trattamenti termici fondamentali degli acciai da costruzione

Capitolo ottavo
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8
3
1
100
200
300
400
500
41Cr4
42CrMo4
Temperatura
Figura 8.02. Effetto degli elementi di lega sulla posizione dei punti critici Ar d’acciai con la stessa concentrazione di carbonio e
raffreddati con la stessa velocità.
Questa differenza, dovuta soprattutto al ritardo della trasformazione al raffreddamento per effetto dei fenomeni d’isteresi, è notevolmente influenzata dalla velocità di raffreddamento (figura 8.01) e dalla composizione chimica
dell’acciaio (figura 8.02), tanto da consentire la trasformazione dell’austenite in martensite nell’intervallo di temperatura Ms-Mf.
Gli elementi di lega, secondo la loro azione alfagena o
gammagena, modificano la temperatura critica A3 del ferro
puro (911 °C) ed anche la temperatura e la concentrazione
di carbonio dell’eutettoide delle leghe FeC pure (figura
8.03).
Le seguenti formule matematiche, proposte da Andrews, consentono di calcolare i punti critici AC1 e AC3 degli acciai medio legati, in funzione della loro composizione
chimica:
AC3 (°C) = 910 – 203,0 C % - 15,2 Ni % + 44,7 Si % +
104,0 V % + 31,5 Mo % + 1,3 W % - 30,0 Mn % - 11,0 Cr
% - 20,0 Cu % + 700,0 P % + 400,0 Al % + 120,0 As % +
400,0 Ti %.
5
0
C40
AC1 (°C) = 723 - 10,7 Mn % - 16,9 Ni % + 29,1 Si % + 16,9
Cr % + 6,38 W % + 290,0 As %;
ed
d
ca
Ris
Ra
ffr
Variazione della lunghezza (Δl – mm)
Con i trattamenti termici è possibile modificare le caratteristiche strutturali e resistenziali dei metalli e soprattutto
delle leghe metalliche, per renderle più idonee alla destinazione intermedia o finale.
La definizione generica trattamento termico si riferisce all’insieme delle operazioni di riscaldamento, singole o
consecutive, a temperatura sempre inferiore al punto di fusione (solidus), seguite da un raffreddamento più o meno
veloce, tendente a produrre una modifica strutturale, cioè
dell’aggregazione delle singole fasi del sistema.
Alcuni trattamenti termici modificano la composizione
chimica superficiale del metallo e perciò sono definiti trattamenti termochimici.
La buona riuscita del trattamento termico presuppone la
conoscenza della temperatura alla quale si deve operare,
della durata o tempi di trattamento e della velocità di raffreddamento da realizzare per raggiungere l’obiettivo.
Per gli acciai, la scelta dei parametri che governano il
trattamento termico è legata alla conoscenza dei punti critici, o di trasformazione α→γ, e delle curve di trasformazione dell’austenite in condizioni isoterme (TTT) od anisoterme (CCT), nonché delle temperature d’inizio e fine formazione della martensite (Ms e Mf).
Come si è detto nei precedenti capitoli, le temperature
alle quali avvengono le trasformazioni di fase in condizioni
d’equilibrio, sono definite punti o temperature critiche ed
indicate con la lettera A (anomalia).
I più importanti per i trattamenti termici degli acciai sono:
A1 = temperatura d’inizio trasformazione della ferrite in
austenite o di fine trasformazione dell’austenite in ferrite;
A3 = temperatura di fine trasformazione della ferrite in austenite o d’inizio trasformazione dell’austenite in ferrite;
Acm = temperatura di saturazione della cementite
nell’austenite.
Variazione della lunghezza Δl
TRATTAMENTI TERMICI FONDAMENTALI DEGLI ACCIAI DA COSTRUZIONE
600
Temperatura (°C)
700
800
900
Figura 8.01. Curve dilatometriche dell’acciaio 34CrMo4 UNI EN
10083-1, austenitizzato a 850 °C, in funzione della velocità di raffreddamento, decrescente da 1 a 10.
Poiché durante il riscaldamento od il raffreddamento è
praticamente impossibile operare in condizioni di perfetto
equilibrio, i punti critici (A1, A3, Acm, ecc.) al riscaldamento
sono diversi da quelli al raffreddamento. Perciò sono distinti in AC1 ed Ar1, AC3 e Ar3, Accm e Arcm, ecc., dove “c” indica
il punto critico al riscaldamento (dal termine francese
chauffage) ed “r” al raffreddamento (dal termine francese
refroidissement).
Le temperature d’inizio (Ms) e fine trasformazione della
martensite (Mf) non sono influenzate dalla velocità di spegnimento, ma dalla concentrazione del carbonio (figura
8.04) e da tutti gli altri elementi di lega, che abbassano tutti
Ms ad eccezione del cobalto.
Anche la temperatura d’austenitizzazione influenza Ms,
che diminuisce sensibilmente soprattutto negli acciai ipereutettoidici austenitizzati al di sopra di Acm. Questo accade
perché la completa dissoluzione della cementite o dei carburi ipereutettoidici tende a stabilizzare fortemente
l’austenite.
-1-
La scelta preliminare della temperatura d’austenitizzazione è desumibile dal diagramma di figura 8.05, che riporta il campo di temperature d’austenitizzazione consigliato
per i più comuni trattamenti termici d’interesse industriale
degli acciai non legati, in funzione della concentrazione di
carbonio. Evidentemente si tratta di un’indicazione generale, che deve esser adattata di volta in volta in funzione della
composizione chimica degli acciai da trattare e dei risultati
che si desiderano ottenere. Informazioni più precise e specifiche per ogni acciaio si trovano nei cataloghi delle acciaierie più qualificate.
Nella tabella 8.01 sono riassunti alcuni dati di letteratura d’immediato interesse per i trattamenti termici degli acciai di più largo impiego industriale.
Temperatura dell’eutettoide (°C)
1300
1200
Si
1100
Mo
Ti
W
1000
900
Cr
800
700
Mn
600
Ni
% carbonio dell’eutettoide
500
Delle tre operazioni che compongono un trattamento
termico, riscaldamento, permanenza in temperatura e raffreddamento, l’ultima è senza dubbio la più critica ed importante per il buon esito del processo. Infatti, per ottenere
le microstrutture desiderate, le curve di raffreddamento devono intersecare le curve di trasformazione (CCT o TTT)
nelle zone più opportune.
80
60
40
Cr
Mn
Si
20
Ti
0
0
W
Mo
2
Ni
4
6
8
10
12
14
% di elementi di lega aggiunti
16
18
Figura 8.03. Influenza della concentrazione degli elementi di lega
sulla temperatura e concentrazione di carbonio dell’eutettoide.
Temperatura (°C)
800
600
400
Ms
200
0
Mf
-200
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
Contenuto di carbonio % p.p.
Figura 8.04. Influenza del tenore di carbonio in soluzione
nell’austenite su Ms e Mf degli acciai al solo carbonio.
1100
Temperatura (°C)
Temperatura
Temperatura limite
limite superiore
superiore di
di fucinatura
fucinatura
1000
E
Acm
Tempra
Tempra in
in olio
olio
900
G
Normalizzazione
Normalizzazione
A3
800
Tempra
Tempra in
in acqua
acqua
P
700
S
A1
Ricotture
Ricotture
K
Ricottura
Ricottura di
di ricristallizzazione
ricristallizzazione
600
500
Ricottura
Ricottura di
di distensione
distensione
0
0,5
1,0
Carbonio % p.p.
1,5
Figura 8.05. Temperatura di trattamento consigliata in funzione
del tenore di carbonio degli acciai.
La seguente formula matematica, proposta da Haynes,
consente di calcolare la temperatura Ms degli acciai medio
legati, in funzione della loro composizione chimica:
Ms (°C) = 561 – 474 C % - 33 Mn % - 17 Ni % - 21 Mo %.
-2-

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