Acciai Microlegati ad elevate caratteristiche resistenziali
Gli acciai microalligati o microlegati sono acciai che pur con un basso tenore di elementi aggiunti in lega mostrano elevate caratteristiche resistenziali. Essi sono spesso indicati con la sigla HSLA (acronimo di high-strength low-alloy).
Gli acciai microalligati o microlegati sono acciai che pur con un basso tenore di elementi aggiunti in lega mostrano elevate caratteristiche resistenziali. Essi sono spesso indicati con la sigla HSLA (acronimo di high-strength low-alloy).La classe di acciai microlegati non è definita in modo preciso all'interno della normativa tecnica e vengono compresi nella classe degli acciai al carbonio da costruzione e di uso generale, in quanto gli elementi aggiunti in lega sono presenti in piccole quantità. Va comunque segnalato che a volte i microleganti possano essere aggiunti per gli stessi scopi anche in acciai speciali da costruzione, come gli acciai da bonifica. I microalligati possono comunque essere riconosciuti dagli utilizzatori, in quanto nella composizione chimica viene esplicitamente dichiarata la presenza di almeno uno degli elementi generalmente usati per la microalligazione: titanio (Ti), vanadio (V), niobio (Nb) e boro (B).
Vengono normalmente utilizzati in sostituzione degli acciai da bonifica (trattamento termico che si compone di una tempra e di un successivo rinvenimento), consentendo spesso, con ovvi risparmi, di evitare il trattamento termico e le operazioni di raddrizzatura conseguenti ad esso. Le caratteristiche meccaniche, degli acciai microlegati o HSLA, sono dovute sia alla composizione chimica che ad un particolare trattamento termomeccanico, che viene di solito eseguito semplicemente mediante uno stretto controllo della temperatura e del percorso di raffreddamento al termine delle operazioni di deformazione plastica a caldo senza l'onere di eseguire successivi e specifici trattamenti termici. In ogni caso per acciai microalligati destinati ad alcune applicazioni critiche vengono comunque eseguiti particolari cicli termici.
Come detto, gli HSLA sono acciai al carbonio-manganese contenenti piccole quantità, di solito al di sotto dello 0.15% in peso, di vanadio, titanio, niobio* che mostrano una spiccata tendenza a combinarsi con carbonio (C) e all'azoto (N) a generare composti di dimensioni nanometriche. La formazione di carburi, nitruri e carbonitruri (prendono il nome di precipitati) (figura), secondo la composizione chimica dell'acciaio, produce un affinamento dei grani dell'acciaio. Il contenuto di carbonio generalmente presente varia da valori prossimi a 0.03-0.04% fino al contenuto eutettoidico (0.77%).
Oltre ad affinare il grano, la formazione dei precipitati a partire dai microalliganti comporta l'ancoraggio delle dislocazioni, che sono quei difetti del reticolo cristallino che con il loro movimento favoriscono il flusso plastico del materiale. L'ancoraggio prodotto dai precipitati provoca un innalzamento del carico di snervamento, cioè il carico oltre il quale comincia il flusso plastico del materiale. Si badi e si ricordi che il carico di snervamento ha un'importanza fondamentale per qualsiasi progettista, in quanto egli progetta in funzione di questo carico e non in funzione di quello di rottura, poiché negli impieghi strutturali non è consentito al materiale di entrare nella regione di plasticità.
Il principale scopo dell'aggiunta di microleganti è di poter realizzare la affinamento del grano e/o il rafforzamento per precipitazione con ancoraggio delle dislocazioni. Comunque, se l'affinamento del grano è un meccanismo di rafforzamento che comporta pure un incremento della tenacità (capacità di resistere agli urti e sopportare i difetti), il rafforzamento per precipitazione se da un parte comporta l'innalzamento del carico di snervamento, dall'altra comporta una diminuzione della tenacità del materiale e questo è il più grave limite degli acciai microalligati.
Gli acciai microlegati sono usati in molte applicazioni ingegneristiche per il loro basso costo, per la resistenza a fatica, insieme con una buona capacità di essere saldabili anche se per le operazioni di saldatura di consiglia cautela, in quanto potrebbero prodursi consistenti infragilimenti nella zona termicamente alterata in prossimità del cordone. La temperatura ed il ciclo termico realizzato influenzano la microstruttura dei materiali. L'intervallo degli sforzi di snervamento varia generalmente tra 350MPa a 550 MPa, anche se sono stati recentemente sviluppati gradi con lo 0.2% C ed alligati con niobio e vanadio che arrivano a 1100MPa al termine del processo di laminazione a caldo, ma a volte presentano significative limitazioni circa la tenacità se non si realizzano adeguati cicli termici.
Un acciaio dalle caratteristiche eccezionali viene prodotto per le tubazioni speciali per le biciclette e utilizzato nei reparti corse. Si tratta di un particolare materiale microlegato siglato 18MCDV6HT che ha innalzato il carico di rottura "all'incredibile" soglia di 1400MPa, attraverso particolari trattamenti termici. La sua particolare combinazione chimica inibisce nel periodo di raffreddamento, successivo all'assemblaggio dei telai, i fenomeni di infragilimento e autotempra. Questo consente al progettista di diminuire la sezione resistente delle strutture e quindi alleggerirle notevolmente.
Tali elevatissimi valori meccanici si uniscono ad una notevole capacità del materiale di dare luogo a deformazioni prima di collassare, caratteristica che permette la realizzazione di strutture particolarmente affidabili e sicure. Per quanto riguarda l'utilizzo dei microlegati per prodotti piani si fa riferimento alla norma UNI EN 10149-95 "Prodotti piatti laminati a caldo di acciaio ad alto limite di snervamento per formatura a freddo" e soddisfano contemporaneamente due esigenze: caratteristiche meccaniche più elevate rispetto ai tradizionali acciai da stampaggio, ottenibili con l'aggiunta di elementi microleganti come niobio e vanadio, e una buona deformabilità a freddo. In particolare questi acciai presentano: elevati valori di carichi di snervamento, ottima saldabilità, elevata tenacità, buona deformabilità a freddo e buona resistenza a fatica. Esistono differenti gradi di acciai con carico unitario di snervamento da 280MPa a 650 MPa in grado di soddisfare le più diverse esigenze applicative. I nastri di questa famiglia sono particolarmente indicati per la fabbricazione di componenti automobilistici come particolari per cinture di sicurezza, guide sedili, dischi ruota, tubi di rinforzo e comunque in tutti i casi dove si voglia ottenere un prodotto da realizzarsi mediante stampaggio o formatura a freddo che presenti elevate caratteristiche resistenziali. Ci sono nastri con composizione chimica e caratteristiche meccaniche differenti. Acciai microlegati rinforzati al rame sono stati sviluppati per applicazioni nelle strutture navali che richiedevano alta resistenza e durezza insieme con un miglioramento della saldabilità. Le travi in microlegato, dato che è possibile diminuire la sezione resistente grazie ad un incremento del carico di snervamento, possono divenire più leggere (con notevoli vantaggi anche in tutte le applicazioni antisismiche) e meno ingombranti consentendo di ampliare gli spazi abitativi.
Un ulteriore applicazione, si ha nelle tubazioni per il trasporto dei gas naturali e degli oli; dove la migliorata saldabilità è dovuta soprattutto al più basso contenuto di elementi leganti e al più basso livello del carbonio. Inoltre, siccome la necessità di tubi di diametro elevato è cresciuta, gli acciai microallegati sono stati utilizzati per ottenere pareti di spessore più sottile, evitando dunque l'eccessivo appesantimento strutturale. Uno spessore di 10-12.5 mm è risultato il più conveniente per queste applicazioni. Una tipica composizione di questi acciai con sforzi di 410 MPa è data da:C 0.12% S 0.012% Mn 1.35% Nb 0.03% oppure C 0.12% S 0.006% Mn 1.33% Nb 0.02% V 0.04%. Per carichi di snervamento superiori a 450 MPa si incrementano i tenori degli elementi microalliganti. Comunque va sempre tenuto presente che gli acciai microlegati se da una parte consentono la diminuzione delle sezioni resistenti dall'altra possono presentare forti problemi dal punto di vista della tenacità e della resistenza a fatica quando non siano applicati particolari accorgimenti relativi alla composizione chimica e al ciclo termico. Per cui per gli acciai microalligati con elevati carichi di snervamento spesso non è sufficiente il controllo della temperatura al termine della deformazione plastica a caldo ma, vanno realizzati altri cicli termici supplementari al fine preservare anche un'elevata tenacità.
A cura dell'Ing. Carlo Mapelli - Dipartimento di Meccanica - Politecnico di Milano
*Il vanadio si trova presente in quantità assai basse, poiché la sua azione è sentita ed apprezzabile anche solo con un tenore del 0.05%. Forma carburi che producono l'effetto di indurire sensibilmente l'acciaio. Una delle proprietà più significative del vanadio è il potere di affinamento dei grani.
Il titanio è un energico disossidante, perciò in alcune fabbricazioni speciali viene aggiunto in piccole proporzioni al bagno di acciaio per eseguire una disossidazione profonda con conseguente miglioramento delle caratteristiche meccaniche. Conferisce un indurimento per precipitazione e quindi anche un innalzamento del carico di snervamento; questo effetto del titanio è dovuto alla eccezionale stabilità dei carburi cui dà luogo. Il titanio è anch'esso un energico affinante del grano.
Il niobio dà origine a carburi e a carbo-nitruri che conferiscono un notevole indurimento strutturale anche allo stato ricotto, poiché affinano il grano. Le aggiunte sono dell'ordine di 0.01%, ma queste possono dare luogo ad aumento di fragilità, per cui ne va fatto un impiego particolarmente cauto, così come per il boro che può portare ad una maggiore fragilità se si combinasse in grande quantità con l'azoto anziché con il carbonio.
Oltre a questi elementi, si può anche includere l'alluminio che è un energico disossidante, ma nel momento in cui precipita sotto forma di nitruro è però un efficace affinante del grano.
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