C - ACCIAI SPECIALI PER UTENSILI

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A - ACCIAI PER USI GENERALI

Sono acciai comuni a resistenza medio-bassa, usati per la fabbricazione di pezzi che devono sopportare modeste sollecitazioni di tipo statico (carpenteria metallica, strutture portanti, ecc.). Non contengono elementi speciali aggiunti in lega e non vengono sottoposti a trattamenti termici, fatta eccezione per la ricottura o la normalizzazione. Generalmente sono caratterizzati da una buona Saldabilità. Di essi viene garantita solo la resistenza meccanica. Vengono posti in commercio sotto forma di barre, lamiere, profilati, ecc., prodotti di solito mediante laminazione a caldo.

Esempi: Fe 510 Fe 60 Fe E 390

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B - ACCIAI SPECIALI DA COSTRUZIONE

Sono acciai di qualità e resistenza più elevata, ottenuti mediante un processo di fabbricazione più accurato e usati per costruire particolari meccanici che devono resistere a forti sollecitazioni di tipo dinamico o alternato (alberi, bielle, giunti, ruote dentate, ecc.). Di solito contengono degli elementi speciali aggiunti alla lega, ma possono anche esserne privi. Le loro proprietà vengono esaltate con appropriati trattamenti termici.

Gli acciai da costruzione vengono suddivisi nelle seguenti categorie:

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ACCIAI DA BONIFICA

Contengono il carbonio in quantità superiore allo 0,2 %: più comunemente C = 0,3 ¸ 0,5 %. Questi acciai acquistano elevata tenacità dopo il trattamento di bonifica.

 

NOTA: gli acciai C22E contengono S £ 0,035%; gli acciai C22R contengono S = 0,02¸0,04%.

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ACCIAI DA CEMENTAZIONE

Contengono il carbonio in quantità inferiore allo 0,2 %. Dopo il trattamento di cementazione seguito dalla tempra presentano una notevole durezza superficiale e quindi resistenza ad usura, associata ad una buona tenacità all’interno del pezzo.

 

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ACCIAI PER LAVORAZIONI AD ALTA VELOCITÀ

Sono acciai da bonifica o da cementazione con piccole aggiunte di zolfo (S £ 0,25 %) e piombo (Pb £ 0,15 %), allo scopo di migliorarne la lavorabilità alle macchine utensili: con essi la velocità di taglio può essere aumentata anche del 50 %. Dopo la lavorazione possono subire un appropriato trattamento termico.

Esempi: 10 S 20 35 S Mn Pb 10 (Rm = 600 N/mm2)

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ACCIAI DA NITRURAZIONE

Sono dei particolari acciai da bonifica (C = 0,3 ¸ 0,4 %) legati al Cr-Mo o al Cr-Al-Mo (non devono però contenere il nichel). La nitrurazione, eseguita sempre dopo il trattamento di bonifica, conferisce all’acciaio notevole durezza superficiale, resistenza ad usura e a fatica. Vengono usati per alberi a gomito, spinotti, ingranaggi, calibri di controllo, ecc.

Esempi: 31 Cr Mo 12 41 Cr Al Mo 7 (spessore nitrurato HV > 1050)

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ACCIAI PER MOLLE

Sono caratterizzati da una notevole elasticità, dovuta all’alto tenore di carbonio (C > 0,5 %) e di solito anche alla presenza di silicio e cromo.

 

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ACCIAI PER CUSCINETTI VOLVENTI

Hanno una percentuale di carbonio molto alta (di solito C = 1 %) e contengono cromo e manganese.

Dopo la tempra, seguita da un rinvenimento a bassa temperatura (150 ¸ 220 °C), presentano un’elevata durezza e resistenza ad usura. Vengono usati per cuscinetti a sfere e a rulli.

Esempi: 100 Cr 6 100 Cr Mn 4 (HRC = 63 ¸ 64)

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ACCIAI INOSSIDABILI

Contengono di solito più del 12 % di cromo e possono essere presenti anche nichel, molibdeno, titanio. Sono caratterizzati da una notevole resistenza alla corrosione e al calore.

 

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C - ACCIAI SPECIALI PER UTENSILI

Presentano notevole durezza, tenacità e resistenza all’usura, in modo da poter lavorare altri materiali mediante taglio o deformazione plastica. Contengono un elevato tenore di carbonio ed elementi speciali come wolframio, cromo, vanadio, molibdeno. Questi elementi, combinandosi con il carbonio, formano dei carburi durissimi, che mantengono inalterata la durezza dell’acciaio anche a temperature elevate, consentendo quindi di lavorare ad alta velocità (acciai rapidi). La presenza in lega del cobalto, insieme agli altri elementi, stabilizza la durezza fino a temperature ancora più elevate (500 ¸ 600 °C).

Gli acciai per utensili sono suddivisi in quattro categorie:

1) ACCIAI NON LEGATI PER LAVORAZIONI A FREDDO.

Es. C 100 KU C 120 KU (HRCmin = 62)

 

2) ACCIAI LEGATI PER LAVORAZIONI A FREDDO.

Es. 90 MnVCr 8 KU X 100 CrMoV 5 1 KU

 

3) ACCIAI LEGATI PER LAVORAZIONI A CALDO.

Es. 55 NiCrMoV 7 KU X 40 CrMoV 5 1 1 KU

 

4) ACCIAI RAPIDI.

 Es. X 75 W 18 KU ( HS 18-0-1 ) X 78 WCo 18 05 KU ( HS 18-1-1-5 )

(HRC = 65) (HRC = 66)

 

Vengono usati per lime, scalpelli, strumenti di misura, stampi, utensili da tornio, punte elicoidali, alesatori, maschi, frese, creatori, brocce, ecc.

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DESIGNAZIONE AISI (USA) DEGLI ACCIAI INOSSIDABILI

La designazione è ottenuta con numeri di riferimento secondo la seguente tabella.

 

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Bibliografia


Bib-TS-096: Atti della Giornata di studio organizzata da AJPI Associazione Italiana Progettisti Industriali, Milano, 14 maggio 1999

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