Proprietà meccaniche dell’acciaio: perché è importante conoscerle?

Come tutti i materiali metallici, anche l’acciaio presenta specifiche proprietà meccaniche. Grazie a questo articolo imparerai a conoscerle (e riconoscerle) tutte. Leggi per saperne di più!

Prove e proprietà meccaniche: di cosa si tratta?

Dato un materiale, e dati noi che lo lavoriamo, dobbiamo aspettarci reazioni. E in effetti, ogni materiale può rispondere ad una sollecitazione in maniera:

• elastica (ad esempio, deformandosi in maniera reversibile)
• inelastica (ad esempio, rompendosi)

A parità di sollecitazione, nel determinare una o l’altra delle due possibilità intervengono le caratteristiche che chiamiamo proprietà. Perché esaminarle e conoscerle bene? Perché da loro dipende il successo o meno delle operazioni cui sottoporre il nostro materiale.

Come si possono determinare queste caratteristiche?

ASTM International, Deutsches Institut für Normung (DIN), Comitato europeo di normazione (EN) e Organizzazione internazionale per la normazione (ISO): dietro queste sigle complesse ci sono veri e propri “organismi di normalizzazione”. Il loro compito è definire gli standard delle prove finalizzate a conoscere le proprietà dei materiali. Per esempio le prove meccaniche, che sono generalmente standard e non ripetibili, come ad esempio la prova di trazione e compressore.

Facciamo focus sulle proprietà meccaniche

Nel corso di un provino, un materiale metallico può presentare un comportamento meccanico differente a seconda della direzione lungo la quale si effettua la prova. Si danno due eventualità nel caso in cui il materiale sia:

• Anisotropo: avrà maggior resistenza a trazione se la sollecitazione avviene nel senso delle fibre e – se avviene in senso trasversale)
• Isotropo: il valore determinato dalla prova sarà sempre lo stesso per qualsiasi metallo.

Come scegliere il tipo di materiale più adatto per un determinato utilizzo? Oggi scoprirai perché una scelta corretta non è fattibile senza conoscere le caratteristiche meccaniche di quel materiale.

 Prendi ad esempio una una molla o un ammortizzatore: è un manufatto che va incontro a continue sollecitazioni dinamiche o periodiche. Non c’è dubbio che debba essere realizzato con un materiale di elevata resistenza alla fatica: ottimo l’acciaio ad alto tenore di carbonio. Completamente diverso il caso un cuscinetto, o dei pattini del freno, per cui si rende necessario l’impiego di materiali di elevata resistenza d’attrito. Qui ha molto senso ricorrere, invece, a materiali sinterizzati.

Ho tirato in ballo qui diversi tipi di sollecitazioni per un motivo molto semplice: perché a diverse sollecitazioni corrispondono diverse risposte. Ed è proprio qui che nasce il tuo interesse a procurarti il materiale giusto!

Le sollecitazioni prendono il loro nome in relazione al modo in cui vengono applicate:

• Statiche: applicate in modo graduale e per un tempo abbastanza lungo (dell’ordine del secondo);
• Dinamiche: applicate in un tempo molto breve (come negli urti);
• Concentrate: applicate su una superficie molto ridotta (puntiforme);
• D’attrito: tra due organi a contatto in moto relativo uno rispetto all’altro;
• Periodiche: ciclicamente ripetute nel tempo.

Le proprietà più importanti dell’acciaio sono:

• Grande deformabilità e durezza
• Buona resistenza alla rottura a trazione e allo snervamento
• Buona conducibilità termica
• Resistenza alla corrosione (nel caso degli acciai inossidabili, inox)

Qual è il collegamento tra le proprietà meccaniche e le tipologie di sollecitazione che hai appena letto?

• Resistenza meccanica: capacità di resistere alle sollecitazioni statiche;
• Resilienza: capacità di resistere alle sollecitazioni dinamiche;
• Durezza: capacità di resistere alle sollecitazioni concentrate;
• Resistenza d’attrito: capacità di resistere alle sollecitazioni d’attrito;
• Resistenza alla fatica: capacità di resistere alle sollecitazioni periodiche.

Può accadere che il miglioramento di una proprietà meccanica porti al peggioramento di altre. In genere, aumentando la durezza, la resistenza meccanica e la resistenza all’usura si diminuisce la resilienza e la resistenza alla fatica. Determinare in maniera mirata il profilo delle proprietà di un prodotto di acciaio è possibile, come abbiamo visto, grazie alle attuali metodologie tecniche di indagine.
Nelle operazioni, dovranno essere tenuti in considerazione:

• Requisiti della lavorazione
• Requisiti dell’impiego
• Rigidità del materiale.

A proposito della resistenza meccanica dell’acciaio…

Le proprietà meccaniche spesso possono essere descritte solo attraverso parametri perifrastici, determinati da prove di laboratorio regolate dalle norme. E i diversi test per determinare le proprietà meccaniche degli acciai sono i seguenti:

• Prova di trazione
• Prova di scorrimento
• Prova di fatica
• Prova di resilienza
• Prova di durezza

Ci sono molti sistemi di misura utilizzati per definire la proprietà di un determinato acciaio. Ad esempio:

• Snervamento, duttilità e rigidezza: sono determinati con prove di trazione
• Tenacità: misurata mediante prove di impatto
• Durezza: determinata dalla misura della resistenza alla penetrazione della superficie da parte di un oggetto duro.

È noto che la resistenza meccanica a rottura non è elevata negli acciai. Migliore risposta offrono gli acciai speciali, che presentano, invece, valori del carico di rottura più elevati ed hanno migliori prestazioni grazie all’aggiunta, nella lega, di manganese, silicio ecc.

• Resistenza a trazione, flessione, taglio, torsione: l’acciaio presenta elevata resistenza a trazione ed agli sforzi longitudinali o trasversali.
• Resistenza al fuoco: l’acciaio non brucia e non conduce il fuoco perché è un materiale non combustibile, ma le sue proprietà meccaniche variano sensibilmente in funzione della temperatura.
• Resistenza alla corrosione: per corrosione si intende la reazione misurabile, chimica, elettrochimica o fisica di un materiale metallico con il suo ambiente, che modifica il materiale in maniera negativa. È influenzata dalla composizione chimica dell’atmosfera, dalla composizione chimica dell’acciaio e degli elementi di lega, dalla situazione metereologica e dagli “attacchi climatici”, dai rivestimenti.

 

Spingere le proprietà meccaniche? Lascia fare a SteelBetter!

Alla luce di quanto ricordato fin qui, è pacifico che nella scelta del materiale per una particolare applicazione, dovrai valutare se sia adatto a determinate condizioni di carico e ambientali durante tutto il periodo di servizio.

Insieme abbiamo visto la dimostrazione del fatto che comprensione e controllo puntuali delle proprietà di un materiale sono essenziali. Le proprietà meccaniche di un acciaio possono essere attentamente controllate attraverso la selezione di una appropriata composizione chimica, del processo produttivo… e qui si arriva a SteelBetter, il cui campo specialistico è il trattamento termico.

Il trattamento termico è l’ultimo e, lasciami dire senza paura di esser smentito, decisivo, per la definizione della microstruttura finale. Tanto i componenti della lega quanto il trattamento termico utilizzato nella produzione di acciai portano a differenti valori di proprietà e resistenze meccaniche. Per questo è fondamentale che vengano eseguiti da chi se ne intende davvero, con opportuni test di laboratorio eseguiti impeccabilmente e capaci di garantire il rispetto delle Normative di riferimento.

In parole più semplici, di che si tratta? Riscaldando ad una determinata temperatura alcune leghe, mantenendole a tale temperatura per un tempo adeguato e raffreddandole più o meno rapidamente si causano variazioni nella struttura del materiale e di conseguenza nelle proprietà.

Insomma, per mezzo di opportune operazioni di riscaldamento e successivo raffreddamento (con tempi e temperature ben determinate), se mi affidi il materiale io potrò incrementarne:

• Resistenza meccanica
• Elasticità
• Lavorabilità
• Tenacità

Come posso fare? Eccoci arrivati al punto che ci interessa e… a un ultimo schema, in cui voglio illustrarti dettagliatamente i servizi che offre SteelBetter, visti nella metodica e soprattutto nei risultati:

• Ricottura: ha lo scopo di conferire all’acciaio dolcezza, omogeneità, lavorabilità all’utensile e malleabilità. Distrugge gli effetti di trattamenti termici precedenti oppure gli effetti di lavorazioni plastiche (laminazione, trafilatura, stampaggio) che possono aver incrudito il materiale. La ricottura si opera effettuando un riscaldamento a temperature variabili tra i 900 °C per gli acciai dolci e i 750 °C per gli acciai duri a più elevato tenore di carbonio. La temperatura desiderata dev’essere mantenuta per un tempo sufficiente a formare la struttura desiderata in tutto il pezzo. Il raffreddamento viene eseguito in forno, molto lentamente. Per tutta la durata del trattamento l’atmosfera dal forno deve essere attentamente controllata.
  Normalizzazione: ha lo scopo di fissare nel materiale una grana fine ed omogenea, di distruggere le tensioni di fucinatura, di rigenerare l’acciaio surriscaldato e di migliorare la tenacità. Si esegue riscaldando il pezzo a temperatura di poco superiore a quella di ricottura, per un tempo sufficiente a riscaldare tutto il pezzo e raffreddando in aria calma.
• Tempra: ha lo scopo opposto a quello della ricottura, provocando nel materiale un notevole aumento di durezza e resistenza meccanica. Il trattamento si esegue riscaldando l’acciaio ad una temperatura compresa tra i 790 °C ed i 910 °C (in relazione alla percentuale di carbonio) e raffreddando rapidamente il pezzo. Il brusco raffreddamento fissa a temperatura ambiente una struttura cristallina (martensite) che, a questa temperatura, non potrebbe esistere. Questa struttura è caratterizzata da elevata durezza e resistenza meccanica ma è altresì estremamente fragile. Parametro fondamentale nel trattamento di tempra è la velocità critica diraffreddamento, intesa come la minima velocità di raffreddamento alla quale si forma la struttura cristallina sopracitata. Per avere una tempra soddisfacente la velocità di raffreddamento deve essere maggiore di quella critica. Per pezzi di grandi dimensioni o di forme complesse è indispensabile garantire un raffreddamento uniforme; in caso contrario si generano tensioni interne al materiale di entità tale da portare a deformazioni e rotture. Come mezzi di raffreddamento si utilizzano (in ordine crescente di capacità raffreddante): olio, acqua, acqua salata.
• Rinvenimento: elimina le tensioni interne prodotte dal trattamento di tempra e, riducendo la fragilità, migliora la tenacità dell’acciaio. È un trattamento che ha luogo dopo la tempra e si effettua a temperature variabili a seconda delle caratteristiche da ottenere. Dopo il riscaldamento il pezzo viene raffreddato in acqua o olio. Durante il riscaldamento la pellicola di ossidi sulla superficie del pezzo assume colorazioni caratteristiche (non luminose) in rapporto alla temperatura raggiunta.
• Bonifica: è il nome che si dà al ciclo di trattamenti termici di tempra e rinvenimento eseguiti in successione. Di particolare importanza è il trattamento di bonifica isotermica che consiste in un riscaldamento alle temperature proprie della tempra, in un primo raffreddamento fino atemperature di poco inferiori ai 700 °C, che vengono mantenute per tempi opportuni (necessari per ottenere le forme cristalline desiderate), e il raffreddamento finale fino alla temperatura ambiente. Alcuni particolari costruiti in acciaio possono richiedere elevate durezze superficiali, senza uno scadimento delle caratteristiche di tenacità. Il trattamento di tempra (o di bonifica) non è in grado di rispondere totalmente a questi requisiti; per ovviare a ciò si ricorre ai trattamenti termochimici di diffusione superficiale: cementazione e nitrurazione.
• Cementazione: si effettua riscaldando l’acciaio ad elevate temperature (specifiche per ogni acciaio e per ogni agente carburante) a contatto con materiali capaci di cedere carbonio agli strati superficiali del pezzo. L’accresciuta percentuale di carbonio aumenta drasticamente la durezza degli strati interessati, lasciando il cuore a tenacità elevata.
• Nitrurazione: Ha gli stessi scopi della cementazione ma viene eseguita in condizioni differenti. L’acciaio, specifico da nitrurazione, viene riscaldato a 500-530 °C per 50-100 ore a contatto di una corrente di ammoniaca. A tali temperature l’ammoniaca si decompone in idrogeno ed azoto atomico che penetra negli strati superficiali del pezzo, aumentandone di molto la durezza. Lo spessore dello strato indurito dalla nitrurazione è più ridotto di quello cementato ma presenta maggiori durezze e migliori doti di resistenza alle alte temperature ed alla corrosione. In fase di riscaldamento l’acciaio assume colorazioni distintive (luminose), caratteristiche della temperatura raggiunta.

Questa lunga serie di operazioni viene complessivamente indicata con l’espressione trattamenti termici, core business di SteelBetter. Quando riguardano i materiali ferrosi, i trattamenti termici sono caratterizzati dal fatto che a particolari temperature (dette temperature critiche, rilevabili dai diagrammi di stato) avvengono particolari trasformazioni strutturali che vengono fissate – o impedite – variando opportunamente le temperature di riscaldamento e le velocità di raffreddamento.

 

La scelta di un particolare trattamento termico e delle modalità di esecuzione dipendono dal materiale e dalle proprietà che si vogliono conferire al materiale.

In SteelBetter, il il riscaldamento è effettuato in appositi forni ad atmosfera controllata per evitare l’ossidazione (più rapida alle alte temperature) o in bagni di appositi sali portati a fusione. Il successivo raffreddamento può essere rapido (eseguito in acqua o olio) o lento (in forno) per ottenere le caratteristiche richieste.
Un percorso delicato: ti propongo di affrontarlo insieme, alla ricerca 

- del trattamento termico più adatto al tuo caso, 
- e delle adeguate delle modalità di esecuzione del trattamento

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Visto che sei arrivato fino a qui, ora hai… sia il materiale, sia una certa idea delle proprietà da conferirgli, da aumentare e ottimizzare. Parlarne con me è una semplice questione di click! Sono a tua completa disposizione, per chiarire ogni punto e studiare insieme la miglior soluzione, la più adatta alle tue esigenze! Chiamami subito.