Cos’è l’acciaio da costruzione a grano fine? Dall’acciaio da costruzione all’acciaio da costruzione a grano fine Laminato a temperatura di forgiatura a caldo Sebbene all’atto pratico gli acciai da costruzione saldabili più utilizzati restino gli acciai da S235JR a S355K2, da circa settant’anni in alcuni settori industriali si assiste ad una propensione verso gli acciai da costruzione a grano fine ad alta e ad altissima resistenza. All’origine di questa propensione vi è la necessità di realizzare costruzioni più leggere e più convenienti in termini di costi. In questo senso, da alcuni decenni ci si è sforzati di produrre acciai caratterizzati da valori di resistenza possibilmente elevati e da valori di tenacità sufficienti. Un fattore determinante per le caratteristiche di resistenza e tenacità è rappresentato dalla struttura, ossia in particolare dalla dimensione del grano. INFO PER L‘UTILIZZATORE | Non è pubblicità, siate cortesi e trasmetterlo alla technica 100% Ferrit ~100% Perlit Le caratteristiche del materiale risultano quindi dal comportamento congiunto di questi due tipi di cristalli, auspicabilmente distribuiti in modo uniforme nella struttura. Tale distribuzione uniforme può essere più facilmente raggiunta se la struttura presenta una granulometria fine. Elementi concomitanti indesiderati dell’acciaio come gli ossidi, il fosforo, lo zolfo e l’azoto, che pregiudicano i valori di tenacità, hanno un effetto negativo tanto più ridotto quanto più fine è il grano e quanto più finemente essi si distribuiscono sui giunti del grano, ossia quanto maggiore è il numero dei giunti. Il numero dei grani dipende dalla velocità di raffreddamento durante il processo di colata e dal numero di germi di cristallizzazione che l’operaio dell’acciaieria aggiunge all’acciaio. I generatori di germi sono alluminio, titanio, niobio, vanadio e zirconio. Insieme a carbonio e azoto, essi formano composti ad alta fusione che all’interno del metallo fuso fungono da germi per la formazione dei cristalli di austenite e successivamente anche per la formazione dei cristalli di ferrite e perlite. Grano non deformato L’ultima fase determinante ai fini della granulometria è la velocità alla quale l’acciaio si raffredda dal calore di laminazione. Tanto maggiore è la velocità di raffreddamento, tanto più fine sarà la percentuale di ferrite e perlite nella struttura. Un’eccessiva velocità di raffreddamento va tuttavia evitata in quanto potrebbe generarsi la dura e fragile struttura martensitica. Si è però riconosciuto che la durezza e la fragilità del martensite dipende in ampia misura dal tenore di carbonio dell’acciaio. Minore è il tenore di carbonio e più morbido sarà il martensite. Tale conoscenza è utile per quanto riguarda i moderni acciai da costruzione a grano fine, laddove sono soprattutto gli acciai ad altissima resistenza a subire un rapido raffreddamento ottenendo così una struttura martensitica “pressoché morbida”, la quale dopo la tempra viene sottoposta a rinvenimento per recuperare la tenacità. Questo sofisticato “gioco” con temperature di laminazione, gradi di deformazione, temperature di raffreddamento e temperature di rinvenimento ha fornito un contributo sostanziale allo sviluppo degli acciai da costruzione a grano fine ad alta resistenza. Leganti Il legante più “economico” è il carbonio. A partire dal ferro puro, un’aggiunta dello 0,4 % provoca il raddoppiamento dei valori di resistenza. Tuttavia, la tenacità (allungamento/energia d’urto sul provino intagliato) risulta completamente abbattuta. Inoltre, durante la saldatura il carbonio provoca un forte indurimento nella zona termicamente alterata del giunto di saldatura ed inevitabilmente anche il rischio di cricche di tempra. Per questo motivo, gli acciai da costruzione a grano fine saldabili presentano un tenore di carbonio massimo dello 0,2 %. Un acciaio con un tenore max. dello 0,2 % di carbonio, come ad esempio l’acciaio S355J2 in pareti di spessore fino a 16 mm, giunge dunque ad un limite di snervamento di > 355 MPa ed una resistenza compresa tra 470 e 630 MPa. Un risultato piuttosto deludente. 02.01 Cos’è l’acciaio da costruzione a grano fine? Hertistrasse 15, Postfach, CH-8304 Wallisellen, T. +41 (0)44 832 88 55, F. +41 (0)44 832 88 58 Email: [email protected] / www.voestalpine.com/welding zertifiziert nach ISO 9001:2000 Fine Formazione di nuovi grani su germi di ricristallizzazione (dislocazioni, giunti del grano) La cosiddetta granulometria primaria (cristalli di austenite) si modifica ulteriormente in un secondo momento durante la lavorazione a caldo, ossia durante il processo di laminazione. Una lavorazione intensa, come accade ad esempio durante la laminazione a oltre 900° C, comporta un sostanziale affinamento della grana. Gli stessi elementi originariamente aggiunti come generatori di germi impediscono ora l’ingrossamento del grano durante il raffreddamento successivo al calore di laminazione. voestalpine Böhler Welding Schweiz AG Ingrossamento del grano mediante ricristallizzazione Inizio L’importanza della granulometria La struttura di un acciaio da costruzione non legato è costituita da due diversi tipi di cristalli: la ferrite, ossia ferro praticamente puro, e la perlite, un aggregato lamellare di ferrite e cementite. Entrambi questi cristalli, la ferrite e la perlite, si trovano distribuiti più o meno uniformemente all’interno della struttura. Mentre la ferrite influisce positivamente sui valori di tenacità, la perlite fa in modo che l’acciaio presenti valori elevati di resistenza.. Grano deformato | Pagina 1 di 2 | Situazione: 2014-05-09 Aggiunta di altri leganti Da una parte sono necessari leganti in grado di depositarsi nella ferrite e provocare deformazioni a reticolo grazie al loro diametro atomico diverso rispetto al ferro Fe. Tali deformazioni a reticolo provocano a loro volta un aumento della resistenza (indurimento dei cristalli misti). Tra questi leganti vi sono elementi come il manganese (Mn), il silicio (Si), il cromo (Cr), il molibdeno (Mo) e il nichel (Ni). Acciai da costruzione a grano fine ottenuti mediante laminazione termomeccanica (EN 10025-4) Si tratta di acciai che presentano un tenore nettamente inferiore di carbonio e per i quali durante la laminazione si assiste ad un trattamento termico mirato. Per la laminazione termomeccanica sono importanti i seguenti fattori: S355 semicalmato per temp. di esercizio maggiori 0 + Al -20 + o Cr M St 52-3 -40 - C, + Mn Ni Nb Temperatura di transizione T27J [°C] 20 -60 -80 -C + Ni Cu ,+ bV uN Ni C Mn V Nb Ni Acciai da costruzione Nb Ti V Mo per temp. di esercizio inferiori -100 -120 250 300 350 400 Acciai tubolari 450 500 550 Limite di snervamento [N/mm2] D’altra parte, sono tuttavia necessari anche leganti che legandosi tra loro e con carbonio e azoto siano in grado di formare cristalli funzionali ad un aumento della resistenza, i quali a loro volta determinano una struttura a granulometria più fine (indurimento per precipitazione). Tra questi leganti vi sono l’alluminio (Al), il titanio (Ti), il niobio (Nb), il vanadio (V) e lo zirconio (Zr). Sbozzatura a preriscaldo inferiore della bramma per impedire un ingrossamento indesiderato del grano di austenite. Controllo mirato della temperatura durante la sbozzatura per raggiungere una struttura austenitica possibilmente a grano fine. Elevata deformazione in fase di laminazione di finitura ad un intervallo di temperatura inferiore per allungare sensibilmente la grana austenitica. Trasformazione dell’austenite fortemente allungata in una struttura finale a grano finissimo con precipitazioni finemente distribuite di carbonitruri. I tipi di acciaio ad altissima resistenza subiscono talvolta un raffreddamento rapido seguito da rinvenimento.. Processi di laminazione termomeccanica (schema) Temperatura TM1 Gruppi principali di acciai da costruzione a grano fine Gli acciai da costruzione a grano fine sono stati sviluppati sulla base dell’acciaio St52-3N, oggi ~S355J2(+N), il quale era d’origine particolarmente calmato (+Si/+Al) e dunque molto puro e presentante un tenore di manganese di circa 1,2 %. Gli odierni acciai da costruzione a grano fine sono doppiamente calmati e possiedono un tenore di carbonio inferiore allo 0,2 % ed un tenore di manganese compreso tra 1,0 e 1,7 %. TNr TM2 TMBA TMDQ ML Ar3 (*) Ar1 (*) +A MS Laminazione Raffreddamento rapido Acciai da costruzione a grano fine normalizzati (EN 10025-3) Acciai: 275-460: M: ML: Si tratta di acciai che dopo l’ultima lavorazione a caldo vengono normalizzati, ossia normalizzati laminati. Metalli di apporto per saldatura Acciai: 275-460: N: NL: da S275N / NL a S460N / NL 275-460 MPa minimo limite di snervamento per temperature di esercizio fino a -20° C per temperature di esercizio più basse fino a -50° C da S275M / ML a S460M / ML 275-460 MPa minimo limite di snervamento per temperature di esercizio fino a -20° C per temperature di esercizio più basse fino a -50° C Per l’intera gamma di acciai da costruzione a grano fine ad alta resistenza sono disponibili metalli di apporto concepiti appositamente per le varie classi di resistenza. Acciai da costruzione a grano fine bonificati (EN 10025-6) Si tratta di acciai che dopo l’ultima lavorazione a caldo vengono bonificati. Ciò significa che vengono scaldati fino a +950° C come semilavorato finito, per poi essere preferibilmente temprati in acqua e successivamente rinvenuti a circa 650° C. Durante la tempra si forma un martensite a grana finissima per il quale, mediante il successivo rinvenimento, si giunge ad una combinazione ottimale di altissima resistenza con elevata tenacità. Acciai: 460-960: Q: QL: QL1: A: Rinvenimento S460Q / QL / QL1 fino a S960Q / QL / QL1 460-960 MPa minimo limite di snervamento per temperature di esercizio fino a -20° C per temperature di esercizio più basse fino a -40° C per temperature di esercizio più basse fino a -60° C 02.01 Cos’è l’acciaio da costruzione a grano fine? Limite di snervamento ReH [MPa] Bacchetta WIG Elettrodo a barra Filo MAG Böhler ... Böhler FOX ... Böhler ... EML 5 EV 50 EMK6 / EMK 8 355-460 DMO-IG / Ni1-IG / 2,5Ni-IG EV 55 / EV 60 EMK 8 DMO-IG 2.5Ni-IG 460-550 NiMo1-IG EV 65 / EV 70 NiMo1-IG 550-620 Su richiesta EV 75 Su richiesta 620-690 NiCrMo2,5-IG EV 85 / EV 85M X 70-IG NiCrMo2,5-IG 690-890 --- EV 100 X 90-IG Fino a 355 | Pagina 2 di 2 | Situazione: 2014-05-09 Queste informazioni sono indicative per l‘artigiano. Essi descrivono delle circostanze tecniche fondamentali semplificate e non sono esaustive. La garanzia delle qualifiche per ogni utilizzo/messa in opera richiede un accordo scritto anticipatamente. voestalpine Böhler Welding Schweiz AG Hertistrasse 15 | Postfach | CH-8304 Wallisellen | T. +41 (0)44 832 88 55 | F. +41 (0)44 832 88 58 | EMail: [email protected] | www.voestalpine.com/welding zertifiziert nach ISO 9001:2000
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