--- title: "Dimensione dei grani dell’acciaio e relativi effetti" description: "Scopri come ASTM E112 ed EBSD valutano la dimensione dei grani dell’acciaio e come l’affinamento, la fase, la morfologia e la lavorazione…" canonical: https://steelequivalents.com/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti language: it robots: index, follow og_type: article type: wiki-article language_alternates: en: https://steelequivalents.com/wiki/steel-families/steel-grain-size-and-its-effects.md cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/skupiny-ocelí/velikost-zrna-oceli-a-její-účinky.md de: https://steelequivalents.com/de/wiki/stahlgruppen/korngröße-von-stahl-und-ihre-auswirkungen.md es: https://steelequivalents.com/es/wiki/familias-de-aceros/tamaño-de-grano-del-acero-y-sus-efectos.md fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/familles-d-aciers/taille-des-grains-de-l-acier-et-ses-effets.md hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/acélcsaládok/az-acél-szemcsemérete-és-annak-hatásai.md it: https://steelequivalents.com/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti.md nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/staalgroepen/korrelgrootte-van-staal-en-de-effecten-ervan.md pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/grupy-stali/wielkość-ziarna-stali-i-jej-wpływ.md pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/famílias-de-aço/tamanho-de-grão-do-aço-e-os-seus-efeitos.md ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/группы-сталей/размер-зерна-в-стали-и-его-влияние.md tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/çelik-grupları/çelik-tane-boyutu-ve-etkileri.md zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/钢材分类/钢材晶粒尺寸及其影响.md ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/鋼種の分類/鋼の結晶粒径とその影響.md ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/مجموعات-الفولاذ/حجم-حبيبات-الفولاذ-وتأثيراته.md ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/강종-계열/강철의-결정립-크기와-그-영향.md pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/famílias-de-aços/tamanho-de-grão-do-aço-e-seus-efeitos.md hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/स्टील-समूह/स्टील-के-दाने-का-आकार-और-उसके-प्रभाव.md content_hash: sha256:92187379f13615eabe52b8becb0963f3334c30c6ac87546291c68f98c526876d generated: 2026-09-25 --- > **Machine-readable Markdown rendering.** This is a Markdown representation of a web page, > served for AI agents and crawlers as a token-efficient alternative to the full HTML. > Full interactive HTML version: https://steelequivalents.com/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti > Canonical URL: https://steelequivalents.com/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti > Available languages: en, cs, de, es, fr, hu, it, nl, pl, pt, ru, tr, zh, ja, ar, ko, pt-br, hi > Change detection: `content_hash` is the SHA-256 of this document's Markdown body — everything > below this block, whitespace-trimmed, excluding the front-matter. 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[Acciai a grana ultrafine e nanostrutturati: vantaggi e limiti](/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti#acciai-a-grana-ultrafine-e-nanostrutturati-vantaggi-e-limiti "Acciai a grana ultrafine e nanostrutturati: vantaggi e limiti") - [Dimensione dei grani nelle saldature e nelle zone termicamente alterate](/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti#dimensione-dei-grani-nelle-saldature-e-nelle-zone-termicamente-alterate "Dimensione dei grani nelle saldature e nelle zone termicamente alterate") - [La dimensione dei grani come indicatore di trattamento termico, processo e controllo qualità](/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti#la-dimensione-dei-grani-come-indicatore-di-trattamento-termico-processo-e-controllo-qualità "La dimensione dei grani come indicatore di trattamento termico, processo e controllo qualità") - [Interpretazioni comuni errate dei numeri ASTM della dimensione del grano](/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti#interpretazioni-comuni-errate-dei-numeri-astm-della-dimensione-del-grano "Interpretazioni comuni errate dei numeri ASTM della dimensione del grano") - [Un quadro pratico per interpretare la dimensione dei grani dell’acciaio](/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti#un-quadro-pratico-per-interpretare-la-dimensione-dei-grani-dell-acciaio "Un quadro pratico per interpretare la dimensione dei grani dell’acciaio") ## Che cosa indica la dimensione dei grani dell’acciaio ![Dimensione dei grani dell’acciaio e relativi effetti](/images/uploads/dad2093b-5cc2-42f0-84b8-6e6d30b79452/wiki-inline-a-steel-grain-boundary-diagram-showing-differently-oriented-crystal-lattices-dis-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/dad2093b-5cc2-42f0-84b8-6e6d30b79452/wiki-inline-a-steel-grain-boundary-diagram-showing-differently-oriented-crystal-lattices-dis-2027x2560.avif "Ingrandisci immagine — Dimensione dei grani dell’acciaio e relativi effetti")Grain boundaries interrupt slip because neighbouring crystals do not share the same orientation. ### Grani, bordi di grano e orientamento cristallografico Bordo di grano **Bordo di grano** La regione di transizione tra cristalli adiacenti con orientazioni differenti, nella quale disposizione atomica, composizione chimica, energia e resistenza al moto delle dislocazioni possono differire. Un grano dell’acciaio è una regione all’interno della quale il reticolo cristallino presenta un orientamento cristallografico comune. Gli atomi rimangono disposti secondo la struttura della fase — ferrite cubica a corpo centrato, austenite cubica a facce centrate o un’altra fase — ma l’orientamento del reticolo cambia da un grano all’altro. Un bordo di grano è l’interfaccia tra regioni con orientamenti differenti. Non è semplicemente una linea visibile; è una zona di transizione caratterizzata da una diversa disposizione atomica, energia, composizione chimica e resistenza al moto delle dislocazioni. Questa distinzione è importante perché la deformazione plastica è direzionale dal punto di vista cristallografico. Le dislocazioni si muovono più facilmente lungo determinati sistemi di scorrimento e i grani adiacenti generalmente non presentano tali sistemi nella stessa direzione. Un bordo interrompe quindi lo scorrimento, costringe le dislocazioni ad accumularsi o a cambiare direzione e può aumentare la tensione necessaria per un ulteriore snervamento. La relazione classica di Hall–Petch esprime approssimativamente questo contributo come σy=σ0+ky⁢d−1/2 dove σy è la tensione di snervamento, σ0 rappresenta gli altri contributi all’incrudimento, ky è una costante dipendente dal materiale e d è una dimensione caratteristica del grano. L’analisi dell’Università di Cambridge del 2005 descrive la stessa dipendenza utilizzando l’intercetta lineare media invece di un diametro stimato visivamente. La relazione è utile, ma non è una legge che renda ogni struttura a grani più fini indefinitamente più resistente. A dimensioni molto ridotte, l’immagazzinamento delle dislocazioni, la deformazione mediata dai bordi di grano, la segregazione dei soluti, la trasformazione di fase e la tessitura possono modificare o sostituire il meccanismo classico. Un materiale contenente grani di 1 micrometro non è descritto adeguatamente dicendo soltanto che è “a grana fine”. #### Quale unità strutturale viene misurata? Dimensione dei grani di ferrite La dimensione dei grani di ferrite, spesso rilevante per lo snervamento negli acciai ferritico-perlitici. Dimensione dei grani di austenite La dimensione dei grani presenti mentre l’acciaio si trova nella fase austenitica. Dimensione dei grani di austenite precedente La dimensione stimata dei grani di austenite ricostruita dopo la trasformazione. Dimensione dei pacchetti o dei blocchi Una scala della sottostruttura negli acciai martensitici o bainitici che può controllare la frattura più direttamente rispetto al grano di austenite precedente. Dimensione delle colonie perlitiche La dimensione delle colonie di ferrite–cementite, che può influenzare la frattura e la deformazione. La dimensione dei grani di ferrite è spesso il parametro utilizzato negli acciai ferritico-perlitici convenzionali, perché la ferrite sostiene gran parte della deformazione plastica e i suoi bordi influenzano fortemente lo snervamento. La dimensione dei grani di austenite si riferisce ai grani presenti quando l’acciaio si trova nella fase austenitica, generalmente a temperatura elevata. Se tali grani si trasformano durante il raffreddamento, potrebbero non essere più direttamente visibili. I metallografi ricostruiscono quindi o deducono la dimensione dei grani di austenite precedente a partire dalle caratteristiche lasciate dalla trasformazione. I bordi dei grani di austenite precedente possono influenzare la disposizione di bainite, martensite, ferrite e perlite, anche se l’austenite originaria è scomparsa. Si tratta di misure diverse. Il diametro dei grani di ferrite non può essere sostituito dal diametro dei grani di austenite precedente e nessuno dei due coincide necessariamente con la dimensione dell’unità che controlla la frattura. Nell’acciaio martensitico, per esempio, un grano di austenite precedente contiene pacchetti, blocchi e listelli con orientamenti differenti. L’unità efficace di clivaggio o di arresto della cricca può essere un blocco o un pacchetto, anziché l’intero grano di austenite precedente. Nella bainite, le dimensioni dei pacchetti e delle subunità possono governare la propagazione delle cricche. Nell’acciaio perlitico, la dimensione delle colonie ferrite–cementite e la spaziatura interlamellare possono essere importanti quanto la dimensione dei grani di ferrite. ### Dimensione media rispetto a distribuzione dimensionale e morfologia La “dimensione dei grani” è quindi una descrizione statistica di una struttura policristallina, non una singola caratteristica visibile. ASTM E112, *Standard Test Methods for Determining Average Grain Size*, fornisce procedure di confronto, planimetriche e dell’intercetta per determinare la dimensione media planare dei grani. Il metodo planimetrico conta i grani all’interno di un’area nota; il metodo dell’intercetta conta le intersezioni tra linee di prova e bordi di grano. Il numero ASTM relativo alla dimensione dei grani viene ricavato dal numero di grani per unità di area o dalle intercette dei bordi di grano. Una media nasconde la variabilità. Una sezione può contenere molti grani di 10 micrometri e una popolazione più ridotta di grani di 100 micrometri, riportando tuttavia una media apparentemente accettabile. Questi grani grossolani possono dominare l’innesco delle cricche, la concentrazione locale della deformazione o il comportamento al clivaggio. Una distribuzione, compresi la sua dispersione, la coda superiore e la posizione spaziale, può essere più informativa della media aritmetica. Anche la forma è importante. I grani equiassici hanno dimensioni simili nelle diverse direzioni e si formano comunemente dopo la ricristallizzazione o una ricottura significativa. I grani allungati si sviluppano quando la laminazione, la trafilatura, la forgiatura o un’altra deformazione allungano la struttura lungo una direzione di lavorazione. I grani colonnari crescono preferenzialmente lungo un gradiente termico, come nei getti e in alcuni metalli di saldatura. Le strutture [duplex](/it/materiali/numero-materiale/1.4460 " — composizione, corrispondenze e norme") contengono due popolazioni o morfologie distinte di grani, come ferrite grossolana e fine, e non possono essere rappresentate fedelmente da una sola media. Le strutture bandate contengono regioni alternate arricchite in determinate fasi o elementi di lega, spesso allineate con la direzione di laminazione. La “dimensione dei grani” misurata su una sezione trasversale può quindi differire notevolmente da quella misurata longitudinalmente. Questa dipendenza direzionale non è un dettaglio secondario della misurazione. Un grano allungato con una dimensione trasversale di 1 micrometro può essere diverse volte più lungo nella direzione di laminazione. In uno studio del 2018 pubblicato dalla Japan Society of Mechanical Engineers, l’acciaio a basso tenore di carbonio contenente grani ultrafini allungati presentava una dimensione trasversale dei grani di circa 1,0 micrometro nella condizione che offriva il miglior compromesso riportato tra resistenza, duttilità e tenacità. Definire semplicemente questa struttura come “acciaio con grani da 1 micrometro” omette la geometria che ha contribuito a determinarne il comportamento. La stessa cautela si applica alle strutture trasformate ultrafini. Uno studio del 2014 della Yonsei University ha esaminato una lega austenitica metastabile con dimensioni dei grani comprese tra 0,3 e 2 micrometri. Sono state riportate resistenze a trazione prossime a 900 MPa e allungamenti prossimi al 40% quando la trasformazione martensitica indotta dalla deformazione forniva un ulteriore incrudimento. Tale duttilità non derivava esclusivamente dall’affinamento dei grani. Dipendeva dalla stabilità della fase e dal meccanismo di trasformazione durante la deformazione. ### Perché un numero relativo alla dimensione dei grani non costituisce una descrizione microstrutturale completa #### Il contesto della misurazione è importante Non confrontare i numeri ASTM, i valori in micrometri, le misurazioni ottiche e le ricostruzioni EBSD come risultati intercambiabili, a meno che fase, piano di sezione, definizione del bordo, campionamento e procedura non coincidano. Un numero relativo alla dimensione dei grani fornisce poche informazioni se non vengono indicati la fase misurata, l’orientamento della sezione, il metodo di prova e la morfologia. I numeri ASTM relativi alla dimensione dei grani non devono essere considerati intercambiabili con i valori in micrometri senza queste informazioni. Due laboratori possono riportare lo stesso numero ASTM nominale esaminando fasi diverse, utilizzando direzioni differenti per le intercette o escludendo bordi che un laboratorio conta e l’altro no. ASTM E2627, pubblicato per le misure mediante diffrazione elettronica retrodiffusa, tratta la dimensione media dei grani, le distribuzioni della dimensione dei grani e le informazioni statistiche nei materiali policristallini completamente ricristallizzati. L’EBSD può inoltre evidenziare relazioni di orientamento, sottograni e tessitura che le immagini ottiche non rilevano, sebbene sia comunque necessario specificare i criteri di definizione dei bordi. Il numero inoltre non identifica la costituzione di fase dell’acciaio né la sua storia di lavorazione. Un acciaio ferritico-perlitico, un acciaio martensitico temprato e rinvenuto e un acciaio bainitico possono presentare intercette misurate simili, ma resistenza, tenacità e percorsi di frattura molto diversi. La deformazione a freddo può allungare i grani e creare energia immagazzinata senza produrre una struttura ricristallizzata affinata. Un trattamento di riscaldamento può ingrossare l’austenite prima della trasformazione, mentre una trasformazione successiva può produrre pacchetti o listelli fini che fanno apparire fine la struttura finale secondo un’altra misurazione. Negli acciai ferritico-perlitici, la resistenza allo snervamento e la temperatura di transizione variano approssimativamente con l’inverso della radice quadrata del diametro dei grani di ferrite. Strong evidence \[1\] \[1\] [**NIST Special Publication 596**](https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/SP/nbsspecialpublication596.pdf). National Institute of Standards and Technology. NIST Special Publication, 1996.Il comportamento di Hall–Petch è particolarmente utile come guida per la tensione di snervamento e il comportamento di transizione negli acciai ferritici comuni. La NIST Special Publication 596, pubblicata nel 1996, riferisce che la tensione di snervamento e la temperatura di transizione duttile-fragile negli acciai ferritico-perlitici variano approssimativamente con la radice quadrata inversa del diametro dei grani di ferrite. La resistenza a trazione è meno costantemente sensibile alla dimensione dei grani, mentre l’allungamento è relativamente insensibile. Anche l’European Structural Engineering Design Programme riferisce che la riduzione della dimensione dei grani aumenta la tensione di snervamento e abbassa sostanzialmente la temperatura di transizione duttile-fragile. Queste tendenze sostengono l’affinamento, ma non giustificano una classificazione delle microstrutture basata soltanto sulla dimensione dei grani. La frattura può seguire i bordi dei grani di ferrite, le colonie di perlite, i blocchi di martensite, le inclusioni, le bande di segregazione o i bordi dei grani di austenite precedente, a seconda della temperatura e del carico applicato. In un acciaio lo scorrimento può essere controllato dai grani di ferrite, mentre in un altro può essere controllato dai bordi dei listelli o dei pacchetti. La misurazione deve quindi rispondere a una domanda specifica: quale unità strutturale viene quantificata e quale meccanismo dovrebbe controllare la proprietà? \[2\] \[2\] [**Assessing the Quality of Received 4340 Steel for Production of NIST Charpy Reference Specimens**](https://www.nist.gov/publications/assessing-quality-received-4340-steel-production-nist-charpy-reference-specimens). National Institute of Standards and Technology. NIST assessment report, 2001. La valutazione del 2001 condotta dalla NIST sull’acciaio 4340 rende chiara la conseguenza pratica. I lotti accettabili utilizzati per i provini di riferimento Charpy presentavano dimensioni dei grani di circa 30–40 micrometri, mentre i lotti non accettabili presentavano dimensioni di circa 60–70 micrometri. La misurazione fungeva da indicatore per la valutazione della qualità, non da spiegazione completa in sé. La dimensione dei grani identificava una differenza significativa nella lavorazione, ma la sua rilevanza derivava dalla risposta associata in termini di tenacità e dalla storia del trattamento termico. Una descrizione affidabile della dimensione dei grani dell’acciaio deve fare lo stesso: riportare il parametro statistico e quindi identificare la fase, la morfologia, l’orientamento, la distribuzione e il meccanismo di frattura o deformazione sottostante. ![Dimensione dei grani dell’acciaio e relativi effetti](/images/uploads/3f517f1d-5969-482c-abfb-fc3034f489e2/wiki-inline-an-annotated-metallographic-measurement-field-showing-astm-e112-comparison-plani-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/3f517f1d-5969-482c-abfb-fc3034f489e2/wiki-inline-an-annotated-metallographic-measurement-field-showing-astm-e112-comparison-plani-1920x1094.avif "Ingrandisci immagine — Dimensione dei grani dell’acciaio e relativi effetti")ASTM E112 measures an average from a defined field, method, phase, and section. ## Come ASTM E112 misura la dimensione dei grani ASTM E112, *Metodi di prova normalizzati per la determinazione della dimensione media dei grani*, misura la dimensione media planare dei grani nei materiali metallici mediante tre approcci principali: confronto, conteggio planimetrico e misurazione delle intercette. La norma non assegna un singolo diametro fisico a ogni grano. Fornisce procedure per ottenere una media statistica da un’immagine metallografica preparata e per esprimere quindi il risultato come numero ASTM della dimensione del grano, lunghezza media dell’intercetta o altra forma ammessa. Questa distinzione è importante perché i grani reali non sono cerchi o cubi identici. Possono essere allungati dalla laminazione, appiattiti in prossimità di una superficie, deformati dalla forgiatura o mescolati con diverse fasi. Un grano di ferrite, un grano di austenite preesistente e un pacchetto di martensite sono caratteristiche strutturali differenti, anche quando in un’immagine i loro confini sembrano simili. Il rapporto deve pertanto specificare quale confine è stato misurato, quale fase è stata valutata, l’orientamento del provino, l’ingrandimento e la procedura ASTM E112 utilizzata. Una misurazione tracciabile della dimensione dei grani registra sia il risultato sia la base di campionamento. | Fattore di campionamento | Perché è importante | Resoconto | |---|---|---| | Piano di sezione | La forma dei grani e le intercette variano in funzione della direzione | Piano longitudinale, trasversale o attraverso lo spessore | | Selezione dei campi | Le regioni grossolane o fini possono alterare la media | Numero e posizioni dei campi | | Ingrandimento | Cambia l’area del provino rappresentata | Ingrandimento o dimensioni della scansione calibrate | | Definizione del bordo | Caratteristiche differenti possono essere conteggiate come grani | Fase e bordo qualificante | L’esame inizia con un campionamento rappresentativo. La sezione viene inglobata, rettificata, lucidata e attaccata chimicamente in modo che i confini da misurare siano visibili senza macchie eccessive, strappi, graffi o deformazioni. L’immagine deve contenere un numero sufficiente di grani per ottenere una media significativa e non deve essere selezionata unicamente perché mostra una regione insolitamente grossolana o fine. Per una lamiera laminata, ad esempio, le immagini vengono comunemente acquisite sui piani longitudinale, trasversale e attraverso lo spessore, poiché la forma dei grani può differire notevolmente tra questi piani. Se un acciaio trattato termicamente contiene ferrite e perlite, l’analista deve stabilire se la misurazione riguarda i grani di ferrite, i grani di austenite preesistente o un’altra popolazione definita. L’ingrandimento fa parte della misurazione e non costituisce una semplice scelta estetica dell’immagine. Un campo troppo piccolo fornisce statistiche scadenti; un ingrandimento troppo basso può nascondere i confini. I confini devono essere visibili all’ingrandimento selezionato e la prova dovrebbe comprendere diversi campi in cui la struttura sia rappresentativa. ASTM E112 richiede inoltre di prestare attenzione ai grani che intersecano il bordo dell’area di prova. In un conteggio planimetrico, i grani parziali vengono trattati secondo una regola prescritta per il bordo, anziché essere semplicemente ignorati. In un conteggio delle intercette, un’intersezione con un confine viene conteggiata secondo la procedura, mentre le estremità della linea di prova richiedono un trattamento coerente. ### Metodo del confronto e numero ASTM della dimensione del grano Il metodo del confronto affianca la micrografia di prova a tavole comparative ASTM standardizzate a un ingrandimento dichiarato. L’operatore seleziona il campo della tavola che più si avvicina al provino e assegna il corrispondente numero ASTM della dimensione del grano, convenzionalmente indicato con G. Il metodo del confronto è rapido e utile per i controlli di routine, ma costituisce una stima visiva. Diventa meno affidabile quando i grani sono fortemente allungati, quando l’immagine contiene dimensioni dei grani miste o quando il contrasto tra le fasi rende alcuni confini più evidenti di altri. Grani di riferimento per pollice quadrato a 100× La relazione ASTM convenzionale mostra perché numeri ASTM più elevati rappresentano strutture granulari statistiche più fini. Il numero ASTM della dimensione del grano è logaritmico. Non è un valore espresso in micrometri. Secondo la relazione convenzionale utilizzata da ASTM E112, il numero di grani per pollice quadrato a 100×, N, è correlato a G mediante: N=2G−1 Pertanto, l’aumento di G di un’unità raddoppia il numero di grani conteggiati nell’area di confronto specificata. Un numero ASTM più alto indica quindi una struttura granulare statisticamente più fine, mentre un numero più basso indica grani più grossolani. Il numero non significa che ogni grano abbia un diametro di G micrometri e non può essere convertito in un unico valore in micrometri senza specificare la convenzione di misurazione e assumere una morfologia particolare. Ad esempio, due acciai possono essere entrambi classificati come ASTM No. 8 mediante confronto, mentre la forma effettiva dei loro grani differisce perché uno presenta ferrite equiassica e l’altro grani allungati prodotti dalla laminazione. Le loro intercette lineari medie, l’anisotropia meccanica e i percorsi di frattura possono non essere uguali. Al contrario, un risultato ottenuto con il metodo delle intercette ed espresso in micrometri non dovrebbe essere rietichettato come numero ASTM, a meno che siano dichiarate la conversione applicabile e le relative ipotesi. Il metodo del confronto presenta anche una limitazione pratica: la corrispondenza con la tavola dipende dalla qualità dell’attacco chimico e dalla visibilità dei confini. Un costituente scuro in corrispondenza di un confine di grano può far apparire i grani più piccoli; confini poco visibili possono farli apparire più grandi. Quando il risultato incide sull’accettazione, sull’analisi dei cedimenti o su una decisione di processo, un metodo basato sul conteggio fornisce generalmente un risultato più tracciabile. ### Procedura planimetrica o di Jeffries #### Sequenza del conteggio planimetrico 1. **Definire il campo** Sovrapporre un cerchio di prova, un rettangolo o un’altra regione nota. 2. **Contare i grani interni** Registrare i grani completamente contenuti nell’area di prova. 3. **Applicare la regola dei bordi** Includere i grani intersecati dal bordo usando la correzione prescritta. 4. **Correggere per l’ingrandimento** Convertire l’area dell’immagine nell’area effettiva del provino rappresentata. 5. **Riportare il risultato** Indicare la fase, i campi, l’ingrandimento, la procedura e la popolazione granulare calcolata. La procedura planimetrica, spesso denominata metodo di Jeffries, consiste nel conteggio dei grani all’interno di un’area di prova nota. Sulla micrografia viene sovrapposta una circonferenza, un rettangolo o un’altra regione definita. L’analista conta i grani interamente contenuti nella regione e applica il trattamento prescritto ai grani intersecati dal bordo. Il risultato è un conteggio dei grani per unità di area, NA, dopo la correzione per l’ingrandimento del microscopio e per l’area fisica rappresentata dal campo di prova. Concettualmente, il calcolo è semplice: NA=numero di grani conteggiatiarea effettiva rappresentata L’area effettiva è l’area dell’immagine divisa per il quadrato dell’ingrandimento. Se l’immagine viene ingrandita da 100× a 200×, la stessa area stampata o visualizzata rappresenta un quarto dell’area di provino; pertanto, la correzione per l’ingrandimento non può essere omessa. I fattori di conteggio di Jeffries o le equazioni specificate da ASTM E112 forniscono un modo pratico per tenere conto dei grani interni e di bordo e convertire il conteggio nel numero ASTM della dimensione del grano. La correzione del bordo è importante. Un grano tagliato dal confine dell’area di prova è rappresentato solo parzialmente nella regione, ma omettere ogni grano parziale falserebbe il conteggio verso il basso, soprattutto quando l’area di prova è piccola. La procedura di Jeffries utilizza un peso definito o una regola di conteggio equivalente, in modo da includere il contributo atteso dei grani intersecati dal bordo. L’analista non dovrebbe adottare una correzione diversa da un campo all’altro. Il risultato planimetrico rappresenta un numero medio di grani per unità di area. Non misura direttamente il volume dei grani né fornisce una distribuzione completa delle dimensioni dei grani tridimensionali. Una sezione attraverso una struttura tridimensionale può intersecare grani grandi vicino ai loro bordi e grani piccoli vicino ai loro centri; pertanto, la popolazione planare misurata è un campione stereologico. Sono necessari diversi campi, in particolare quando la ricristallizzazione è incompleta o quando una crescita anomala dei grani ha prodotto una struttura mista. Il conteggio è più difendibile quando i confini sono continui e la fase misurata è chiaramente identificata. Se sono visibili colonie di perlite, pacchetti di martensite, film di carburi e confini dell’austenite preesistente, l’operatore deve definire quale rete costituisce un confine di grano. Riportare soltanto “ASTM No. 8” nasconde questa decisione. Un rapporto adeguato identifica ASTM E112, la procedura planimetrica o di Jeffries, la fase, l’ingrandimento, l’orientamento della sezione, il numero di campi e il risultato calcolato. ### Procedura delle intercette o di Heyn Intercetta lineare media **Intercetta lineare media** La lunghezza totale effettiva della linea di prova divisa per il numero di intersezioni qualificanti con i bordi dei grani. La procedura delle intercette, denominata anche metodo di Heyn, stima la dimensione dei grani a partire dalle lunghezze delle linee tracciate attraverso la microstruttura. La prova può utilizzare linee rette, una circonferenza o un’altra geometria definita. Ogni volta che una linea di prova attraversa un confine di grano qualificante, viene registrata un’intercetta. La lunghezza totale della linea di prova divisa per il numero di intercette conteggiate fornisce l’intercetta lineare media: l¯=LTP Qui, LT è la lunghezza effettiva totale della linea di prova all’interno del provino e P è il numero di intersezioni con i confini di grano, applicando le regole relative alle estremità e ai confini specificate da ASTM E112. Un numero maggiore di attraversamenti dei confini per unità di lunghezza corrisponde a un’intercetta media più piccola e, in generale, a una struttura più fine. Il metodo delle intercette converte quindi la spaziatura dei confini in una scala media di lunghezza planare. È spesso preferibile al confronto visivo quando i grani sono allungati, perché la direzione della linea può evidenziare l’anisotropia. Una linea longitudinale attraverso un acciaio laminato può produrre un’intercetta media diversa da quella di una linea trasversale. Per una struttura approssimativamente equiassica, la media di diverse direzioni fornisce un valore più rappresentativo. Per una struttura allungata, la direzione dovrebbe essere riportata anziché essere nascosta in un unico numero. Una linea di prova circolare può campionare diverse direzioni in un singolo campo, ma non elimina la necessità di un campionamento adeguato. L’analista dovrebbe utilizzare un numero sufficiente di linee e campi per ridurre la variazione casuale ed evitare di posizionare una linea preferenzialmente attraverso una regione insolitamente grossolana o fine. Quando una linea incontra un punto triplo, un confine tangente, un confine indistinto o un’inclusione, la regola di conteggio deve essere applicata in modo coerente. Un’immagine lucidata con confini interrotti o attaccati chimicamente in modo artefatto può produrre un numero dall’aspetto preciso che descrive l’artefatto di preparazione anziché l’acciaio. I numeri ASTM della dimensione del grano possono essere derivati dalle misurazioni delle intercette mediante le relazioni e le tabelle specificate da ASTM E112, ma la conversione non trasforma il numero in un diametro universale del grano. La lunghezza media dell’intercetta, il diametro equivalente del grano e G ASTM descrivono quantità statistiche correlate, non caratteristiche fisiche intercambiabili. Il rapporto dovrebbe conservare il risultato primario, ad esempio un’intercetta media pari a un determinato numero di micrometri, insieme al numero ASTM derivato e al metodo utilizzato. ASTM E112 è destinata alla determinazione della dimensione media planare dei grani. Di per sé, non descrive la distribuzione completa delle dimensioni dei grani, la tessitura cristallografica, la frazione di fase o la morfologia tridimensionale. Per i materiali policristallini completamente ricristallizzati esaminati mediante diffrazione degli elettroni retrodiffusi, ASTM E2627 tratta la dimensione media dei grani, le distribuzioni e le relative informazioni statistiche. Questa distinzione impedisce di considerare un confronto con un diagramma, un conteggio di Jeffries, una misurazione delle intercette e una mappa dei bordi ottenuta mediante EBSD come se producessero misurazioni identiche. ## EBSD, analisi delle immagini e caratterizzazione moderna della dimensione dei grani La misurazione della dimensione dei grani non consiste semplicemente nel contare le regioni scure presenti in una micrografia. Il valore riportato dipende da ciò che viene considerato un grano, dalla fase sottoposta a misurazione, dal modo in cui vengono evidenziati i bordi e dall’area campionata. La norma ASTM E112, revisionata da ASTM International nel 2024, riconosce i metodi del confronto, planimetrico e degli intercetti per determinare la dimensione media planare dei grani. Il numero ASTM della dimensione dei grani viene calcolato a partire dal numero di grani per unità di area o dagli intercetti dei bordi dei grani, e non viene assegnato direttamente sulla base di una conversione universale in micrometri. Pertanto, un valore come il numero ASTM della dimensione dei grani pari a 8 ha significato soltanto se vengono indicati il metodo, l’orientamento del provino, la fase e la morfologia. La microscopia ottica dopo attacco metallografico rimane utile perché è rapida, economica e consente di coprire un’area relativamente ampia. Essa mostra la struttura che il metallurgista ha effettivamente preparato per l’esame: ferrite, perlite, bainite, martensite, inclusioni, bande di deformazione e grani anomali possono tutti influire sul contrasto. Il limite è che una linea rivelata dall’attacco non è sempre un bordo di grano cristallografico. Alcuni bordi vengono attaccati debolmente, mentre il contrasto tra le fasi può creare linee che un programma di analisi delle immagini interpreta come bordi. Un attacco eccessivo può fondere grani adiacenti; un attacco insufficiente può suddividere un singolo grano in diverse regioni scure. L’analisi automatizzata delle immagini migliora la ripetibilità quando il contrasto è nitido. La sogliatura, la separazione mediante watershed, il rilevamento dei bordi e la correzione manuale possono trasformare un’immagine in aree dei grani, diametri equivalenti, rapporti d’aspetto e distribuzioni delle dimensioni. Tuttavia, il software misura la segmentazione che gli viene fornita. Se vengono segmentate le colonie di perlite anziché i grani di austenite preesistente, la “dimensione dei grani” risultante descrive le colonie. Se i grani allungati di ferrite vengono ridotti a cerchi equivalenti per area, il valore nasconde le dimensioni trasversale e longitudinale che determinano diversi percorsi di deformazione. I moderni metodi di caratterizzazione possono misurare oggetti strutturali differenti nello stesso acciaio. | Tecnica | Informazione primaria | Risultato tipico | |---|---|---| | Microscopia ottica con attacco metallografico | Contrasto visibile tra fasi e bordi | Dimensione media, morfologia, inclusioni, bande | | Analisi automatizzata delle immagini | Caratteristiche segmentate dell’immagine | Aree, diametri equivalenti, rapporti d’aspetto, distribuzioni | | EBSD | Orientazione cristallografica locale | Grani, bordi di disorientazione, tessitura, statistiche specifiche della fase | L’EBSD aggiunge informazioni cristallografiche. Nella diffrazione elettronica in retrodiffusione, un fascio elettronico focalizzato esegue la scansione di una superficie lucidata e registra i diagrammi di diffrazione, dai quali viene indicata l’orientazione cristallina locale. Il risultato è una mappa delle orientazioni, anziché un’immagine basata esclusivamente sull’attacco metallografico. I punti di misura adiacenti possono essere raggruppati in grani quando le loro orientazioni rientrano in una tolleranza di disorientazione selezionata. Dalla stessa mappa, l’analisi può produrre la dimensione media dei grani, le distribuzioni delle dimensioni, i rapporti d’aspetto, le distribuzioni delle orientazioni, le frazioni di lunghezza dei bordi e altre misure statistiche. ![Dimensione dei grani dell’acciaio e relativi effetti](/images/uploads/59378618-3597-4d78-a761-b40bc659cf64/wiki-inline-an-ebsd-orientation-map-of-steel-grains-with-colour-coded-crystal-orientations-h-1920x1434.jpg)[](/images/uploads/59378618-3597-4d78-a761-b40bc659cf64/wiki-inline-an-ebsd-orientation-map-of-steel-grains-with-colour-coded-crystal-orientations-h-1920x1434.avif "Ingrandisci immagine — Dimensione dei grani dell’acciaio e relativi effetti")EBSD separates grains by crystallographic orientation, but its result depends on boundary criteria and scan resolution. ### ASTM E2627 e mappatura delle orientazioni mediante EBSD La norma ASTM E2627-2017 riguarda la determinazione della dimensione media dei grani mediante EBSD in materiali policristallini completamente ricristallizzati. La pratica tratta anche le distribuzioni delle dimensioni dei grani e le informazioni statistiche. Questa precisazione è importante. Una struttura ricristallizzata contiene grani che possono essere separati attraverso variazioni di orientazione, mentre una struttura fortemente deformata può contenere sottograni, celle, bande di deformazione e una rotazione reticolare variabile in modo continuo. Applicare un’unica procedura di calcolo della dimensione dei grani a entrambe le strutture può produrre un confronto fuorviante. #### Non effettuare un campionamento insufficiente delle mappe EBSD Un passo di scansione troppo grande può non rilevare grani stretti e bordi sottili. Riportare il passo di scansione, l’area analizzata, la qualità dell’indicizzazione, le regole di pulizia, la tolleranza di ricostruzione e il numero di grani. Una mappa EBSD viene costruita a partire da pixel discreti o punti di misura. La distanza tra i punti è pertanto una variabile determinante. Una distanza troppo grande può non rilevare i grani sottili e non riuscire a risolvere le sottili regioni di bordo; una distanza troppo piccola aumenta il tempo di acquisizione e può coprire un’area troppo ridotta per ottenere una distribuzione rappresentativa. Uno studio pratico deve risolvere i grani più piccoli di interesse con diversi punti di misura lungo la loro larghezza e deve campionare un numero sufficiente di campi da includere grani grossolani, raggruppamenti e rare regioni anomale. In caso contrario, la media calcolata può essere precisa fino a diverse cifre decimali, ma risultare poco rappresentativa dell’acciaio. \[3\] \[3\] [**New ASTM Standard Covers Use of Electron Backscatter Diffraction to Measure Grain Size**](https://www.astm.org/news/press-releases/new-astm-standard-covers-use-electron-backscatter-diffraction-measure-grain-size). ASTM International. ASTM International standard announcement, 2017. La mappa richiede inoltre regole di pulizia. I pixel non indicizzati possono essere riempiti, rimossi o assegnati mediante le orientazioni dei punti adiacenti. Le piccole regioni isolate possono essere eliminate come rumore, ma questa operazione può rimuovere grani ultrafini reali. Le misurazioni secondo ASTM E2627 dovrebbero quindi riportare la distanza tra i punti, la qualità dell’indicizzazione, le procedure di pulizia, la tolleranza per la ricostruzione dei grani, l’area analizzata e il numero di grani. Senza questi dettagli, due risultati EBSD denominati “dimensione media dei grani” potrebbero non essere direttamente confrontabili. L’EBSD è particolarmente utile quando la morfologia dei grani rende inadeguato un singolo diametro. Una struttura di grani ultrafini allungati in un acciaio a basso tenore di carbonio, per esempio, può avere una dimensione trasversale dei grani prossima a 1,0 micrometri, pur estendendosi molto più lontano nella direzione di laminazione. Uno studio del 2018 ha riportato che questa dimensione trasversale di circa 1,0 micrometri forniva il miglior equilibrio tra resistenza, duttilità e tenacità nelle condizioni di processo esaminate. Riportare soltanto un diametro equivalente per area nasconderebbe la struttura direzionale. ### Disorientazione dei bordi e misurazioni specifiche per fase Un bordo di grano cristallografico viene identificato attraverso la differenza di orientazione tra punti adiacenti. La disorientazione del bordo comprende sia la differenza angolare sia, quando pertinente, l’asse di rotazione. Gli analisti classificano comunemente come bordi a basso angolo quelli inferiori a circa 15° e come bordi ad alto angolo quelli superiori a 15°, ma si tratta di convenzioni di analisi, non di leggi della natura. Uno studio può utilizzare una disorientazione minima di 2° per sopprimere il rumore di indicizzazione e definire quindi i grani ricostruiti mediante una soglia di 5°, 10° o 15°. La modifica di tale soglia cambia il numero dei grani e la dimensione media. I bordi a basso angolo separano spesso sottograni formatisi durante il recupero o la deformazione. I bordi ad alto angolo separano più comunemente grani ricristallizzati distinti e sono spesso i bordi considerati in una misurazione convenzionale della dimensione dei grani. Considerare ogni variazione di orientazione come un bordo di grano suddividerebbe un grano di ferrite recuperata in numerosi sottograni. Considerare come bordi soltanto le interfacce ad alto angolo riunirebbe invece tali sottograni in una regione parentale più ampia. Entrambi i calcoli possono essere coerenti al proprio interno pur descrivendo livelli strutturali differenti. La distinzione diventa più importante negli acciai trasformati. I pacchetti e i blocchi di martensite, così come i grani di austenite preesistente, hanno significati cristallografici e meccanici differenti. Una mappa EBSD può identificare i bordi dei pacchetti o dei blocchi in base alla loro disorientazione, mentre un’immagine ottica dopo attacco può mostrare una regione martensitica più ampia senza risolvere nessuna di queste caratteristiche. Nella bainite, nella ferrite priva di carburi o negli acciai bifasici, l’analista deve specificare se il risultato riguarda i grani di ferrite, l’austenite, i blocchi di martensite oppure tutte le regioni indicizzate raggruppate secondo un’unica tolleranza. L’identificazione delle fasi può essere combinata con la mappatura delle orientazioni, poiché i diagrammi EBSD contengono informazioni sulla simmetria cristallina e sulla struttura reticolare. Con un’indicizzazione adeguata, ferrite, austenite, cementite e altre fasi possono essere separate prima del calcolo delle statistiche dei grani. Ciò impedisce che un bordo di fase venga conteggiato come un normale bordo di grano e consente di ottenere risultati specifici per fase, come la dimensione dei grani di ferrite in un acciaio ferritico-perlitico. Le informazioni chimiche ottenute mediante spettroscopia a dispersione di energia possono supportare l’assegnazione delle fasi quando le strutture cristalline producono diagrammi simili o scarsamente distinguibili, sebbene l’identificazione delle fasi mediante EBSD dipenda ancora dalla qualità dei diagrammi, dalla preparazione della superficie e dalla banca dati delle fasi utilizzata. ### Quando la metallografia convenzionale e l’EBSD non concordano La discordanza tra un’immagine dopo attacco e una mappa EBSD non significa automaticamente che uno dei due metodi sia errato. I metodi possono misurare bordi differenti. L’analisi ottica può seguire le linee visibili rivelate dall’attacco, mentre l’EBSD segue una soglia di orientazione. Un bordo di fase può essere ben evidente otticamente, ma essere escluso da un calcolo EBSD relativo a una singola fase. Al contrario, l’EBSD può suddividere una regione visivamente uniforme in sottograni a basso angolo. Il campionamento può produrre una seconda discordanza. Un’immagine ottica può coprire diversi millimetri quadrati, mentre una scansione EBSD può coprire poche centinaia di micrometri quadrati. I grani grossolani, la bandeggiatura e la segregazione locale hanno quindi un effetto molto maggiore su un risultato rispetto all’altro. Lo stesso problema si verifica quando un metodo misura una sezione longitudinale e l’altro una sezione trasversale. Le misurazioni mediante intercetti secondo ASTM E112 e le ricostruzioni dei grani mediante EBSD non dovrebbero essere confrontate senza uniformare l’orientamento della sezione e la definizione del bordo. Anche la preparazione è importante. La lucidatura meccanica può lasciare uno strato superficiale deformato che indebolisce o distorce i diagrammi EBSD. Per ottenere un’indicizzazione affidabile può essere necessaria l’elettrolucidatura o una lucidatura finale attentamente controllata. L’attacco metallografico, al contrario, può rivelare bordi invisibili in un provino lucidato per EBSD, ma può anche accentuare il contrasto tra le fasi. L’analisi ottica automatizzata può riportare una dimensione inferiore perché conta le colonie visibili; l’EBSD può riportare una dimensione dei grani di ferrite maggiore perché i bordi delle colonie non presentano la disorientazione cristallografica selezionata. La risposta pratica consiste nel riportare sia il metodo sia l’oggetto misurato: per esempio, “dimensione dei grani di ferrite ad alto angolo mediante EBSD, utilizzando una soglia di ricostruzione di 15°”, oppure “dimensione dei grani mediante intercetti ottenuta da micrografie ottiche dopo attacco secondo ASTM E112”. Questa precisione è importante nella valutazione della qualità. In una valutazione del 2001, NIST ha riportato colate accettabili di acciaio 4340 con dimensioni dei grani di circa 30–40 micrometri e colate non accettabili prossime a 60–70 micrometri, ma tali valori sono significativi perché l’esame e il confronto erano definiti. La dimensione dei grani è un’evidenza della storia di processo, non un’etichetta autonoma. ## L’effetto Hall–Petch nell’acciaio L’effetto Hall–Petch descrive il comune aumento della resistenza dell’acciaio al diminuire della dimensione media dei grani. Nella sua forma classica, σy=σ0+ky⁢d−1/2 dove σy è la tensione di snervamento, σ0 rappresenta la tensione d’attrito necessaria per il moto delle dislocazioni nella matrice, ky è la pendenza di Hall–Petch e d è una dimensione caratteristica del grano. A seconda dello studio, d può essere il diametro medio planare del grano oppure l’intercetta lineare media misurata su una sezione lucidata. L’equazione non costituisce quindi una legge completa del materiale. È una relazione interpolata per un determinato acciaio, una specifica struttura delle fasi, una determinata morfologia dei grani, temperatura e metodo di prova. La distinzione è importante perché la “dimensione del grano” è una descrizione statistica, non una singola caratteristica visibile. ASTM E112:2024 specifica i metodi comparativo, planimetrico e delle intercette per determinare la dimensione planare media dei grani. Il numero ASTM della dimensione del grano è ricavato dal conteggio dei grani per unità di area o dalle intercette dei bordi di grano; non è un valore in micrometri trasferibile tra tutti i metodi di misura senza le dovute qualificazioni. Il diametro di un grano di ferrite, la dimensione dei grani di austenite ricostruita a partire dai prodotti di trasformazione e un’intercetta trasversale attraverso grani allungati non descrivono la stessa grandezza geometrica. ![Dimensione dei grani dell’acciaio e relativi effetti](/images/uploads/9197f766-8ea0-4a8c-adf1-4b5153e28e1e/wiki-inline-a-hall-petch-dislocation-pile-up-comparison-between-coarse-grained-and-fine-grai-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/9197f766-8ea0-4a8c-adf1-4b5153e28e1e/wiki-inline-a-hall-petch-dislocation-pile-up-comparison-between-coarse-grained-and-fine-grai-2027x2560.avif "Ingrandisci immagine — Dimensione dei grani dell’acciaio e relativi effetti")Finer grains shorten the distance available for dislocation pile-up and usually raise yield strength. ### I bordi di grano come ostacoli allo scorrimento delle dislocazioni La deformazione plastica nell’acciaio ferritico avviene principalmente mediante lo scorrimento delle dislocazioni sui sistemi di scorrimento cristallografici. Una dislocazione che si muove attraverso un grano incontra un bordo prima di poter proseguire nel grano successivo. Il grano adiacente presenta generalmente un orientamento cristallino diverso; pertanto, il piano e la direzione di scorrimento in arrivo non sono allineati con un sistema idoneo dall’altro lato. Il bordo può inoltre contenere segregazioni, precipitati, deformazione residua o una variazione nella costituzione delle fasi. Queste caratteristiche rendono più difficile la trasmissione. Un modello semplice utilizza l’accumulo di dislocazioni. Diverse dislocazioni percorrono lo stesso piano di scorrimento e si accumulano presso un bordo di grano. La concentrazione combinata delle loro tensioni agisce all’estremità dell’accumulo. Se la tensione locale diventa sufficientemente elevata, possono verificarsi la trasmissione delle dislocazioni nel grano adiacente, la nucleazione di una nuova dislocazione oppure una deformazione locale in prossimità del bordo. I grani più piccoli offrono una distanza minore per lo sviluppo di un accumulo. È quindi necessaria una tensione applicata maggiore per produrre una concentrazione sufficiente presso il bordo, dando origine all’andamento secondo l’inverso della radice quadrata. Questo modello è utile, ma non rappresenta l’unico meccanismo. Nei grani molto piccoli, un accumulo convenzionale può contenere soltanto poche dislocazioni, o nessuna. La plasticità può allora dipendere dall’emissione di dislocazioni dai bordi, dall’assorbimento delle dislocazioni, dalla rotazione dei grani, dallo scorrimento dei bordi o dalla geminazione di deformazione. Il bordo non è semplicemente una parete impenetrabile. La sua natura, la disorientazione cristallografica, l’inclinazione, la composizione chimica e lo stato di tensione locale influenzano la sua capacità di bloccare, trasmettere o generare portatori di deformazione plastica. Gli acciai ferritico-perlitici mostrano più chiaramente la risposta classica quando la dimensione dei grani di ferrite viene variata mantenendo sotto controllo il tenore di carbonio, la frazione di perlite, la precipitazione, la tessitura e le condizioni di processo. NIST Special Publication 596 (1996) ha riportato che la tensione di snervamento e la temperatura di transizione duttile-fragile in tali acciai variano approssimativamente con l’inverso della radice quadrata del diametro dei grani di ferrite. La resistenza a trazione è sensibile alla dimensione dei grani in modo meno costante, mentre l’allungamento è relativamente poco sensibile. Questa differenza deriva dal fatto che lo snervamento inizia con il moto locale delle dislocazioni, mentre la resistenza a trazione ultima e la deformazione a frattura dipendono anche dall’incrudimento, dalla morfologia della perlite, dalla strizione, dalle inclusioni, dallo sviluppo del danneggiamento e dall’intera disposizione delle fasi. \[4\] \[4\] [**Steel: Microstructure and Grain Refinement**](https://fgg-web.fgg.uni-lj.si/~/pmoze/ESDEP/master/wg02/l0100.htm). European Structural Engineering Design Programme. ESDEP lecture material, 2000. Il beneficio sulla frattura può essere sostanziale. I grani più piccoli di ferrite suddividono i percorsi di clivaggio e rendono più difficile la propagazione delle cricche di clivaggio. Il materiale dell’European Structural Engineering Design Programme pubblicato nel 2000 descrive l’affinamento dei grani come un processo che aumenta la tensione di snervamento abbassando al contempo in modo sostanziale la temperatura di transizione duttile-fragile. Questo risultato è particolarmente importante negli acciai ferritici esposti a basse temperature, dove un piccolo spostamento del comportamento di transizione può modificare il modo di rottura, passando dalla lacerazione duttile al clivaggio. ### La relazione secondo l’inverso della radice quadrata Il termine d−1/2 significa che la resistenza non aumenta in proporzione diretta all’affinamento. Se la dimensione rilevante dei grani viene ridotta da 16μ⁢m a 4μ⁢m, l’inverso della radice quadrata aumenta da 1/16=0.25 a 1/4=0.50, cioè di un fattore due. Il contributo della dimensione dei grani alla tensione di snervamento raddoppia quindi, ma la tensione di snervamento totale non raddoppia necessariamente, poiché σ0 e gli altri contributi al rafforzamento rimangono presenti. \[5\] \[5\] [**Hall–Petch relationship**](https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2005/Graz3/Graz3.html). University of Cambridge. Phase Transformations materials notes, 2005. L’analisi dell’University of Cambridge del 2005 esprime la relazione classica in termini di intercetta lineare media. Una forma comune è σy=σ0+ky⁢l¯−1/2 dove l¯ è la lunghezza media dell’intercetta. Alcuni studi utilizzano invece un diametro medio dei grani. Queste forme possono produrre pendenze numeriche diverse anche quando descrivono la stessa microstruttura, poiché la forma dei grani e la direzione di misura modificano la relazione tra diametro e intercetta. La pendenza ky non è una costante universale per l’acciaio. Varia con la composizione della ferrite, il tenore di carbonio e azoto, i soluti sostituzionali, la precipitazione, la densità di dislocazioni, la natura dei bordi di grano, la tessitura e la temperatura. Dipende inoltre dal fatto che la risposta misurata sia la tensione di snervamento inferiore, la tensione di snervamento superiore, la tensione di prova allo 0,2% o un altro punto definito della curva tensione–deformazione. Una prova di trazione, una prova di compressione e una misura della transizione Charpy non analizzano lo stesso processo locale di deformazione. Anche la costituzione delle fasi è altrettanto importante. In un acciaio ferritico-perlitico, la dimensione dei grani di ferrite può controllare l’inizio dello snervamento, mentre le colonie di perlite, la spaziatura delle lamelle e l’orientamento delle colonie influenzano l’incrudimento successivo e la frattura. Nelle strutture bainitiche, martensitiche, bifasiche o rinvenute, il “grano” visibile con un determinato reagente metallografico può essere un grano di austenite preesistente, un pacchetto, un blocco o una lunghezza efficace di scorrimento. Considerare ciascuno di questi elementi intercambiabile con il diametro dei grani di ferrite può attribuire una pendenza di Hall–Petch fuorviante alla scala strutturale sbagliata. La morfologia può rendere particolarmente inadeguato un singolo valore medio. I grani equiassici producono una disposizione degli ostacoli diversa da quella dei grani allungati. Un acciaio laminato può avere un’intercetta trasversale fine ma un’intercetta longitudinale molto maggiore, insieme a una forte tessitura di deformazione. Uno studio della Japan Society of Mechanical Engineers pubblicato nel 2018 ha rilevato che un acciaio a basso tenore di carbonio contenente grani ultrafini allungati presentava una dimensione trasversale dei grani di circa 1.0μ⁢m nel migliore equilibrio riportato tra resistenza, duttilità e tenacità. Questo risultato non può essere riprodotto specificando soltanto una “dimensione dei grani di 1 micrometro”; l’allungamento, la direzione, la struttura delle fasi e la storia di lavorazione fanno parte della descrizione. Le leghe a grani ultrafini mostrano inoltre perché la retta classica debba essere utilizzata con cautela. Uno studio del 2014 della Yonsei University su una lega austenitica metastabile con dimensioni dei grani comprese tra 0.3 e 2μ⁢m ha riportato resistenze a trazione prossime a 900MPa e allungamenti prossimi al 40⁢%, con la trasformazione martensitica indotta dalla deformazione che forniva un ulteriore incrudimento. La resistenza e la duttilità misurate derivavano dall’affinamento dei grani combinato con il comportamento di trasformazione, non dal solo termine relativo alla dimensione dei grani. ### Cosa può e non può prevedere la relazione Un grafico di Hall–Petch può essere utile quando i provini appartengono a una stessa famiglia microstrutturale controllata. Se la tensione di snervamento viene rappresentata in funzione di d−1/2 per acciai ferritici con composizione, frazione delle fasi, tessitura, trattamento termico e temperatura di prova comparabili, la pendenza e l’intercetta possono quantificare il contributo della dimensione dei grani. L’interpolazione può quindi supportare il controllo del processo o spiegare perché una colata raggiunga lo snervamento a una tensione diversa da un’altra. Da sola, non può prevedere la tenacità, la durata a fatica, il comportamento delle saldature o l’allungamento a trazione in acciai non correlati. Né può identificare quale scala microstrutturale controlli la frattura. Il clivaggio può rispondere alla dimensione dei grani di ferrite, mentre la rottura duttile può essere governata più fortemente dalle inclusioni e dalla spaziatura tra le particelle. Un acciaio trasformato può essere controllato dai pacchetti o dai blocchi anziché dai grani di austenite preesistente. A dimensioni molto piccole, la base teorica dell’accumulo di dislocazioni alla derivazione classica si indebolisce e l’andamento può appiattirsi, cambiare pendenza o invertirsi quando diventano importanti la deformazione mediata dai bordi e l’instabilità. La qualità della misura fa parte del problema previsionale. La valutazione NIST del 2001 sull’acciaio 4340 ha distinto colate accettabili con dimensioni dei grani di circa 30–40μ⁢m da colate non accettabili prossime a 60–70μ⁢m, mostrando come l’ispezione della dimensione dei grani possa rivelare differenze produttive. Tuttavia, tale confronto ha significato soltanto se sono specificati il metodo, la posizione, la fase e la morfologia. ASTM E2627:2017 aggiunge procedure di diffrazione degli elettroni retrodiffusi per determinare la dimensione media dei grani, le distribuzioni e le informazioni statistiche nei materiali policristallini completamente ricristallizzati. L’EBSD può distinguere i grani definiti dall’orientamento dalle regioni rese visibili mediante attacco metallografico, ma richiede comunque criteri di disorientazione e scelte di campionamento dichiarati. L’interpretazione difendibile è limitata ma potente: l’affinamento dei grani aumenta spesso la tensione di snervamento e migliora la resistenza alla frattura a bassa temperatura, soprattutto negli acciai ferritici. L’aumento numerico appartiene alla famiglia microstrutturale sottoposta a prova. Un coefficiente di Hall–Petch è un parametro misurato, non una costante progettuale trasferibile e applicabile indistintamente a ogni qualità di acciaio. ## Effetti della dimensione dei grani sulla tensione di snervamento e sulla durezza L’affinamento dei grani aumenta generalmente la tensione di snervamento perché i bordi dei grani ostacolano il moto delle dislocazioni. Una dislocazione che si muove attraverso un cristallo di ferrite deve trasmettersi in un cristallo adiacente con un orientamento diverso oppure accumularsi al bordo finché la tensione applicata non è sufficientemente elevata da consentire la prosecuzione dello scorrimento. Grani più piccoli creano un numero maggiore di bordi a parità di distanza, aumentando la tensione necessaria per ottenere un flusso plastico diffuso. La relazione classica di Hall–Petch esprime questo effetto come: σy=σ0+ky⁢d−1/2 dove σy è la tensione di snervamento, σ0 rappresenta gli altri contributi al rafforzamento, ky è la pendenza di Hall–Petch e d è una dimensione caratteristica del grano. L’analisi del 2005 dell’University of Cambridge descrive il contributo della dimensione dei grani in termini della radice quadrata inversa dell’intercetta lineare media. ASTM E112 non definisce la dimensione dei grani a partire da una singola caratteristica visibile: i suoi metodi comparativo, planimetrico e delle intercette ricavano una dimensione media planare dei grani mediante il conteggio dei grani o delle intercette dei bordi di grano. Il valore misurato dipende quindi dal metodo, dal piano di sezione, dalla fase analizzata e dalla morfologia dei grani. La durezza aumenta spesso con l’affinamento perché l’indentazione produce un flusso plastico, e le stesse barriere che aumentano la tensione di snervamento ne ostacolano il flusso sotto l’indentatore. Questa relazione è utile, ma non autorizza a considerare una misura di durezza come una misurazione diretta della dimensione dei grani. Un acciaio può diventare più duro a causa del carbonio in soluzione solida, della martensite, della bainite, dell’affinamento della perlite, della precipitazione di carburi, dell’austenite trattenuta, delle dislocazioni generate dalla deformazione a freddo o di una variazione della frazione di fase. La dimensione dei grani può essere cambiata contemporaneamente, ma l’aumento della durezza non può essere automaticamente attribuito a essa. ### Acciai ferritici e a basso tenore di carbonio La tendenza di Hall–Petch è più evidente negli acciai ferritici e a basso tenore di carbonio quando la costituzione delle fasi rimane sostanzialmente comparabile. Nella ferrite, il basso contenuto di carbonio e le aggiunte di lega fanno sì che lo scorrimento delle dislocazioni rimanga un importante meccanismo di deformazione; perciò i bordi dei grani di ferrite esercitano un’influenza evidente sull’inizio dello snervamento. L’affinamento della ferrite da grani grossolani a grani fini aumenta comunemente la tensione di snervamento e riduce al contempo la temperatura di transizione duttile-fragile. L’European Structural Engineering Design Programme ha riportato entrambi gli effetti negli acciai strutturali, sebbene l’entità di ciascuna variazione dipenda dalla composizione, dal contenuto di inclusioni, dalla tessitura e dalla storia di lavorazione. La NIST Special Publication 596 (1996) evidenzia un’importante distinzione per gli acciai ferritico-perlitici. La tensione di snervamento e la temperatura di transizione variano approssimativamente con la radice quadrata inversa del diametro dei grani di ferrite, mentre la resistenza a trazione è meno sensibile alla dimensione dei grani di ferrite e l’allungamento è relativamente insensibile. Questo risultato mette in discussione l’ipotesi comune secondo cui ogni misura della resistenza dovrebbe rispondere allo stesso modo all’affinamento. Lo snervamento inizia quando un volume sufficiente della microstruttura è in grado di sostenere un flusso plastico; i bordi dei grani influenzano fortemente tale soglia. La resistenza a trazione ultima viene raggiunta più tardi, dopo che la moltiplicazione delle dislocazioni, l’incrudimento, gli effetti associati alla strizione e talvolta una trasformazione locale di fase hanno modificato lo stato di deformazione. In un acciaio ferritico a basso tenore di carbonio, un numero di grano ASTM più basso non implica necessariamente un aumento proporzionale della durezza. Il numero di grano ASTM e il diametro in micrometri sono correlati soltanto attraverso la convenzione di conteggio dichiarata e una morfologia approssimativamente equiassica. Una struttura ferrite-perlite a bande, una ferrite allungata o una popolazione mista di grani possono produrre intercette medie simili, ma percorsi di scorrimento e risposte all’indentazione differenti. Anche la densità dei bordi di grano nella direzione del carico può differire dalla densità osservata su una sezione trasversale lucidata. La distinzione è importante nella valutazione della qualità. In uno studio del 2001 sulle colate di produzione di acciaio 4340, la NIST ha associato le colate accettabili per i provini di riferimento Charpy a dimensioni dei grani di circa 30–40 micrometri, mentre le colate non accettabili presentavano dimensioni di circa 60–70 micrometri. Tale confronto non costituisce una regola universale sulla resistenza applicabile a ogni condizione dell’acciaio 4340; mostra come la dimensione dei grani possa rivelare una differenza di processo che influenza il comportamento alla frattura. Una sola prova di durezza potrebbe non evidenziare l’importanza della struttura più grossolana, poiché la durezza riflette anche il rinvenimento, la distribuzione del carbonio e la condizione martensitica. ### Acciai microlegati e interazioni con la precipitazione Nei gradi microlegati, l’affinamento dei grani agisce raramente da solo. Niobio, titanio e vanadio possono formare carbonitruri quali Nb(C,N), TiN e V(C,N). Queste particelle ancorano i bordi dei grani di austenite durante il riscaldamento e la laminazione, limitano la ricristallizzazione e possono favorire una struttura di ferrite fine dopo la trasformazione. Alcune particelle precipitano anche all’interno della ferrite, dove ostacolano le dislocazioni e apportano un rafforzamento per precipitazione. La tensione di snervamento misurata è quindi la somma di contributi interagenti, non un valore della dimensione dei grani con una piccola correzione. Un’espressione concettuale utile è: σy≈σ0+Δσsolution+Δσprecipitation+Δσdislocation+ky⁢d−1/2 I termini non sono perfettamente indipendenti. Un processo che produce una dimensione fine dei grani di austenite può anche aumentare la densità delle dislocazioni di trasformazione, modificare le frazioni delle fasi ferrite–perlite e cambiare i tempi di precipitazione. Un acciaio normalizzato a basso tenore di carbonio, un acciaio HSLA sottoposto a processo termomeccanico controllato e un acciaio 4340 bonificato possono avere dimensioni dei grani misurate simili, ma tensioni di snervamento e valori di durezza molto diversi, perché le loro strutture di fase e densità di difetti sono differenti. La precipitazione può inoltre indebolire una semplice interpretazione basata sulla dimensione dei grani. Le particelle grossolane di TiN possono ancorare efficacemente i bordi, ma agire come siti di innesco della frattura. I precipitati fini di Nb(C,N) possono aumentare fortemente la resistenza lasciando pressoché invariata la dimensione dei grani di ferrite. La precipitazione del vanadio durante o dopo la trasformazione può produrre un ulteriore aumento della durezza che non costituisce una prova di un ulteriore affinamento. Al contrario, il sovrainvecchiamento ingrossa i precipitati e riduce il loro effetto di ostacolo alle dislocazioni, anche quando la struttura dei grani rimane stabile. ASTM E2627 (2017) tratta la misurazione della dimensione media dei grani mediante diffrazione degli elettroni retrodiffusi in materiali policristallini completamente ricristallizzati, comprese le distribuzioni delle dimensioni dei grani e le informazioni statistiche. L’EBSD può distinguere le popolazioni in modo più efficace rispetto a un singolo valore ottenuto con il metodo delle intercette ottiche, ma richiede comunque criteri difendibili per gli angoli dei bordi e l’identificazione delle fasi. In un acciaio trasformato o fortemente deformato, “grano”, sottograno, pacchetto, blocco e grano di austenite precedente non sono unità strutturali intercambiabili. ### Perché la resistenza a trazione non segue la dimensione dei grani nello stesso modo L’affinamento dei grani non influenza ogni proprietà meccanica nello stesso modo. | Proprietà | Sensibilità tipica alla dimensione dei grani negli acciai ferritico-perlitici | Altri fattori di controllo | |---|---|---| | Resistenza allo snervamento | Sensibilità approssimativamente proporzionale all’inverso della radice quadrata | Rafforzamento da soluti, precipitati e dislocazioni | | Temperatura di transizione | Sensibilità approssimativamente proporzionale all’inverso della radice quadrata | Inclusioni, tessitura, intaglio e costituzione delle fasi | | Resistenza a trazione | Sensibilità meno uniforme | Incrudimento, disposizione delle fasi e strizione | | Allungamento | Sensibilità relativamente bassa | Incrudimento da deformazione, danneggiamento, geometria e trasformazione | La tensione di snervamento misura la tensione alla quale inizia la deformazione plastica; la resistenza a trazione ultima misura la massima tensione ingegneristica durante una prova di trazione. I bordi dei grani influenzano fortemente il primo fenomeno, ma la resistenza a trazione dipende anche dall’incrudimento successivo allo snervamento. L’accumulo delle dislocazioni, le atmosfere di soluto, i precipitati, la formazione di martensite, la morfologia della perlite, la sottostruttura bainitica, la frazione di fase e la tessitura cristallografica possono dominare la parte successiva della prova. Per questo motivo, la NIST ha riscontrato che negli acciai ferritico-perlitici la resistenza a trazione è meno sensibile alla dimensione dei grani rispetto alla tensione di snervamento. L’affinamento può aumentare considerevolmente la tensione di snervamento, determinando però una variazione più contenuta o non uniforme della resistenza a trazione ultima. La differenza può essere particolarmente elevata quando i grani fini riducono la capacità disponibile di incrudimento, oppure quando un prodotto trasformato fornisce proprie barriere efficaci al moto delle dislocazioni. Gli acciai ultrafini e metastabili mostrano perché non si debba estendere alcuna singola tendenza senza verificare il meccanismo. La Yonsei University ha riportato resistenze a trazione prossime a 900 MPa e allungamenti prossimi al 40% in una lega austenitica metastabile con dimensioni dei grani comprese tra 0,3 e 2 micrometri; la trasformazione della martensite indotta dalla deformazione ha fornito un ulteriore incrudimento. Il risultato non è stato prodotto dai soli bordi dei grani. Uno studio del 2018 della Japan Society of Mechanical Engineers su un acciaio a basso tenore di carbonio con grani ultrafini allungati ha riportato una dimensione trasversale dei grani di circa 1,0 micrometri, insieme a un equilibrio favorevole tra resistenza, duttilità e tenacità, ma la morfologia allungata e il percorso di processo costituivano parti essenziali di quel risultato. Anche il rafforzamento di Hall–Petch presenta dei limiti. A dimensioni molto ridotte, la plasticità mediata dai bordi, la rotazione dei grani, l’esaurimento delle dislocazioni e la deformazione non uniforme possono far deviare dai risultati sperimentali la relazione classica basata sulla radice quadrata inversa. Per i comuni acciai strutturali ferritici, tuttavia, la conclusione pratica è semplice: l’affinamento aumenta generalmente la tensione di snervamento e spesso anche la durezza, mentre la resistenza a trazione deve essere interpretata considerando la microstruttura completa, non soltanto la dimensione dei grani. ![Dimensione dei grani dell’acciaio e relativi effetti](/images/uploads/bffccd45-761e-4875-b5b0-fb232c3c4d84/wiki-inline-a-steel-cleavage-fracture-surface-showing-faceted-crack-paths-deflected-across-f-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/bffccd45-761e-4875-b5b0-fb232c3c4d84/wiki-inline-a-steel-cleavage-fracture-surface-showing-faceted-crack-paths-deflected-across-f-1920x1288.avif "Ingrandisci immagine — Dimensione dei grani dell’acciaio e relativi effetti")Fine grains can interrupt cleavage and make a crack path more tortuous. ## Dimensione dei grani, tenacità e transizione duttile-fragile ### Frattura per clivaggio e percorsi effettivi delle cricche La frattura per clivaggio è una modalità di cedimento rapida e a bassa plasticità. Nell’acciaio ferritico, una cricca può avanzare attraverso un grano quando la tensione locale di trazione è sufficiente a separare gli atomi lungo un piano cristallografico favorevole, comunemente appartenente alla famiglia {100} nella ferrite cubica a corpo centrato. La cricca non percorre un canale microscopico perfettamente rettilineo. Cambia direzione ai bordi dei grani, può ramificarsi in diversi percorsi e può arrestarsi quando il grano successivo ha un orientamento sfavorevole o richiede una tensione locale più elevata per il clivaggio. L’affinamento dei grani rende questo processo più difficile in due modi correlati. Innanzitutto, una cricca che attraversa un grano di ferrite più piccolo incontra più frequentemente i bordi di grano. La sua distanza di clivaggio ininterrotta è più breve, per cui la concentrazione di tensione all’apice della cricca viene ridistribuita ripetutamente. In secondo luogo, la cricca deve attraversare un numero maggiore di cambiamenti di orientazione cristallografica su una determinata distanza macroscopica. Il percorso effettivo della cricca è quindi più tortuoso rispetto al percorso attraverso ferrite a grana grossolana, e aumenta l’energia assorbita dalla deviazione della cricca, dalla ramificazione e dalla plasticità locale. Ciò non equivale ad affermare che ogni bordo costituisca una barriera assoluta. Una sequenza favorevole di grani orientati in modo simile può ancora sostenere il clivaggio, mentre un bordo ad alto angolo, una seconda fase dura o una concentrazione locale di tensione possono modificare il risultato. Anche la forma dei grani è importante. La ferrite equiassica, la ferrite allungata, i pacchetti bainitici, i listelli di martensite e le strutture miste ferrite–perlite non presentano la stessa geometria del percorso della cricca, anche quando il diametro medio dei grani appare simile. Una “dimensione del grano” misurata ha quindi significato solo se considerata insieme alla fase misurata, al piano di misura e alla morfologia. L’effetto è particolarmente importante negli acciai ferritici perché la loro resistenza al clivaggio dipende fortemente dalla temperatura. A bassa temperatura, il moto delle dislocazioni diventa più difficile e la zona plastica all’apice di un intaglio si riduce. Il clivaggio può allora iniziare prima che una deformazione plastica sufficiente renda meno acuta la cricca. Grani di ferrite più piccoli aumentano la tensione necessaria per l’innesco del clivaggio e ne interrompono la propagazione, spostando la frattura verso un processo duttile a maggiore assorbimento di energia. Questa è la base metallurgica della ben nota osservazione secondo cui l’affinamento dei grani può migliorare la tenacità, anziché limitarsi ad aumentare la resistenza. ### Temperatura di transizione e comportamento Charpy La transizione duttile-fragile non è una singola temperatura di trasformazione netta in un acciaio ordinario. È un intervallo di temperatura nel quale l’energia d’impatto della prova Charpy con intaglio a V passa da un plateau a bassa energia, dominato dal clivaggio, a un plateau duttile a energia più elevata. La temperatura di transizione riportata dipende dal criterio scelto: un’energia assorbita prefissata, una percentuale dell’aspetto di frattura oppure il punto intermedio tra il comportamento dei plateau superiore e inferiore possono fornire valori diversi. Per gli acciai ferritico-perlitici, il contributo della dimensione dei grani sia alla resistenza allo snervamento sia alla temperatura di transizione è spesso rappresentato da una relazione con l’inverso della radice quadrata del diametro dei grani di ferrite. La rassegna NIST Special Publication 596 del 1996 afferma che la resistenza allo snervamento e la temperatura di transizione variano comunemente in modo approssimativo con l’inverso della radice quadrata della dimensione dei grani di ferrite, mentre la resistenza a trazione è sensibile alla dimensione dei grani in modo meno costante e l’allungamento è relativamente insensibile. L’affinamento della ferrite tende quindi ad aumentare la tensione necessaria per lo snervamento plastico, riducendo al contempo la temperatura alla quale il clivaggio diventa dominante. L’aumento della resistenza segue il quadro di Hall–Petch, con il termine relativo alla dimensione dei grani comunemente espresso come proporzionale all’inverso della radice quadrata dell’intercetta lineare media. Il comportamento Charpy, tuttavia, non costituisce una prova diretta della dimensione dei grani. La condizione dell’intaglio è determinante. Un intaglio a V affilato aumenta la tensione triassiale locale e limita la quantità di plasticità disponibile prima della frattura; un intaglio danneggiato, smusso o lavorato in modo errato può modificare l’energia assorbita misurata. Sono importanti anche la temperatura di prova, l’allineamento del battente, le dimensioni del provino e le condizioni di appoggio. ASTM E23 disciplina le prove d’impatto sui materiali metallici, ma la conformità al metodo di prova non elimina le variabili metallurgiche presenti nel provino. L’orientazione può modificare sostanzialmente il risultato. Nelle lamiere laminate, le inclusioni, i grani allungati, la perlite bandeggiata e le regioni segregate possono allinearsi con la direzione di laminazione. Un provino sollecitato attraverso lo spessore può quindi incontrare una popolazione di interfacce e difetti diversa da quella incontrata da un provino caricato longitudinalmente o trasversalmente. La cricca può propagarsi lungo filamenti di inclusioni o bande di segregazione, producendo un’energia inferiore a quella attesa sulla base di una misurazione media della dimensione dei grani in direzione longitudinale. Le inclusioni costituiscono siti di nucleazione per i vuoti e possono inoltre intensificare le tensioni locali davanti a un fronte di clivaggio. Le inclusioni di solfuro di manganese contenenti zolfo sono un esempio ben noto, soprattutto quando vengono allungate durante la laminazione. Le distribuzioni di carbonio, manganese, fosforo e altri soluti influenzano la resistenza della ferrite, la temprabilità e il comportamento di transizione; la segregazione in linea centrale può creare equilibri di fase locali diversi da quelli della matrice circostante. La dimensione delle colonie di perlite, la morfologia dei carburi, la bainite, la martensite, l’austenite trattenuta e le zone termicamente alterate dalla saldatura possono modificare tutte le curve Charpy indipendentemente dalla dimensione nominale dei grani di ferrite. L’equilibrio tra le fasi è quindi fondamentale. Una matrice fine di ferrite contenente un costituente fragile continuo non è equivalente a un acciaio ferrite–perlite uniformemente affinato. Un acciaio 4340 bonificato, per esempio, è governato dalla morfologia della martensite rinvenuta, dalla dimensione dei grani di austenite precedente, dalla distribuzione dei carburi e dalle condizioni del trattamento termico, piuttosto che da un semplice diametro della ferrite. Una struttura grossolana di austenite precedente può sostenere lunghi percorsi effettivi di frattura attraverso pacchetti o regioni con orientazione cristallografica correlata, anche quando la microstruttura finale appare finemente suddivisa. La valutazione NIST del 2001 sull’acciaio 4340 di produzione utilizzato per i provini di riferimento Charpy mostra perché la dimensione dei grani sia utile come indicatore per la valutazione della qualità, ma non costituisca una spiegazione completa. Le colate giudicate accettabili per il materiale di riferimento presentavano dimensioni dei grani di circa 30–40 micrometri, mentre quelle non accettabili presentavano valori di circa 60–70 micrometri. Questa separazione è metallurgicamente significativa: le colate a grana più grossolana avevano una microstruttura più favorevole al clivaggio e una minore idoneità all’impatto. Tuttavia, lo studio non ha stabilito che la dimensione dei grani fosse l’unica causa della differenza. La composizione chimica, la pulizia metallurgica, la segregazione, la storia di austenitizzazione, il rinvenimento e altre caratteristiche microstrutturali possono variare insieme alle differenze tra una colata e l’altra. La misurazione stessa può rendere meno evidenti queste distinzioni. ASTM E112, revisionata nel 2024, specifica i metodi del confronto, planimetrico e dell’intercetta per la determinazione della dimensione media dei grani planari; il numero ASTM della dimensione dei grani deriva dal conteggio dei grani per unità di area o dalle intercette dei bordi di grano. Un numero ASTM della dimensione dei grani non dovrebbe essere convertito disinvoltamente in un valore in micrometri senza indicare il metodo e le ipotesi adottate. ASTM E2627, pubblicata nel 2017, tratta la misurazione mediante diffrazione degli elettroni retrodiffusi in materiali policristallini completamente ricristallizzati e può fornire la dimensione media, le distribuzioni e informazioni statistiche. L’EBSD può distinguere le fasi e rivelare relazioni di orientazione che un’immagine ottica di una superficie lucidata non può mostrare, ma richiede comunque criteri sensati per la disorientazione dei bordi e un campionamento rappresentativo. ### Perché l’affinamento può migliorare contemporaneamente resistenza e tenacità Risposta tipica all’affinamento L’articolo descrive benefici marcati per la resistenza allo snervamento e il comportamento di transizione, ma effetti meno uniformi sulla resistenza a trazione e sull’allungamento. Resistenza e tenacità vengono spesso presentate come proprietà in competizione, perché molti metodi di rafforzamento aumentano le barriere al moto delle dislocazioni, riducendo al contempo la plasticità disponibile all’apice di una cricca. L’affinamento dei grani è insolito: può aumentare la resistenza allo snervamento e migliorare contemporaneamente la resistenza al clivaggio. Ogni bordo ostacola lo scorrimento delle dislocazioni, producendo l’aumento della resistenza allo snervamento previsto da Hall–Petch; la stessa popolazione di bordi interrompe una cricca di clivaggio. I due effetti operano attraverso meccanismi locali diversi, ma traggono vantaggio dalla stessa riduzione della lunghezza caratteristica. Il beneficio ha dei limiti. Il comportamento di Hall–Petch è un’approssimazione, non una legge valida a ogni scala o in ogni fase. A dimensioni molto ridotte, l’accumulo delle dislocazioni, la deformazione mediata dai bordi, la tessitura, la segregazione e la stabilità delle fasi possono modificare la pendenza o invalidare una correlazione convenzionale con la dimensione dei grani. Negli acciai multifase, la lunghezza di controllo può essere quella di un pacchetto di martensite, di un blocco bainitico, di una colonia di perlite, di un listello o della spaziatura delle inclusioni, anziché il diametro dei grani di ferrite. Un affinamento eccessivo può inoltre introdurre un’elevata area dei bordi, tensioni residue o fasi instabili se il ciclo di lavorazione non è adeguatamente controllato. Alcuni risultati relativi ai grani ultrafini mostrano perché la dimensione dei grani debba essere interpretata in relazione al meccanismo di deformazione. Uno studio della Yonsei University del 2014 su una lega austenitica metastabile con dimensioni dei grani comprese tra 0,3 e 2 micrometri ha riportato resistenze a trazione prossime a 900 MPa e allungamenti prossimi al 40%. La trasformazione della martensite indotta dalla deformazione ha fornito un incrudimento aggiuntivo, per cui la duttilità non era dovuta al solo affinamento. Analogamente, uno studio del 2018 della Japan Society of Mechanical Engineers su un acciaio a basso tenore di carbonio con grani ultrafini allungati ha riportato il miglior equilibrio tra resistenza, duttilità e tenacità per una dimensione trasversale dei grani di circa 1,0 micrometro. La morfologia allungata e la direzione di carico facevano parte integrante di quel risultato. Per gli acciai ferritici convenzionali, l’obiettivo pratico non è ottenere il grano più piccolo misurabile. È invece necessario controllare la distribuzione della ferrite, della perlite o di altri costituenti, mantenendo basso il contenuto di inclusioni nocive, limitata la segregazione, adeguata la tessitura e assicurando un percorso della cricca che richieda un notevole lavoro plastico. L’affinamento riduce generalmente la temperatura di transizione, ma la curva Charpy misurata registra l’intera storia di lavorazione. La dimensione dei grani è uno dei suoi indizi più importanti, non l’intera diagnosi. ## Effetti sulla duttilità, sull’allungamento uniforme e sulla deformazione a frattura ### Perché l’allungamento convenzionale può essere relativamente insensibile L’affinamento del grano aumenta la resistenza allo snervamento in modo più affidabile di quanto aumenti la duttilità a trazione. Questa distinzione è fondamentale per interpretare i dati di trazione. La relazione classica di Hall–Petch attribuisce alla dimensione del grano un contributo alla resistenza che varia approssimativamente con l’inverso della radice quadrata dell’intercetta lineare media: al diminuire della dimensione dei grani di ferrite, i bordi di grano forniscono un numero maggiore di barriere al movimento delle dislocazioni. La resistenza allo snervamento tende quindi ad aumentare. L’allungamento non segue la stessa legge semplice. Il National Institute of Standards and Technology ha evidenziato questa distinzione nella *NIST Special Publication 596* (1996), descrivendo acciai ferritico-perlitici nei quali la resistenza allo snervamento e la temperatura di transizione duttile-fragile variano approssimativamente con l’inverso della radice quadrata del diametro dei grani di ferrite, mentre la resistenza a trazione è meno sensibile e l’allungamento è relativamente insensibile alla dimensione dei grani di ferrite. Questa osservazione si applica allo specifico contesto ferritico-perlitico esaminato, non a ogni microstruttura d’acciaio né a ogni definizione di duttilità. Essa respinge tuttavia l’ipotesi comune secondo cui un numero ASTM di dimensione del grano più basso — o un diametro dei grani misurato più piccolo — debba necessariamente produrre una perdita o un aumento proporzionale dell’allungamento percentuale. Quando si parla di “duttilità”, vengono spesso mescolate diverse grandezze. L’allungamento uniforme è la deformazione plastica accumulata prima dell’inizio della strizione diffusa. L’allungamento totale comprende la strizione localizzata e dipende quindi dalla lunghezza di riferimento, dalla sezione trasversale, dalle condizioni superficiali, dal metodo di estensimetria e dal processo finale di frattura. La deformazione a frattura è una misura locale della deformazione plastica al cedimento ed è fortemente influenzata dalla triassialità delle tensioni nella strizione. Queste grandezze possono reagire in modo diverso allo stesso trattamento di affinamento. La dimensione dei grani è importante indirettamente perché modifica la tensione necessaria per l’attivazione dello scorrimento e può alterare la sequenza della deformazione plastica; tuttavia, il risultato della prova di trazione dipende anche dall’incrudimento, dalla nucleazione dei vuoti, dalla crescita del danno, dalla trasformazione di fase, dalla tessitura cristallografica, dal contenuto di inclusioni e dalla geometria del provino. Nell’acciaio ferritico-perlitico, per esempio, la dimensione delle colonie di perlite, la spaziatura delle lamelle, il contrasto di resistenza ferrite–perlite e la distribuzione delle inclusioni possono controllare il danno prima che lo faccia la dimensione media dei grani di ferrite. Una matrice di ferrite affinata può aumentare la resistenza allo snervamento senza modificare in modo sostanziale la deformazione disponibile prima della strizione, se la sua risposta all’incrudimento cambia poco. Anche la misurazione introduce un’ulteriore limitazione. La norma ASTM E112 (2024) ammette procedure di confronto, planimetriche e d’intercetta per determinare la dimensione planare media dei grani; il numero ASTM di dimensione del grano viene calcolato a partire dal conteggio dei grani per unità di area o dalle intercette dei bordi di grano. Tali metodi descrivono una popolazione statistica, non una singola caratteristica visibile. Un valore misurato su ferrite equiassica non può essere considerato intercambiabile con un valore misurato su bainite allungata, austenite trasformata o una struttura a fasi miste. Se non vengono specificati la fase misurata, l’orientamento della sezione e il metodo, un’apparente relazione tra dimensione dei grani e allungamento può essere un artefatto dovuto a misurazioni incompatibili. La stessa cautela si applica alla valutazione della qualità. In una valutazione del NIST del 2001 sull’acciaio 4340 utilizzato per provini di riferimento Charpy, i lotti accettabili presentavano dimensioni dei grani di circa 30–40 micrometri, mentre quelli non accettabili presentavano dimensioni di circa 60–70 micrometri. Questo confronto mostra che i grani grossolani possono segnalare una storia di processo indesiderabile e possono compromettere le prestazioni all’urto, soprattutto attraverso il comportamento della temperatura di transizione. Non dimostra che l’allungamento percentuale cambi in proporzione diretta al diametro dei grani misurato. ### Incrudimento e compatibilità della deformazione L’allungamento uniforme è regolato principalmente dalla capacità del materiale di continuare a incrudire all’aumentare della deformazione plastica. Nella forma più semplice, la strizione diffusa inizia quando il tasso di aumento della tensione di flusso rispetto alla deformazione plastica non è più in grado di compensare l’aumento della tensione vera causato dalla riduzione dell’area della sezione. Una dimensione dei grani più fine aumenta la tensione di flusso iniziale, ma l’allungamento uniforme dipende dalla curva di incrudimento successiva. La resistenza allo snervamento e la capacità di deformazione sono correlate, ma non identiche. Per questo motivo è importante la compatibilità della deformazione tra grani e fasi. I grani adiacenti presentano orientamenti e tensioni tangenziali risolte differenti, perciò la deformazione plastica non si distribuisce in modo perfettamente uniforme. I bordi di grano limitano il trasferimento dello scorrimento e generano concentrazioni locali di tensione. L’affinamento riduce la distanza sulla quale può accumularsi una deformazione incompatibile, il che può ridurre alcune concentrazioni locali di deformazione. Tuttavia, il risultato dipende dalla tessitura, dalla natura dei bordi di grano, dalle seconde fasi e dalla distribuzione delle regioni più dure e più tenere. Un grano di ferrite circondato da perlite non si deforma nello stesso modo di un grano di ferrite in una lega quasi monofasica. Il danno costituisce un secondo percorso verso la frattura. Le inclusioni, gli aggregati di carburi, le colonie di perlite e le interfacce tra le fasi possono nucleare vuoti microscopici. La deformazione plastica amplia quindi tali vuoti e li collega, con una velocità controllata dalla triassialità locale delle tensioni e dal campo di deformazione circostante. I grani più fini possono ostacolare alcuni processi di crescita delle cricche o dei vuoti, ma non eliminano i siti di nucleazione. Un acciaio con grani di ferrite fini e una popolazione di inclusioni sfavorevole può quindi presentare una deformazione a frattura inferiore rispetto a un acciaio più grossolano ma più pulito. Anche la tessitura modifica il risultato. Il processo può produrre grani allungati e orientamenti cristallografici preferenziali; di conseguenza, la risposta nelle direzioni di laminazione, trasversale e dello spessore può differire anche quando la dimensione media dei grani riportata è la stessa. Lo studio della Japan Society of Mechanical Engineers (2018) su un acciaio a basso tenore di carbonio con grani ultrafini allungati ha riportato una dimensione trasversale dei grani di circa 1,0 micrometro per il miglior equilibrio tra resistenza, duttilità e tenacità nell’ambito di quell’indagine. La variabile importante non era semplicemente un numero ridotto espresso in micrometri; la morfologia, la direzionalità e la storia di processo associata facevano parte della microstruttura. La deformazione a frattura è particolarmente sensibile alla geometria del provino. Barre di trazione lisce, provini intagliati e configurazioni in deformazione piana impongono livelli diversi di triassialità. Un provino liscio può accumulare una deformazione plastica considerevole nella strizione prima della coalescenza dei vuoti, mentre un intaglio può accelerare il danno a un allungamento globale molto inferiore. L’affinamento dei grani può migliorare la resistenza alla clivatura e abbassare la temperatura di transizione duttile-fragile, come riportato dall’European Structural Engineering Design Programme nel 2000, producendo al contempo solo una variazione modesta dell’allungamento di una barra liscia. La tenacità e l’allungamento a trazione non devono essere considerati intercambiabili. ### L’eccezione dei grani ultrafini \[6\] \[6\] [**Effect of grain size on the uniform ductility of a bulk ultrafine-grained metastable austenitic alloy**](https://yonsei.elsevierpure.com/en/publications/effect-of-grain-size-on-the-uniform-ductility-of-a-bulk-ultrafine/). Yonsei University researchers. Yonsei University research publication, 2014. Gli acciai austenitici metastabili a grani ultrafini mostrano perché l’osservazione convenzionale sugli acciai ferritico-perlitici non può essere generalizzata. Uno studio della Yonsei University pubblicato nel 2014 ha esaminato una lega austenitica metastabile con dimensioni dei grani comprese tra 0,3 e 2 micrometri. Lo studio ha riportato resistenze a trazione prossime a 900 MPa insieme ad allungamenti prossimi al 40%, quando la trasformazione martensitica indotta dalla deformazione aumentava l’incrudimento. Questi valori non sono spiegabili dalla sola legge di Hall–Petch. Durante la deformazione, l’austenite si trasforma progressivamente in martensite. La trasformazione aumenta la tensione di flusso con l’aumentare della deformazione e può sostenere un elevato tasso di incrudimento durante una parte della prova di trazione. Ciò ritarda la strizione diffusa, consentendo un allungamento uniforme considerevole nonostante l’elevata resistenza allo snervamento e a trazione associata alla struttura affinata. La martensite di nuova formazione modifica inoltre il contrasto locale tra le fasi e il modo in cui la deformazione viene ripartita; di conseguenza, la deformazione finale a frattura dipende dalla cinetica della trasformazione, dalla stabilità dell’austenite, dalla tessitura e dall’evoluzione del danno, oltre che dalla dimensione dei grani. L’affinamento dei grani può modificare tale comportamento di trasformazione. I grani di austenite più piccoli possono essere più stabili nei confronti della trasformazione, poiché i bordi di grano influenzano la nucleazione e le forze motrici meccaniche; la risposta esatta dipende dalla composizione e dalla storia termica. Di conseguenza, due provini con dimensioni medie dei grani simili possono presentare allungamenti uniformi diversi se differiscono la stabilità dell’austenite trattenuta o la frazione di fase. La conclusione è specifica: i grani ultrafini possono associarsi a elevata resistenza ed elevata duttilità quando un meccanismo di trasformazione fornisce un incrudimento aggiuntivo. In assenza di tale meccanismo, la semplice riduzione della dimensione dei grani può aumentare la resistenza allo snervamento lasciando pressoché invariato l’allungamento uniforme o persino riducendolo. La norma ASTM E2627 (2017) riguarda la misurazione mediante diffrazione degli elettroni retrodiffusi della dimensione media dei grani, delle distribuzioni e delle informazioni statistiche nei materiali policristallini completamente ricristallizzati; tuttavia, una distribuzione della dimensione dei grani, da sola, non può identificare se a controllare la frattura siano la plasticità indotta dalla trasformazione, la ripartizione dello scorrimento o la crescita dei vuoti. L’interpretazione meccanica deve seguire la morfologia e la costituzione delle fasi misurate, non precederle. ## Come la lavorazione dell’acciaio modifica la dimensione dei grani La struttura granulare dell’acciaio evolve dalla solidificazione attraverso deformazione, ricristallizzazione, riscaldamento e trasformazione di fase. La dimensione dei grani dell’acciaio non è fissata al momento della colata. Essa cambia quando l’acciaio liquido solidifica, quando il solido viene deformato e quando le fasi si trasformano durante il riscaldamento e il raffreddamento. Il “grano” osservato in una micrografia può riferirsi all’austenite, alla ferrite, ai pacchetti di bainite, ai pacchetti di martensite o alle regioni cristallografiche identificate mediante diffrazione degli elettroni retrodiffusi (EBSD). Si tratta di misurazioni non intercambiabili. La norma ASTM E112, revisionata nel 2024, definisce i procedimenti di confronto, planimetrico e degli intercetti per misurare la dimensione media planare dei grani. Il numero di dimensione del grano ASTM viene calcolato a partire dal numero di grani per unità di area o dagli intercetti dei bordi di grano, e non viene assegnato sulla base di un singolo cristallo visibile. La forma dei grani è importante quanto la loro dimensione media: grani allungati, strutture duplex, bande e popolazioni miste di grani possono fornire lo stesso valore medio pur producendo risposte meccaniche diverse. ### Solidificazione e formazione dei grani colonnari Durante la colata, l’acciaio passa dallo stato liquido a quello solido attraverso la nucleazione e la crescita. I primi piccoli cristalli solidi si formano quando il liquido raggiunge un sottoraffreddamento sufficiente oppure quando inclusioni e superfici della lingottiera forniscono siti per la nucleazione eterogenea. Ogni nucleo possiede un orientamento cristallografico. Una volta formato, cresce incorporando atomi di ferro e di lega dal liquido all’interfaccia solido–liquido. Il gradiente di temperatura controlla la morfologia risultante. In corrispondenza della parete della lingottiera, una rapida estrazione di calore produce una zona di chill a grana fine. Più all’interno, i grani il cui orientamento di crescita è favorevolmente allineato con il flusso di calore avanzano più rapidamente dei grani concorrenti. Questi grani diventano lunghi e stretti grani colonnari che si estendono verso il centro di un lingotto, di una bramma o di un prodotto colato in continuo. In prossimità del centro, dove i gradienti termici si indeboliscono e il liquido può essere sottoraffreddato, possono formarsi invece grani equiassici. La colata finale può quindi contenere uno strato di chill, una zona colonnare e una zona equiassica centrale. I grani colonnari non vengono necessariamente conservati. Il riscaldamento, la forgiatura e la laminazione possono interromperne la continuità, introdurre dislocazioni e generare nuovi grani. Tuttavia, una deformazione insufficiente può lasciare residui della struttura di colata, mentre il riscaldamento può causare la crescita dei grani di austenite precedente attorno a tali residui. La storia della solidificazione rimane visibile nella tessitura, nella segregazione e nell’allineamento delle inclusioni molto tempo dopo la scomparsa del liquido originario. ### Lavorazione a caldo, ricristallizzazione e crescita dei grani La laminazione e la forgiatura modificano la dimensione dei grani attraverso la deformazione e la temperatura. La deformazione plastica allunga i grani esistenti, aumenta la densità delle dislocazioni e accumula energia di deformazione. A una temperatura adeguata, questa energia immagazzinata determina la ricristallizzazione: nuovi grani, relativamente privi di deformazione, nucleano e crescono all’interno della struttura deformata. La nucleazione inizia spesso sui precedenti bordi di grano, nelle bande di taglio o nelle regioni con densità di dislocazioni insolitamente elevata. La crescita avviene quando il bordo di un nuovo grano migra verso il materiale caratterizzato da una maggiore energia immagazzinata. Una deformazione maggiore fornisce generalmente più siti di nucleazione, per cui la struttura ricristallizzata può diventare più fine. Una deformazione ridotta, una deformazione non uniforme o una temperatura di finitura non appropriata possono produrre una ricristallizzazione incompleta e una miscela di grani grossolani e fini. La ricristallizzazione dinamica avviene durante la deformazione, quando il recupero e la formazione di nuovi grani procedono alla temperatura di lavorazione. La ricristallizzazione statica avviene dopo la rimozione del carico, mentre l’acciaio rimane caldo. La laminazione controllata sfrutta queste differenze. La deformazione nella regione di non ricristallizzazione dell’austenite appiattisce e suddivide i grani di austenite, aumentando i siti di nucleazione della ferrite durante il raffreddamento. Negli [acciai microlegati](/it/categorie/acciai-microlegati "acciai microlegati"), i composti di niobio, titanio o vanadio limitano il movimento dei bordi dell’austenite e ritardano la ricristallizzazione. Le particelle di nitruro di titanio (TiN), carbonitruro di niobio (Nb(C,N)) e carbonitruro di vanadio (V(C,N)) possono bloccare i bordi esercitando una forza di trascinamento. Le particelle fini e ben disperse bloccano i bordi in modo più efficace rispetto alle particelle grossolane. Il blocco esercitato dalle particelle ha dei limiti. Le particelle possono dissolversi ad alta temperatura, eliminando il vincolo proprio quando la crescita dei grani è più rapida. Anche le particelle ingrossate forniscono un effetto di blocco minore per unità di volume. Se l’acciaio caldo viene mantenuto troppo a lungo o a una temperatura troppo elevata, la migrazione dei bordi riduce l’area totale dei bordi e i grani ingrossano. Il risultato può essere una struttura austenitica grossolana, anche quando il precedente ciclo di laminazione aveva prodotto un notevole affinamento. La relazione di Hall–Petch spiega perché l’affinamento aumenta spesso il carico di snervamento: il contributo della dimensione dei grani è approssimativamente proporzionale all’inverso della radice quadrata dell’intercetto lineare medio, come descritto dall’University of Cambridge nel 2005. I bordi ostacolano il movimento delle dislocazioni. Questa relazione non costituisce una regola illimitata. A dimensioni ultrafini, la deformazione mediata dai bordi, la tessitura, la segregazione dei soluti, il recupero e la trasformazione di fase possono modificare la pendenza o rendere non valida una semplice estrapolazione. In una lega austenitica metastabile studiata dalla Yonsei University nel 2014, grani di 0,3–2 micrometri erano associati a resistenze a trazione prossime a 900 MPa e ad allungamenti prossimi al 40%, in parte perché la martensite indotta dalla deformazione forniva un ulteriore incrudimento. La sola dimensione dei grani non produceva questa combinazione. Anche la struttura finale può essere anisotropa. Uno studio del 2018 ha riportato una dimensione trasversale dei grani di circa 1,0 micrometro in un acciaio a basso tenore di carbonio con grani ultrafini allungati e ha rilevato un equilibrio favorevole tra resistenza, duttilità e tenacità nelle condizioni di lavorazione specificate. Un intercetto misurato attraverso grani allungati non equivale a un intercetto misurato lungo di essi. ### Normalizzazione, austenitizzazione, tempra e rinvenimento Il trattamento termico modifica la dimensione dei grani controllando la stabilità delle fasi, la mobilità dei bordi e la cinetica delle trasformazioni. La normalizzazione riscalda l’acciaio al di sopra della temperatura critica, in modo da trasformarlo in austenite, e lo raffredda poi in aria calma. L’austenite si forma con una dimensione determinata dalla precedente struttura di deformazione, dai siti di nucleazione, dalla velocità di riscaldamento, dalla temperatura massima e dal tempo di mantenimento. Durante il raffreddamento, la ferrite e la perlite nucleano sui bordi dell’austenite e al suo interno. La normalizzazione può quindi sostituire una struttura grossolana e irregolare allo stato colato con una struttura ferritico-perlitica più uniforme; tuttavia, una temperatura o un tempo di mantenimento eccessivi possono produrre grani grossolani di austenite precedente e prodotti di trasformazione grossolani. La temperatura di austenitizzazione è particolarmente importante. Un riscaldamento appena al di sopra dell’intervallo critico può produrre numerosi nuclei di austenite a partire dalle interfacce ferrite–perlite e dai carburi non disciolti. Un riscaldamento molto al di sopra di tale intervallo aumenta la mobilità dei bordi e dissolve una quantità maggiore di carburi, consentendo ai grani di crescere. Un tempo di mantenimento più lungo produce un effetto analogo. Un acciaio austenitizzato a 950 °C per un breve periodo e lo stesso acciaio mantenuto a 1.100 °C possono presentare dimensioni dei grani di austenite precedente nettamente diverse, anche se entrambi vengono successivamente temprati. La tempra sopprime la formazione diffusiva di ferrite e perlite e può produrre martensite. La martensite non riproduce semplicemente il grano di austenite precedente come un unico grano di grandi dimensioni. Si forma sotto forma di pacchetti, blocchi e listelli all’interno di ciascun grano di austenite precedente. Questi pacchetti presentano relazioni cristallografiche con l’austenite madre e contengono bordi dei listelli con diverse disorientazioni. Di conseguenza, un grano grossolano di austenite precedente può contenere una scala di listelli o pacchetti molto più fine, mentre un grano fine di austenite precedente limita generalmente la dimensione massima dei pacchetti. La frattura può rispondere più fortemente alla dimensione effettiva dei pacchetti o dei blocchi che al diametro originario dell’austenite. Velocità di raffreddamento intermedie possono produrre bainite, i cui fasci e pacchetti creano un’ulteriore scala strutturale. La trasformazione della ferrite crea un’altra scala ancora, determinata dalla nucleazione sui bordi dell’austenite, sulle inclusioni, sulle bande di deformazione e sui precipitati. Pertanto, “affinamento dei grani di austenite” non è sinonimo di “dimensione fine dei grani finali”: modifica i siti e le distanze disponibili durante la trasformazione, ma la velocità di raffreddamento e la composizione determinano ciò che si forma successivamente. Il rinvenimento riscalda la martensite temprata al di sotto della temperatura di trasformazione eutettoide. Il carbonio fuoriesce dalla martensite sovrasatura, i carburi precipitano e ingrossano, le tensioni si rilassano e i bordi dei listelli possono recuperare. Il rinvenimento modifica generalmente la durezza e la tenacità più di quanto modifichi la dimensione dei grani di austenite precedente. Tuttavia, a temperature di rinvenimento elevate o per tempi prolungati, l’ingrossamento dei carburi e il recupero della sottostruttura riducono il rafforzamento dovuto ai bordi. Nel 2001, il NIST ha riferito che i lotti accettabili di acciaio 4340 utilizzati per i provini di riferimento Charpy presentavano dimensioni dei grani di circa 30–40 micrometri, mentre i lotti non accettabili misuravano circa 60–70 micrometri. Questo confronto mostra perché i dati di lavorazione e la microscopia debbano essere considerati insieme. La norma ASTM E2627, pubblicata nel 2017, specifica la determinazione, basata su EBSD, della dimensione media dei grani, delle distribuzioni e delle informazioni statistiche nei materiali policristallini completamente ricristallizzati. Per l’acciaio trasformato, il rapporto deve specificare se sono stati misurati i grani di austenite precedente, i grani di ferrite, i pacchetti, i blocchi o i listelli, e quale metodo ha definito i bordi. Senza queste informazioni, un numero di dimensione del grano ASTM o un valore in micrometri può nascondere l’effettiva storia di lavorazione. ## Morfologia dei grani, direzionalità e anisotropia ### Grani equiassici rispetto ai grani allungati La dimensione dei grani non costituisce una descrizione completa della struttura dei grani. È un risultato statistico ottenuto a partire da una sezione, una fase e una procedura di misurazione specificate. ASTM E112:2024 consente i metodi del confronto, planimetrico e degli intercetti; il numero di dimensione dei grani ASTM deriva dal conteggio dei grani per unità di area o dagli intercetti dei bordi di grano. Tali metodi descrivono una scala planare media, ma non indicano di per sé se i grani siano approssimativamente equiassici, appiattiti, colonnari o allungati lungo una direzione di lavorazione. Questa distinzione è importante perché due acciai possono avere la stessa dimensione media nominale dei grani e rispondere in modo diverso sotto carico. In una struttura ferritica equiassica, una linea di prova tracciata in qualsiasi direzione incontra una distribuzione sostanzialmente simile delle spaziature tra i bordi. Una struttura allungata produce lunghezze degli intercetti diverse a seconda dell’orientamento della linea. Una linea parallela all’asse lungo può attraversare relativamente pochi bordi e registrare un intercetto medio elevato; una linea perpendicolare può attraversare molti grani e registrare un valore molto più basso. Riportare un’unica media può quindi nascondere questa differenza. La relazione di Hall–Petch viene spesso espressa come un contributo della dimensione dei grani alla resistenza, proporzionale a d−1/2, dove d è comunemente rappresentato dall’intercetto lineare medio. I bordi di grano ostacolano il movimento delle dislocazioni, perciò un intercetto effettivo più piccolo aumenta generalmente il carico di snervamento. La parola *effettivo* è importante. Anche la natura dei bordi, l’orientamento cristallografico, le seconde fasi, i precipitati e il meccanismo attivo di scorrimento o di frattura controllano la risposta. Il comportamento di Hall–Petch costituisce quindi una tendenza utile, non una legge costitutiva completa. Lo studio sull’acciaio a basso tenore di carbonio pubblicato dalla Japan Society of Mechanical Engineers nel 2018 illustra il problema della misurazione. La sua struttura a grani allungati ultrafini presentava una dimensione trasversale dei grani di circa 1,0 micrometri, e tale valore trasversale era associato all’equilibrio riportato tra resistenza, duttilità e tenacità. Il numero è significativo perché lo studio ha specificato la direzione nella quale era stato misurato. Definire la struttura semplicemente come avente una “dimensione dei grani di 1,0 micrometri” eliminerebbe informazioni sulla sua morfologia allungata. I grani ultrafini possono inoltre interagire con la trasformazione di fase, anziché limitarsi a ostacolare lo scorrimento. Nel 2014, ricercatori della Yonsei University hanno riportato resistenze a trazione prossime a 900 MPa e allungamenti prossimi al 40% in una lega austenitica metastabile con dimensioni dei grani comprese tra 0,3 e 2 micrometri. La trasformazione martensitica indotta dalla deformazione ha fornito un incrudimento aggiuntivo. Questo risultato non può essere trasferito direttamente a un acciaio ferritico-perlitico, nel quale una dimensione dei grani numericamente simile può produrre un equilibrio diverso tra resistenza, duttilità e tenacità. ### Direzione di laminazione, direzione trasversale ed effetti attraverso lo spessore L’orientazione della sezione è essenziale quando la morfologia dei grani è anisotropa. | Direzione | Significato | Implicazione per la misurazione | |---|---|---| | RD | Direzione principale di laminazione o di flusso del materiale | Può mostrare intercette lunghe attraverso grani allungati | | TD | Direzione trasversale alla lamiera nel suo piano | Spesso mostra intercette più corte attraverso grani allungati | | ND | Direzione attraverso lo spessore o direzione normale | Può rivelare gradienti dalla superficie al centro ed effetti di segregazione | Per una lamiera laminata, la direzione di laminazione (RD) segue il principale flusso del materiale, la direzione trasversale (TD) si estende trasversalmente alla lamiera nel suo piano e la direzione attraverso lo spessore (ND, o direzione normale) è perpendicolare al piano di laminazione. La riduzione a caldo e a freddo può appiattire i grani, allungare le inclusioni e le caratteristiche di segregazione e produrre una tessitura cristallografica. La ricristallizzazione, il recupero, la trasformazione di fase e i successivi trattamenti termici possono attenuare o preservare questi effetti. Una misurazione della dimensione dei grani dovrebbe quindi specificare sia la sezione sia l’orientamento della linea di prova. Gli intercetti misurati parallelamente e perpendicolarmente alla RD possono differire sostanzialmente in un prodotto laminato o forgiato. Le sezioni attraverso lo spessore possono mostrare un risultato diverso, perché la deformazione e il raffreddamento non sono uniformi dalla superficie al centro. Gli strati superficiali possono ricristallizzare in modo diverso rispetto alla regione a metà spessore, mentre la segregazione sulla linea centrale può modificare la costituzione delle fasi e i prodotti di trasformazione. La conseguenza meccanica è l’anisotropia. Il carico di snervamento, l’allungamento uniforme, il comportamento alla piegatura e l’energia d’impatto Charpy possono differire tra i provini RD, TD e ND. La frattura può seguire un percorso direzionalmente più agevole: i grani di ferrite allungati, le inclusioni allineate, le interfacce deboli o le colonie di perlite possono guidare la coalescenza dei microvuoti o la scissione. Una cricca che attraversa numerosi bordi ad alto angolo può essere deviata o smussata; una cricca che avanza lungo costituenti allineati può propagarsi con una deviazione minore. L’affinamento dei grani riduce generalmente la temperatura di transizione duttile-fragile, ma l’entità dell’effetto dipende dalla plasticità all’apice della cricca, dalla tessitura, dall’allineamento delle inclusioni e dalla fase che si frattura. La NIST Special Publication 596 (1996) ha riportato che, negli acciai ferritico-perlitici, il carico di snervamento e la temperatura di transizione variano approssimativamente con la radice quadrata inversa del diametro dei grani di ferrite. La resistenza a trazione è meno costantemente sensibile alla dimensione dei grani, mentre l’allungamento è relativamente insensibile. Per questo motivo, una dimensione dei grani misurata più piccola non garantisce un miglioramento proporzionale di ogni proprietà a trazione. Anche l’European Structural Engineering Design Programme ha descritto l’affinamento dei grani come un processo che aumenta il carico di snervamento e riduce sostanzialmente la temperatura di transizione, ma tali vantaggi dipendono comunque dalla direzione e dal meccanismo di frattura. La stessa cautela si applica ai numeri di dimensione dei grani ASTM. Un numero ASTM non può essere convertito in un valore in micrometri senza specificare se il valore deriva dal confronto, dal conteggio planimetrico o dalla misurazione degli intercetti, e senza identificare la fase e la sezione esaminate. Una media riportata per il materiale della superficie RD–TD non è automaticamente equivalente a un valore misurato su una sezione ND. ### Bandeggio, tessitura e variazione locale della dimensione dei grani Il bandeggio aggiunge una seconda fonte di variazione nascosta. Durante la solidificazione, elementi di lega come manganese e carbonio possono segregarsi. La laminazione e la trasformazione dispongono quindi le regioni con composizione diversa in bande, producendo spesso strati alternati ricchi di ferrite, perlite, bainite o martensite, paralleli alla direzione di laminazione. Ogni banda può contenere grani di dimensione apparentemente simile, ma differire per durezza, frazione di fase, contenuto di carbonio o resistenza dei bordi. Di conseguenza, un singolo campo visivo può fornire una media fuorviante. La tessitura produce un’altra forma di direzionalità. I grani possono non essere allungati, ma i loro orientamenti cristallografici possono essere allineati dalla laminazione, dalla trafilatura o dalla trasformazione. Lo scorrimento si attiva quindi più facilmente in alcune direzioni di carico rispetto ad altre. L’EBSD può separare le informazioni sulla forma dei grani da quelle sull’orientamento, identificare i bordi con disorientamento e mostrare se una struttura nominalmente fine contiene un orientamento preferenziale marcato. ASTM E2627:2017 riguarda la determinazione della dimensione media dei grani mediante EBSD in materiali policristallini completamente ricristallizzati, comprese le distribuzioni delle dimensioni dei grani e le informazioni statistiche; non rende irrilevante la tessitura né sostituisce l’esame di regioni parzialmente trasformate o fortemente deformate senza un’interpretazione adeguata. La variazione locale è spesso più importante della media dell’intero impianto. Una lamiera può contenere grani superficiali fini, grani centrali più grossolani e bande di segregazione in prossimità della linea centrale. Una barra può mostrare una zona esterna lavorata intorno a un nucleo meno deformato. Una saldatura contiene grani della zona fusa, una zona termicamente alterata a grano grosso, una zona termicamente alterata a grano fine e il metallo base non interessato, ciascuno con una storia termica diversa. Misurare soltanto la lamiera madre può far trascurare la regione in cui si origina una cricca. La valutazione NIST del 2001 sull’acciaio 4340 illustra perché il campionamento spaziale abbia valore ai fini della garanzia della qualità: le colate accettabili per i provini di riferimento Charpy mostravano dimensioni dei grani di circa 30–40 micrometri, mentre quelle non accettabili presentavano valori di circa 60–70 micrometri. Tali valori sono utili soltanto insieme al metodo e al contesto del materiale dichiarati. Un rapporto affidabile dovrebbe indicare la posizione, la fase, il piano di sezione, l’orientamento della linea rispetto a RD o TD, la distribuzione — non soltanto la media — e la presenza di bandeggio o tessitura. La morfologia dei grani fa parte della misurazione, non è un dettaglio ornamentale. ## Acciai a grana ultrafine e nanostrutturati: vantaggi e limiti ### Cosa cambia al di sotto dell’intervallo convenzionale delle dimensioni dei grani Una dimensione trasversale dei grani di circa 1,0 micrometri ha prodotto il miglior equilibrio riportato tra resistenza, duttilità e tenacità in quello studio. Preliminary evidence “Grana ultrafine” non corrisponde a una soglia micrometrica universale. La designazione dipende dallo studio, dalla fase misurata e dal metodo utilizzato per calcolare la dimensione dei grani. Nello studio della Yonsei University pubblicato nel 2014, l’acciaio austenitico metastabile massivo a grana ultrafine conteneva grani di dimensioni comprese tra 0,3 e 2 micrometri. Uno studio della Japan Society of Mechanical Engineers pubblicato nel 2018 ha esaminato un acciaio a basso tenore di carbonio con grani ultrafini allungati e ha riportato una dimensione trasversale dei grani di circa 1,0 micrometro. Si tratta di esempi tecnici utili, non di una definizione applicabile a ogni acciaio. “Nanostrutturato” descrive generalmente unità strutturali inferiori a 1 micrometro, spesso inferiori a 100 nanometri, ma l’unità misurata può essere un grano di ferrite, un pacchetto di martensite, un cristallite, un sottograno o una cella. Queste unità non sono intercambiabili. Un’immagine ottenuta mediante microscopia elettronica a trasmissione può mostrare cristalliti su scala nanometrica all’interno di un grano di austenite preesistente di dimensioni maggiori, mentre una mappa ottenuta mediante diffrazione di elettroni retrodiffusi (EBSD) può riportare una dimensione diversa dopo l’applicazione di un criterio di disorientamento dei bordi. Le affermazioni sulla dimensione dei grani prive di indicazioni sulla fase misurata, sulla definizione del bordo, sull’orientamento della sezione e sul metodo statistico possono quindi dare una falsa impressione di precisione. La norma ASTM E112, revisionata nel 2024, fornisce procedure comparative, planimetriche e d’intercetta per determinare la dimensione media planare dei grani. Il numero di dimensione dei grani ASTM è derivato dal conteggio dei grani per unità di area o dalle intercette dei bordi dei grani; non è un’etichetta diretta espressa in micrometri. La norma ASTM E2627, pubblicata nel 2017, riguarda la determinazione mediante EBSD della dimensione media dei grani nei materiali policristallini completamente ricristallizzati, comprese le distribuzioni delle dimensioni dei grani e le informazioni statistiche. L’EBSD è particolarmente utile quando un acciaio contiene grani allungati, bande di deformazione o diverse popolazioni distinguibili, sebbene il risultato dipenda comunque dalla dimensione del passo di scansione e dalle regole utilizzate per identificare un bordo. A dimensioni submicrometriche, la proporzione di atomi associati alle interfacce aumenta bruscamente. I bordi dei grani occupano una frazione maggiore del volume e la loro natura diventa importante: i bordi ad alto angolo possono ostacolare lo scorrimento, mentre quelli a basso angolo possono favorire il riassetto delle dislocazioni senza agire come barriere altrettanto forti. Atomi di soluto, carburi, ossidi, vacanze e impurità segregate possono accumularsi presso queste interfacce. La rete dei bordi può quindi rafforzare l’acciaio, facilitare la diffusione oppure diventare un percorso preferenziale per la criccatura e il recupero. Anche la morfologia dei grani è importante. Grani equiassici di un micrometro non si deformano come grani allungati di un micrometro allineati con la direzione di laminazione. ### Rafforzamento, incrudimento e stabilità La relazione classica di Hall–Petch esprime il contributo della dimensione dei grani alla resistenza come approssimativamente proporzionale all’inverso della radice quadrata dell’intercetta lineare media, come descritto dall’University of Cambridge nel 2005: σy=σ0+ky⁢d−1/2 Qui d è una dimensione misurata del grano, σ0 rappresenta le altre resistenze al flusso plastico e ky è un coefficiente dipendente dal materiale e dalle condizioni. I bordi interrompono il moto delle dislocazioni, perciò la riduzione della dimensione dei grani di ferrite aumenta comunemente il carico di snervamento. La pubblicazione speciale 596 del National Institute of Standards and Technology (NIST), emanata nel 1996, riporta che negli acciai ferritico-perlitici il carico di snervamento e la temperatura di transizione duttile-fragile variano approssimativamente con l’inverso della radice quadrata del diametro dei grani di ferrite. Anche l’European Structural Engineering Design Programme riferisce che l’affinamento aumenta il carico di snervamento e riduce in misura sostanziale la temperatura di transizione duttile-fragile. L’effetto sulla resistenza a trazione è meno uniforme, mentre l’allungamento è relativamente insensibile alla dimensione dei grani negli acciai ferritico-perlitici ordinari. Questa distinzione è importante. Un grano di ferrite più piccolo può aumentare la tensione necessaria per avviare il flusso plastico senza produrre un aumento corrispondente dell’allungamento uniforme. La spaziatura della perlite, la morfologia della cementite, la densità delle dislocazioni, la tessitura, le inclusioni e la presenza di bainite o martensite possono dominare la risposta a trazione. I grani ultrafini possono inoltre modificare il modo in cui la deformazione viene distribuita. In presenza di numerosi bordi ravvicinati, le dislocazioni percorrono distanze brevi e possono accumularsi in modo meno efficace rispetto ai grani grossolani. La plasticità può coinvolgere lo scorrimento ai bordi dei grani, la migrazione dei bordi, l’assorbimento delle dislocazioni, l’emissione di dislocazioni dalle interfacce e la rotazione di frammenti di grano. Questi processi possono consentire una deformazione aggiuntiva, ma possono anche ridurre il consueto immagazzinamento delle dislocazioni. Un minore immagazzinamento delle dislocazioni comporta un incrudimento più debole in alcuni acciai ferritici a grana ultrafine, causando una strizione precoce anche quando il carico di snervamento è elevato. La trasformazione dell’austenite metastabile può combinare grani ultrafini con una resistenza a trazione prossima a 900 MPa e un allungamento prossimo al 40%. Limited evidence Il risultato del 2014 della Yonsei University mostra perché la dimensione dei grani non può essere valutata separatamente dalla costituzione delle fasi. In una lega austenitica metastabile contenente grani di dimensioni comprese tra 0,3 e 2 micrometri, sono state riportate resistenze a trazione prossime a 900 MPa e allungamenti prossimi al 40%. Questa combinazione insolitamente favorevole è nata perché la deformazione ha indotto una trasformazione martensitica, aggiungendo incrudimento man mano che l’austenite si trasformava durante il carico di trazione. Il risultato è eccezionale perché il meccanismo di trasformazione ha fornito un incrudimento che una struttura ferritica stabile non avrebbe prodotto. Non dovrebbe essere utilizzato per prevedere il comportamento di un acciaio ferritico-perlitico convenzionale con la stessa dimensione nominale dei grani. La stabilità costituisce un ulteriore limite. Le strutture ultrafini contengono grandi quantità di energia immagazzinata e di area dei bordi, generando una forza motrice termodinamica per la crescita dei grani. Il riscaldamento può causare recupero, migrazione dei bordi, ricristallizzazione, ingrossamento dei carburi o trasformazione di fase. Il risultato può essere una rapida perdita della resistenza ottenuta mediante deformazione plastica severa, solidificazione rapida o trattamento termomeccanico. La segregazione dei soluti e i precipitati fini possono bloccare i bordi, ma le impurità possono anche renderli fragili. I cicli termici di saldatura sono particolarmente importanti: la zona termicamente alterata può subire crescita dei grani e trasformazioni di fase anche quando l’acciaio di base conserva la propria struttura ultrafine. Lo studio del 2018 della Japan Society of Mechanical Engineers ha rilevato che una dimensione trasversale dei grani di circa 1,0 micrometro forniva l’equilibrio riportato tra resistenza, duttilità e tenacità nel suo acciaio a basso tenore di carbonio con grani ultrafini allungati. Questo risultato rafforza un punto pratico: il valore misurato più basso non corrisponde automaticamente alla struttura più utile. L’orientamento, il rapporto d’aspetto, la tessitura, la distribuzione delle fasi e la concentrazione locale della deformazione contribuiscono tutti al risultato. ### Quando l’estrapolazione di Hall–Petch diventa rischiosa Il comportamento di Hall–Petch è una tendenza empirica valida in un determinato intervallo microstrutturale, non una legge che consenta un’estrapolazione illimitata verso dimensioni dei grani prossime allo zero. A dimensioni sufficientemente ridotte, le ipotesi alla base della relazione usuale diventano inaffidabili. Un grano può contenere un numero troppo esiguo di dislocazioni perché si formi un accumulo convenzionale, e il flusso plastico può invece procedere attraverso meccanismi mediati dalle interfacce. Lo scorrimento ai bordi dei grani, la rotazione, la diffusione, la migrazione dei bordi assistita dalla tensione e l’emissione di dislocazioni mediata dalle interfacce possono modificare o persino invertire la pendenza attesa. Il comportamento “Hall–Petch inverso” riportato in letteratura non è una proprietà universale dell’acciaio nanostrutturato; dipende dalla purezza, dalla natura dei bordi, dalla temperatura, dalla velocità di deformazione, dalla tessitura e dalla stabilità della struttura. Un secondo rischio consiste nel trattare una media statistica come se fosse la dimensione del difetto determinante. La frattura può iniziare nel grano più grande, in un allineamento di carburi, in un’inclusione non metallica, in un bordo debole o in un’interfaccia martensite–ferrite, anziché nel grano medio. Una matrice ultrafine può quindi coesistere con regioni locali grossolane che controllano la tenacità o la fatica. Lo stesso problema si presenta nella valutazione della qualità. Nel 2001 il NIST ha riferito che i lotti accettabili di acciaio 4340 utilizzati per i provini di riferimento Charpy avevano dimensioni dei grani di circa 30–40 micrometri, mentre i lotti non accettabili mostravano dimensioni di circa 60–70 micrometri. La misurazione ha contribuito a identificare la qualità del processo, ma non ha stabilito una dimensione universalmente accettabile per ogni prodotto in acciaio 4340 o per ogni condizione di frattura. Grani molto fini non garantiscono duttilità, tenacità, saldabilità o stabilità in esercizio superiori. Negli acciai ferritici possono ridurre la temperatura di transizione, ma la resistenza alla frattura per clivaggio può essere comunque limitata da inclusioni, segregazione, tessitura o reti di costituenti fragili. Possono aumentare il carico di snervamento riducendo al contempo la capacità di incrudimento. Possono migliorare un risultato di trazione in laboratorio, mentre si ingrossano durante la saldatura o l’esposizione in esercizio. Un confronto significativo richiede quindi la costituzione delle fasi, la morfologia dei grani, la norma di misurazione, la storia termica e il meccanismo di frattura, non soltanto un numero più basso espresso in micrometri. ## Dimensione dei grani nelle saldature e nelle zone termicamente alterate Un giunto saldato non presenta un’unica dimensione dei grani. Contiene una zona di fusione formata da metallo fuso, una zona termicamente alterata (ZTA) che non è mai fusa ma ha subito uno o più cicli termici, e materiale base non alterato. Ogni regione può contenere diverse fasi e diverse scale dimensionali significative. Una lamiera base classificata, per esempio, con numero di dimensione dei grani ASTM 8, fornisce poche informazioni sulla dimensione dei grani di austenite preesistenti nella zona termicamente alterata a grani grossolani o sulla dimensione dei pacchetti nel metallo di saldatura trasformato. Il problema della misurazione è centrale. La norma ASTM E112 (2024) specifica i metodi del confronto, planimetrico e degli intercetti per la determinazione della dimensione media planare dei grani; il numero di dimensione dei grani ASTM viene calcolato a partire dal numero di grani per unità di area o dagli intercetti dei bordi di grano. Tali procedure non identificano automaticamente la fase, la morfologia o le unità di trasformazione. Un grano di ferrite, un grano di austenite preesistente, un pacchetto bainitico e un blocco di martensite possono tutti produrre bordi diversi nella stessa sezione. ![Dimensione dei grani dell’acciaio e relativi effetti](/images/uploads/5824a17a-9982-4662-87a4-f3c274cbbc7a/wiki-inline-a-welded-steel-cross-section-showing-fusion-zone-columnar-grains-equiaxed-weld-c-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/5824a17a-9982-4662-87a4-f3c274cbbc7a/wiki-inline-a-welded-steel-cross-section-showing-fusion-zone-columnar-grains-equiaxed-weld-c-1920x1094.avif "Ingrandisci immagine — Dimensione dei grani dell’acciaio e relativi effetti")A weld contains several grain structures because each region follows a different thermal history. ### Strutture di solidificazione della zona di fusione La zona di fusione inizia come metallo di saldatura liquido e solidifica contro il bordo non fuso del giunto. In prossimità del bordo di fusione, i grani di austenite o ferrite esistenti possono fornire siti di nucleazione epitassiale. I grani crescono quindi allontanandosi dal bordo, lungo la direzione del gradiente termico massimo, producendo comunemente strutture dendritiche colonnari o cellulari. Nella regione centrale della saldatura, dove si incontrano i fronti di crescita concorrenti, possono formarsi grani equiassici se le condizioni di sottoraffreddamento e di inoculazione consentono la formazione di un numero sufficiente di nuclei indipendenti. Questa struttura non è determinata esclusivamente dalla velocità di raffreddamento. La corrente di saldatura, la velocità di avanzamento, l’apporto termico, il vincolo del giunto, lo spessore della lamiera, il rendimento dell’arco e la temperatura tra le passate modificano la forma del bagno di fusione e il gradiente termico locale. Un gradiente elevato favorisce la crescita direzionale; un gradiente più basso combinato con un maggiore sottoraffreddamento favorisce una solidificazione più equiassica. La composizione della lega modifica sia l’intervallo di solidificazione sia la ripartizione di carbonio, manganese, silicio, cromo, nichel, molibdeno, niobio, titanio e altri elementi. La microsegregazione può lasciare regioni interdendritiche ricche di soluto, che si trasformano in modo diverso rispetto ai nuclei delle dendriti. I grani primari di solidificazione visibili non sono quindi necessariamente i grani finali di ferrite. Durante il raffreddamento, l’austenite può trasformarsi in ferrite poligonale, ferrite aciculare, bainite o martensite. In un metallo di saldatura bassolegato, il grano di austenite formatosi durante la solidificazione può contenere numerose unità di ferrite o pacchetti bainitici. Al contrario, una saldatura che appare fine al microscopio ottico può contenere grani grossolani di austenite preesistente, suddivisi in fini prodotti di trasformazione. Riportare la “dimensione dei grani della saldatura” senza specificare quale bordo sia stato misurato è ambiguo. Le molteplici passate di saldatura aggiungono un’ulteriore complicazione. Una passata successiva riscalda nuovamente una parte della zona di fusione precedente, affinando o trasformando la sua struttura in una posizione e lasciando invariata un’altra posizione. Il metallo riscaldato nuovamente può subire un rinvenimento intercritico o subcritico, anziché una ricristallizzazione completa. La sezione trasversale finale della saldatura registra quindi storie termiche sovrapposte, non un’unica curva di raffreddamento. ### Zone termicamente alterate a grani grossolani e a grani fini La ZTA viene comunemente suddivisa in base alla temperatura di picco rispetto alle temperature di trasformazione dell’acciaio. Immediatamente accanto al bordo di fusione, la zona termicamente alterata a grani grossolani (CGHAZ) raggiunge una temperatura di picco elevata, spesso molto superiore alla temperatura critica superiore. I grani di austenite esistenti si dissolvono o crescono, e le particelle che limitano il movimento dei bordi, come i carbonitruri di niobio o i carbonitruri di titanio, possono dissolversi quando il ciclo termico è sufficientemente severo. Una lunga permanenza ad alta temperatura produce grani grandi di austenite preesistente. La CGHAZ non contiene necessariamente ferrite grossolana dopo il raffreddamento. I suoi grani di austenite preesistente possono trasformarsi in bainite fine o martensite, i cui pacchetti, blocchi o listelli sono molto più piccoli dei grani originari di austenite. Tali unità di trasformazione possono controllare i percorsi delle cricche e le faccette di clivaggio più direttamente del bordo originario dell’austenite. In altri acciai, un raffreddamento lento consente la formazione di ferrite e perlite, rendendo grossolana anche la struttura finale sotto l’aspetto visivo. La velocità di raffreddamento, il carbonio equivalente, lo spessore della lamiera, l’apporto termico e il preriscaldamento determinano quale risultato si verifica. Più lontano dalla linea di fusione, la zona termicamente alterata a grani fini (FGHAZ) raggiunge una temperatura di picco inferiore, generalmente al di sopra dell’intervallo di trasformazione dell’austenite, ma non abbastanza elevata, o non per un tempo sufficientemente lungo, da causare un sostanziale ingrossamento dell’austenite. I nuovi grani di austenite nucleano con maggiore frequenza, spesso con l’ausilio di precipitati non disciolti che limitano il movimento dei bordi. Durante il raffreddamento, questa regione può produrre ferrite-perlite relativamente fine, bainite o martensite. Il confine tra CGHAZ e FGHAZ è graduale, anziché perfettamente netto, perché la temperatura di picco e il tempo variano continuamente con la distanza. La ZTA intercritica viene riscaldata tra la temperatura critica inferiore e quella superiore. Solo una parte della microstruttura si trasforma in austenite, per cui nuovi prodotti di trasformazione si formano accanto a regioni rinvenute o trasformate in precedenza. Negli [acciai bonificati](/it/categorie/acciai-bonificati "acciai bonificati"), quest’area può perdere resistenza a causa del rinvenimento; negli [acciai a doppia fase](/it/categorie/acciai-a-doppia-fase "acciai a doppia fase") o multifase, può sviluppare isole locali di martensite dura. Una ZTA subcritica può subire rinvenimento, recupero o modifiche della precipitazione senza austenitizzazione. Queste regioni possono governare l’indebolimento locale o l’innesco delle cricche anche quando la loro dimensione dei grani visibile cambia poco. Il riscaldamento ripetuto è particolarmente importante nella saldatura multipass. Una seconda passata può affinare una CGHAZ precedente mediante rautenitizzazione parziale o completa, mentre una regione appena esterna alla nuova passata subisce soltanto un rinvenimento. La stessa ZTA nominale può quindi contenere, nel giro di pochi millimetri, grani grossolani di austenite preesistente, ferrite affinata, isole trasformate e materiale rammollito. I gradienti termici rendono queste variazioni continue nello spazio, non un unico valore valido per l’intero giunto. ### Interpretazione di Hall–Petch nel metallo di saldatura La relazione classica di Hall–Petch esprime in modo approssimato il contributo della dimensione dei grani alla resistenza: σy=σ0+ky⁢d−1/2, dove d è comunemente un intercetto lineare medio e ky è un coefficiente dipendente dal materiale. L’University of Cambridge (2005) descrive questa forma con dipendenza dall’inverso della radice quadrata. Nei metalli di saldatura, tuttavia, la scelta di d è determinante. Può indicare il diametro dei grani di ferrite, l’intercetto dei grani di austenite preesistente, la dimensione dei pacchetti bainitici o la dimensione effettiva delle unità di trasformazione. Questi parametri non sono intercambiabili. Per gli acciai ferritico-perlitici, la NIST Special Publication 596 (1996) riporta che il carico di snervamento e la temperatura di transizione duttile-fragile variano approssimativamente con l’inverso della radice quadrata del diametro dei grani di ferrite. La resistenza a trazione è meno costantemente sensibile alla dimensione dei grani, mentre l’allungamento è relativamente insensibile. Anche le indicazioni dell’European Structural Engineering Design Programme (2000) collegano l’affinamento dei grani a un maggiore carico di snervamento e a una temperatura di transizione sostanzialmente inferiore. In una saldatura, tale beneficio può essere compensato da seconde fasi dure, segregazione, tensioni residue, idrogeno o da una struttura grossolana di austenite preesistente. Anche l’incrudimento secondo Hall–Petch presenta dei limiti. Quando le unità di trasformazione diventano molto piccole, l’accumulo di dislocazioni, l’austenite trattenuta, la trasformazione martensitica e la resistenza delle interfacce possono essere importanti quanto i normali bordi dei grani di ferrite. La Yonsei University (2014) ha riportato resistenze a trazione prossime a 900 MPa e allungamenti prossimi al 40% in una lega austenitica metastabile con grani di 0,3–2 micrometri, nella quale la trasformazione martensitica indotta dalla deformazione aumentava l’incrudimento. Tale risultato non può essere trasferito direttamente a una saldatura ferritica. Analogamente, uno studio della Japan Society of Mechanical Engineers (2018) ha riportato una dimensione trasversale dei grani di circa 1,0 micrometri in un acciaio a basso tenore di carbonio con grani ultrafini allungati e un favorevole equilibrio misurato tra resistenza, duttilità e tenacità; la morfologia allungata era parte integrante del risultato, non un dettaglio secondario. L’EBSD può distinguere alcune di queste scale mediante la mappatura della disorientazione cristallografica. La norma ASTM E2627 (2017) riguarda la determinazione EBSD della dimensione media dei grani, delle distribuzioni e delle informazioni statistiche nei materiali policristallini completamente ricristallizzati, ma i criteri relativi ai bordi devono comunque essere specificati. Un giunto saldato richiede quindi l’identificazione della fase, l’orientamento della sezione, la definizione dei bordi e un campionamento specifico per posizione. Un unico valore della dimensione dei grani del materiale base non è sufficiente per caratterizzarlo. ## La dimensione dei grani come indicatore di trattamento termico, processo e controllo qualità ### Utilizzo della dimensione dei grani per confrontare le colate La dimensione dei grani è utile nel controllo qualità perché registra una parte della storia termica e meccanica dell’acciaio. Una struttura grossolana può indicare una temperatura di austenitizzazione eccessiva, un mantenimento prolungato, un raffreddamento lento, un controllo inadeguato della ricristallizzazione o un diverso percorso termomeccanico. Una struttura fine può riflettere una laminazione controllata, una normalizzazione, una trasformazione più rapida o aggiunte affinanti del grano, come niobio, titanio o vanadio. La misurazione non identifica da sola quale evento si sia verificato, ma può mostrare che due colate descritte dallo stesso grado nominale non sono state sottoposte a trattamenti equivalenti. #### Confronto per il controllo della qualità Il NIST ha distinto le colate accettabili, con dimensioni dei grani di circa 30–40 micrometri, dalle colate non accettabili, con dimensioni dei grani di circa 60–70 micrometri. Questi valori appartengono al materiale e alla condizione valutati; non sono limiti universali di accettazione. La valutazione NIST dell’acciaio 4340 ricevuto per la produzione di provini di riferimento Charpy fornisce un esempio chiaro. Nel rapporto del 2001, NIST rilevò che le colate giudicate accettabili per la produzione dei provini di riferimento presentavano dimensioni dei grani misurate di circa 30–40 micrometri, mentre le colate non accettabili presentavano valori di circa 60–70 micrometri. La differenza era sufficientemente ampia da separare popolazioni di materiale durante un’indagine sulla qualità delle prove d’impatto. Questo risultato non deve essere trasformato in un limite universale di accettazione per ogni prodotto in acciaio 4340: il risultato riguarda un materiale definito, una determinata condizione di trattamento termico, un’applicazione specifica dei provini e una procedura di misurazione definita. Anche il significato di “dimensione dei grani” deve essere definito prima di confrontare le colate. ASTM E112 (2024) fornisce procedure di confronto, planimetriche e di intercetta per la determinazione della dimensione media dei grani planari. Il numero ASTM della dimensione dei grani viene calcolato a partire dal conteggio dei grani per unità di area o dalle intercette dei bordi di grano; non è semplicemente un’etichetta associata a una micrografia. Un valore in micrometri ottenuto con il metodo delle intercette lineari non può essere considerato automaticamente intercambiabile con un numero ASTM della dimensione dei grani ottenuto mediante un altro metodo. Il rapporto dovrebbe indicare il metodo, l’ingrandimento o i parametri di scansione, la posizione della sezione, l’orientamento, la fase misurata e se il risultato rappresenti una media aritmetica, una distribuzione o il valore relativo a un campo selezionato. La morfologia può rendere fuorviante una singola media. Una lamiera laminata può contenere grani allungati, ferrite e perlite bandate oppure un gradiente attraverso lo spessore. Una sezione longitudinale può quindi mostrare una lunghezza d’intercetta diversa da quella di una sezione trasversale o trasversale corta. Una microstruttura trasformata può contenere pacchetti, blocchi, listelli o grani di austenite precedente i cui bordi non sono equivalenti rispetto a ogni proprietà. Negli acciai ferritico-perlitici, il diametro dei grani di ferrite è spesso la variabile rilevante per il carico di snervamento e la temperatura di transizione; misurare invece la dimensione apparente delle colonie di perlite può rispondere a una domanda diversa. La ragione fondamentale del confronto è la relazione di Hall–Petch. I bordi di grano ostacolano lo scorrimento delle dislocazioni, per cui il carico di snervamento aumenta comunemente al diminuire della dimensione media dei grani o dell’intercetta lineare media, approssimativamente secondo una dipendenza dall’inverso della radice quadrata. La NIST Special Publication 596 (1996) riporta che, negli acciai ferritico-perlitici, il carico di snervamento e la temperatura di transizione duttile-fragile variano approssimativamente con l’inverso della radice quadrata del diametro dei grani di ferrite. La resistenza a trazione è sensibile alla dimensione dei grani in modo meno costante, mentre l’allungamento è relativamente poco sensibile. L’affinamento del grano può quindi migliorare il compromesso tra resistenza e tenacità, ma l’entità del beneficio dipende dalla composizione chimica, dalle seconde fasi, dalla tessitura e dal meccanismo di frattura attivo. Il comportamento di Hall–Petch non è una regola illimitata. Nelle strutture ultrafini, i bordi possono essere in condizioni di non equilibrio, la deformazione può localizzarsi fortemente e altri meccanismi possono controllare la resistenza o la duttilità. Uno studio della Yonsei University del 2014 ha riportato resistenze a trazione prossime a 900 MPa e allungamenti prossimi al 40% in una lega austenitica metastabile con dimensioni dei grani di 0,3–2 micrometri, nella quale la trasformazione indotta dalla deformazione in martensite forniva un incrudimento aggiuntivo. Uno studio della Japan Society of Mechanical Engineers del 2018 su un acciaio a basso tenore di carbonio con grani ultrafini allungati ha riportato, per il miglior compromesso tra resistenza, duttilità e tenacità, una dimensione trasversale dei grani di circa 1,0 micrometro. Tali risultati non possono essere trasferiti direttamente all’acciaio 4340 ferritico-perlitico normalizzato. ### Piani di campionamento e decisioni di accettazione #### Elenco minimo dei dati da riportare - **Materiale** Qualità, colata o lotto e condizione metallurgica. - **Lavorazione** Trattamento termico, ciclo di riduzioni, velocità di raffreddamento e storia di saldatura, ove pertinenti. - **Oggetto misurato** Fase, tipo di grano, pacchetto, blocco, colonia o altra unità strutturale. - **Metodo** ASTM E112, ASTM E2627, analisi ottica o altra procedura dichiarata. - **Geometria** Piano di sezione, direzione della linea di prova e morfologia. - **Statistiche** Numero di campi o grani, media, dispersione e distribuzione. Un risultato utile sulla dimensione dei grani inizia con un piano di campionamento, non con il campo più rappresentativo selezionato su una sezione lucidata. I campioni devono rappresentare la colata, la sezione del prodotto e le posizioni di lavorazione pertinenti. Per una lamiera, ciò può richiedere posizioni prossime alla superficie, a un quarto dello spessore e a metà dello spessore; per una barra, possono essere necessarie posizioni al centro e in prossimità della periferia. Se il materiale è stato tagliato, forgiato, laminato o sottoposto a trattamento termico secondo una direzione nota, le sezioni longitudinale, trasversale e trasversale corta devono essere selezionate in funzione della proprietà valutata. I campi replicati sono necessari perché le strutture granulari variano nello spazio. È preferibile utilizzare diversi campi non sovrapposti in ciascuna posizione anziché un unico campo selezionato per comodità. L’analista dovrebbe registrare il numero di grani o di intercette che contribuiscono a ciascun campo e riportare quindi la variabilità tra i campi e tra le sezioni. Una media priva di dispersione può nascondere una struttura mista, nella quale una regione è fine e un’altra grossolana. Gli intervalli di confidenza o una stima dichiarata della ripetibilità rendono il risultato più utile ai fini di una decisione di accettazione. ASTM E112 supporta questo approccio statistico, ma non elimina la necessità di definire la regola decisionale. Una specifica può richiedere un valore medio, una frazione massima di grani grossolani, un limite di uniformità o la corrispondenza con una tavola di riferimento. Si tratta di requisiti diversi. Se una colata si colloca vicino al limite, una nuova preparazione e una nuova misurazione eseguite da un secondo analista qualificato possono essere più difendibili di una decisione immediata di accettazione o rifiuto. Il laboratorio dovrebbe inoltre tenere conto della qualità della lucidatura, del contrasto prodotto dall’attacco metallografico, del giudizio dell’operatore e dell’incertezza associata al conteggio di un numero finito di grani. La diffrazione degli elettroni retrodiffusi può fornire informazioni aggiuntive quando i bordi osservati al microscopio ottico sono difficili da risolvere o quando la struttura è fortemente deformata. ASTM E2627 (2017) tratta la determinazione della dimensione media dei grani mediante EBSD in materiali policristallini completamente ricristallizzati e include le distribuzioni della dimensione dei grani e le informazioni statistiche. I risultati EBSD dipendono comunque dalla dimensione del passo, dalle regole di filtraggio, dai criteri di disorientamento, dalla frazione di area indicizzata e dalla definizione di bordo di grano. Tali impostazioni devono accompagnare il valore riportato. Le decisioni di accettazione dovrebbero collegare la misurazione alla funzione del prodotto. Il risultato NIST sull’acciaio 4340 supporta l’utilizzo della dimensione dei grani come uno degli elementi discriminanti tra colate destinate a provini di riferimento Charpy. Non giustifica il rifiuto di ogni acciaio al di sopra di 40 micrometri né l’accettazione di ogni acciaio al di sotto di tale valore. La tenacità all’impatto, la durezza, le proprietà di trazione e i registri dei trattamenti termici restano parte della decisione. ### Separare gli effetti della dimensione dei grani dalla composizione chimica e dai difetti Una struttura granulare grossolana o non uniforme può essere correlata a una scarsa tenacità, ma la correlazione non dimostra il rapporto causale. Due colate possono avere dimensioni dei grani di ferrite simili e diverse energie Charpy perché una contiene quantità maggiori di ossigeno, zolfo, fosforo o elementi di lega che modificano la risposta alla trasformazione e al rinvenimento. Carbonio, manganese, nichel, cromo e molibdeno influenzano la costituzione delle fasi e la temprabilità; niobio, titanio e vanadio possono limitare la crescita dei grani di austenite formando al contempo precipitati. La composizione chimica deve quindi essere verificata insieme alla dimensione dei grani. Le inclusioni e la segregazione possono dominare il comportamento alla frattura anche quando la dimensione media dei grani appare accettabile. Filamenti di solfuro di manganese, agglomerati di ossidi, segregazione sulla linea centrale e costituenti bandati creano concentrazioni locali di tensione e percorsi preferenziali per le cricche. Una sezione lucidata dovrebbe essere esaminata alla ricerca di tali caratteristiche, anziché essere ridotta a un numero relativo alla dimensione dei grani. L’analisi frattografica può mostrare se una frattura Charpy o a trazione ha seguito inclusioni, faccette di clivaggio, percorsi intergranulari o alveoli duttili. Le prove meccaniche forniscono il necessario controllo incrociato. La durezza può rivelare una fase o una condizione di rinvenimento inattesa; la prova di trazione distingue le variazioni del carico di snervamento da quelle della resistenza ultima e dell’allungamento; la prova Charpy misura direttamente il comportamento di transizione. La metallografia dovrebbe identificare se i grani misurati appartengono a ferrite, austenite precedente, pacchetti di martensite, bainite o un’altra fase. Se composizione chimica, inclusioni, segregazione, costituzione delle fasi e risultati meccanici non vengono esaminati congiuntamente, la dimensione dei grani diventa un surrogato fuorviante dell’intera storia di lavorazione. È precisamente questo il limite del suo valore: è un indicatore sensibile, non una diagnosi completa. ## Interpretazioni comuni errate dei numeri ASTM della dimensione del grano ### Perché un numero ASTM più elevato indica grani più fini Il numero ASTM della dimensione del grano ha un andamento opposto al significato comune di “grande” e “piccolo”. Un numero più elevato indica un maggior numero di grani in un’area definita e, pertanto, una struttura granulare media più fine. ASTM E112:2024 determina la dimensione media planare del grano mediante procedure di confronto, planimetriche o basate sulle intercette. Nel metodo planimetrico, l’analista conta i grani all’interno di un’area misurata; nel metodo delle intercette, l’analista conta le intersezioni dei bordi di grano lungo linee di prova. Il numero ASTM riportato deriva da tali conteggi, non dall’impressione visiva fornita da una micrografia. La relazione standard è logaritmica. Nel quadro comparativo e planimetrico comunemente associato ai numeri ASTM della dimensione del grano, il numero di grani per pollice quadrato a un ingrandimento di 100× è rappresentato da: N=2G−1 Qui, G è il numero ASTM della dimensione del grano e N è il numero di grani per pollice quadrato a 100×. Un aumento di G pari a uno raddoppia quindi la popolazione di grani contata in quell’area di riferimento. ASTM n. 8 non è semplicemente “una classe dimensionale più fine” rispetto ad ASTM n. 7 in senso lineare; il suo conteggio di riferimento dei grani è doppio. ASTM n. 10 presenta un conteggio quattro volte superiore a quello associato ad ASTM n. 8. Questa inversione è importante nelle specifiche e nelle indagini sui cedimenti. Definire ASTM n. 10 “più grossolano” di ASTM n. 7 può capovolgere il significato di un risultato del trattamento termico. Negli acciai ferritico-perlitici, grani di ferrite più fini aumentano generalmente il carico di snervamento e abbassano la temperatura di transizione duttile-fragile. La NIST Special Publication 596 (1996) descrive la dipendenza approssimativamente inversa dalla radice quadrata del diametro dei grani di ferrite del carico di snervamento e della temperatura di transizione, mentre la resistenza a trazione è meno costantemente sensibile alla dimensione del grano e l’allungamento è relativamente insensibile. Anche l’European Structural Engineering Design Programme riporta che l’affinamento del grano aumenta il carico di snervamento e riduce sostanzialmente la temperatura di transizione. La relazione di Hall–Petch spiega la tendenza consueta: σy=σ0+ky⁢d−1/2 dove d può rappresentare una dimensione media appropriata del grano o l’intercetta lineare media. I bordi di grano ostacolano il movimento delle dislocazioni; pertanto, la riduzione della spaziatura pertinente aumenta generalmente la tensione necessaria per lo snervamento. Si tratta di una tendenza, non di un’autorizzazione a considerare ogni numero ASTM più elevato come un miglioramento garantito. Negli acciai trasformati, pacchetti bainitici o martensitici, listelli, blocchi, grani di austenite preesistente e unità effettive di clivaggio possono controllare la deformazione o la frattura più fortemente rispetto a una singola misurazione ottica del “grano”. A scale molto ridotte, il comportamento di Hall–Petch può inoltre discostarsi dalla forma classica quando diventano importanti la deformazione mediata dai bordi e altri meccanismi. ### Numero ASTM rispetto ai micrometri Un numero ASTM della dimensione del grano è una designazione statistica standardizzata; un valore espresso in micrometri è una lunghezza fisica. Essi sono correlati soltanto dopo aver specificato la base della misurazione. La conversione da G a un diametro medio stimato del grano presuppone una particolare relazione ASTM, una determinata forma del grano, una specifica geometria della sezione e una definizione della dimensione misurata. Ciò non significa che ogni grano di un acciaio ASTM n. 8 abbia lo stesso numero di micrometri. Le tabelle e le equazioni di ASTM E112 possono fornire un diametro medio approssimativo del grano o un’intercetta lineare media per un metodo specificato. Tali stime non devono essere trasferite automaticamente tra risultati ottenuti mediante confronto, metodo planimetrico e metodo delle intercette. Un risultato planimetrico attribuisce un peso all’area dei grani; un risultato basato sulle intercette misura gli attraversamenti dei bordi lungo linee di prova. Grani allungati, dimensioni miste dei grani, geminazioni, bordi curvi e crescita anomala dei grani possono rendere diversi i risultati numerici anche quando entrambe le analisi sono eseguite correttamente. Anche l’ingrandimento richiede cautela. Il numero ASTM è legato a una convenzione di conteggio di riferimento, mentre una stima in micrometri dipende dalla calibrazione dell’immagine e dalla dimensione selezionata dall’analista. Un grano misurato su una sezione longitudinale può presentare una dimensione apparente diversa da quella della stessa popolazione tridimensionale osservata trasversalmente. In una lamiera laminata, per esempio, i grani possono essere allungati nella direzione di laminazione e compressi attraverso lo spessore. Riportare “8 ASTM” senza specificare se il provino è stato osservato in direzione longitudinale, trasversale o attraverso lo spessore omette informazioni che possono modificare l’interpretazione. La costituzione delle fasi crea un’ulteriore fonte di errore. Il diametro dei grani di ferrite, la dimensione dei grani di austenite preesistente, la dimensione dei pacchetti di martensite e la dimensione effettiva dei grani di clivaggio non sono grandezze intercambiabili. L’EBSD può definire un bordo mediante una soglia di disorientamento, mentre una sezione ottica attaccata può mostrare un bordo in funzione dell’attacco chimico e del contrasto. ASTM E2627:2017 tratta la dimensione media dei grani, le distribuzioni e le informazioni statistiche basate sull’EBSD nei materiali policristallini completamente ricristallizzati. Il suo risultato non deve essere presentato automaticamente come equivalente a un numero ASTM E112 ottenuto mediante confronto ottico, in particolare quando il materiale contiene regioni non ricristallizzate o diverse popolazioni cristallografiche. Per questo motivo, “ASTM n. 8 equivale approssimativamente a 20 micrometri” è, nel migliore dei casi, una stima abbreviata e non un’identità universale. Il valore in micrometri citato deve indicare la relazione ASTM adottata, il metodo di misurazione, la fase, il criterio di definizione dei bordi e il piano del provino. ### Dimensione media del grano rispetto alla conformità alle specifiche Una media riportata non equivale alla prova che un materiale soddisfi una specifica. La dimensione media del grano comprime una distribuzione in un unico valore e può occultare isole grossolane, strutture duplex, bandeggiatura o una zona termicamente alterata localizzata. Due provini possono avere una media di 40 micrometri, mentre uno presenta una distribuzione ristretta e l’altro contiene regioni sia molto fini sia molto grossolane. La loro resistenza alla propagazione delle cricche non deve necessariamente essere la stessa. La valutazione NIST del 2001 sull’acciaio 4340 illustra l’utilità della misurazione per il controllo qualità. I lotti accettabili utilizzati per i provini di riferimento Charpy presentavano dimensioni dei grani di circa 30–40 micrometri, mentre i lotti non accettabili misuravano circa 60–70 micrometri. Questi valori descrivono una differenza nella qualità del processo, ma non stabiliscono una soglia universale di accettazione o rifiuto per ogni prodotto, posizione o specifica relativi all’acciaio 4340. La conformità dipende dal documento applicabile, dal piano di campionamento, dal metodo consentito e dal criterio di accettazione. La documentazione del provino dovrebbe pertanto indicare il grado e la condizione del materiale, il colato o il lotto, la posizione all’interno del prodotto, l’orientamento della sezione, il metodo di preparazione, l’ingrandimento, la procedura standard, la fase misurata, la definizione dei bordi, il numero di campi o di linee di prova e la distribuzione dei risultati. Se è stato utilizzato l’EBSD, sono importanti anche il passo di scansione e il criterio di disorientamento. Una singola micrografia lucidata costituisce un’evidenza, non una determinazione completa della dimensione del grano. La stessa cautela si applica alle microstrutture ultrafini e trasformate. Uno studio della Yonsei University pubblicato nel 2014 ha riportato grani di 0,3–2 micrometri in una lega austenitica metastabile, con resistenze a trazione prossime a 900 MPa e allungamenti prossimi al 40% quando la trasformazione martensitica indotta dalla deformazione ha favorito l’incrudimento. Uno studio della Japan Society of Mechanical Engineers del 2018 ha rilevato che una dimensione trasversale dei grani di circa 1,0 micrometri forniva il miglior equilibrio riportato tra resistenza, duttilità e tenacità in un acciaio a basso tenore di carbonio con grani ultrafini allungati. Nessuno dei due risultati può essere ridotto all’idea che “vince il numero ASTM più elevato”. Morfologia, stabilità delle fasi, tessitura e meccanismo di frattura determinano il significato della dimensione misurata. ## Un quadro pratico per interpretare la dimensione dei grani dell’acciaio ### Domande da porsi prima di confrontare i risultati Un valore della dimensione dei grani ha significato solo dopo aver definito il contesto della misurazione. Si deve iniziare dalla designazione e dalla condizione metallurgica: per esempio, AISI/SAE 4340, un acciaio ferritico-perlitico normalizzato, un acciaio martensitico bonificato oppure un acciaio a basso tenore di carbonio sottoposto a trattamento termomeccanico. Occorre registrare il trattamento termico, il ciclo di riduzione, la temperatura di riscaldamento, la velocità di raffreddamento ed eventuali precedenti operazioni di saldatura o di trattamento superficiale. Due campioni con la stessa designazione nominale possono contenere frazioni di fase, popolazioni di precipitati, densità di dislocazioni e tessiture differenti. Occorre poi chiedersi che cosa rappresenti effettivamente il “grano” riportato. In un acciaio ferritico-perlitico, l’unità misurata può essere costituita dai grani di ferrite, mentre le colonie di perlite, i grani di austenite preesistente e i pacchetti o blocchi di una microstruttura trasformata possono controllare una proprietà diversa. Nell’acciaio martensitico, un’immagine ottica può mostrare pacchetti o blocchi anziché grani cristallografici indipendenti. In una lega a grani ultrafini, la scala rilevante può essere quella di un grano cristallografico submicrometrico misurato mediante diffrazione degli elettroni retrodiffusi (EBSD), non quella della struttura più grande visibile al microscopio ottico. Il metodo deve essere specificato. ASTM E112:2024 fornisce procedure di confronto, planimetriche e degli intercetti per determinare la dimensione media planare dei grani. Il numero ASTM della dimensione dei grani è ricavato dal conteggio dei grani per unità di area o dagli intercetti dei bordi di grano. Un numero ASTM più elevato indica generalmente grani più fini, ma quel numero non corrisponde di per sé a un valore in micrometri. Non può essere confrontato direttamente con un intercetto lineare medio dichiarato, a meno che non siano noti la procedura, la definizione del bordo, la fase e la morfologia. ASTM E2627:2017 tratta la determinazione mediante EBSD della dimensione media dei grani nei materiali policristallini completamente ricristallizzati, comprese le distribuzioni delle dimensioni dei grani e le informazioni statistiche. I risultati EBSD dipendono dal criterio di disorientamento angolare, dalle regole di ripulitura, dal passo di scansione e dal trattamento dei pixel non indicizzati. Questi dettagli possono modificare sostanzialmente la popolazione conteggiata. Una struttura bandeggiata o allungata richiede inoltre cautela: gli intercetti longitudinali e trasversali saranno differenti, perciò un’unica “dimensione dei grani” scalare può nascondere una marcata anisotropia. Seguono la posizione e l’orientamento del campionamento. Occorre identificare la lamiera, la barra, il forgiato, la zona saldata, la zona termicamente alterata o lo strato superficiale, quindi indicare se la sezione è longitudinale, trasversale o attraverso lo spessore. Quando possibile, si devono esaminare più di un campo. Una regione localizzata a grani grossolani, una banda, una fila di inclusioni o un gradiente di ricristallizzazione possono rendere non rappresentativa una singola micrografia. È necessario riportare la media e la dispersione, non soltanto il campo con i grani più fini. Una distribuzione, il numero delle misurazioni, un intervallo di confidenza o almeno i valori minimo e massimo consentono al lettore di valutare l’incertezza del campionamento. La valutazione del 2001 del NIST sull’acciaio 4340 illustra perché si tratti di una questione di qualità, non di un aspetto meramente estetico: le colate accettabili per i provini di riferimento Charpy del NIST presentavano dimensioni dei grani di circa 30–40 micrometri, mentre quelle non accettabili presentavano valori di circa 60–70 micrometri. La differenza era importante perché l’ingrossamento dei grani modificava il comportamento all’impatto e le prestazioni del materiale di riferimento. ### Collegare la microstruttura alla proprietà richiesta La prima proprietà da mettere generalmente in relazione con la dimensione dei grani dovrebbe essere il carico di snervamento. La relazione classica di Hall–Petch esprime approssimativamente il contributo della dimensione dei grani come σy=σ0+ky⁢d−1/2, dove d è il diametro medio dei grani o, in molti approcci, l’intercetto lineare medio. I bordi di grano ostacolano il movimento delle dislocazioni; pertanto, la diminuzione della dimensione rilevante dei grani di ferrite aumenta comunemente il carico di snervamento. Le note sui materiali dell’Università di Cambridge del 2005 descrivono questa dipendenza dalla radice quadrata inversa come la relazione centrale di Hall–Petch. Tale relazione non costituisce una garanzia universale. L’unità di controllo può essere la dimensione dei grani di ferrite in un acciaio e la dimensione efficace dei pacchetti o dei blocchi in un altro. Il tenore di soluti, la precipitazione, la tessitura, la densità di dislocazioni, la frazione di fase e le tensioni residue possono contribuire in misura pari o superiore alla spaziatura dei bordi. A dimensioni sufficientemente piccole, i meccanismi mediati dai bordi di grano, il recupero, la localizzazione del taglio o modalità di deformazione alterate possono ridurre l’utilità di una semplice estrapolazione. L’incrudimento di Hall–Petch è un modello con un determinato intervallo di validità, non la garanzia che ogni fase di affinamento produca lo stesso incremento di resistenza. Per gli acciai ferritico-perlitici convenzionali, la pubblicazione speciale NIST 596 (1996) riporta che il carico di snervamento e la temperatura di transizione duttile-fragile variano approssimativamente con la radice quadrata inversa del diametro dei grani di ferrite. La resistenza a trazione è sensibile alla dimensione dei grani in modo meno costante, mentre l’allungamento è relativamente poco sensibile. Questa distinzione dovrebbe guidare il confronto. Se il requisito ingegneristico è la resistenza allo snervamento o la tenacità a bassa temperatura, l’affinamento può essere molto vantaggioso. Se il requisito è l’allungamento uniforme, la sola riduzione della dimensione dei grani può produrre variazioni modeste; al contrario, possono predominare l’incrudimento, la trasformazione di fase, le inclusioni e la tessitura. Il comportamento nella transizione Charpy richiede una trattazione separata. I grani di ferrite più fini riducono generalmente la temperatura di transizione duttile-fragile, come riportato dall’European Structural Engineering Design Programme nel 2000, ma lo spostamento misurato dipende anche dalla geometria dell’intaglio, dalla temperatura di prova, dalle faccette di clivaggio, dalle inclusioni e dalla costituzione delle fasi. È necessario confrontare le curve di transizione, non soltanto un singolo valore dell’energia assorbita. L’analisi frattografica dovrebbe identificare se la rottura è avvenuta per clivaggio, quasi-clivaggio, rottura duttile con dimples, criccatura intergranulare o mediante un meccanismo misto. \[7\] \[7\] [**Study of low-carbon steel with ultrafine elongated grains**](https://www.jstage.jst.go.jp/article/transjsme/84/866/84_18-00237/_article/-char/en). Japan Society of Mechanical Engineers researchers. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, 2018. Gli acciai ultrafini e trasformati rendono i confronti semplici ancora meno affidabili. Uno studio della Yonsei University pubblicato nel 2014 ha riportato una lega austenitica metastabile con dimensioni dei grani di 0,3–2 micrometri, resistenze a trazione prossime a 900 MPa e allungamenti prossimi al 40%. La trasformazione martensitica indotta dalla deformazione forniva un incrudimento aggiuntivo, pertanto la duttilità non può essere attribuita esclusivamente all’affinamento dei grani. Analogamente, uno studio del 2018 della Japan Society of Mechanical Engineers su un acciaio a basso tenore di carbonio con grani ultrafini allungati ha riportato il miglior compromesso tra resistenza, duttilità e tenacità per una dimensione trasversale dei grani di circa 1,0 micrometri. È stata decisiva la dimensione trasversale, non una media non specificata. ### Checklist per la stesura di riferimenti tecnici Un riferimento utilizzabile dovrebbe identificare l’esatta designazione dell’acciaio e la condizione metallurgica, compreso il trattamento termico o il ciclo termomeccanico. Dovrebbe indicare se l’unità riportata è costituita da ferrite, austenite, austenite preesistente, un pacchetto di martensite, un grano cristallografico, una colonia o un’altra struttura. La sezione relativa alla misurazione dovrebbe citare ASTM E112 o ASTM E2627, ove applicabile, specificare la procedura di confronto, planimetrica, degli intercetti o EBSD e indicare il criterio relativo ai bordi di fase o al disorientamento. È opportuno includere il numero ASTM della dimensione dei grani e la misura equivalente in micrometri soltanto quando la conversione e il metodo sono esplicitati. Occorre registrare l’orientamento della sezione, la posizione del campionamento, il numero di campi, l’ingrandimento o il passo EBSD, il valore medio, la distribuzione e l’incertezza. Per i grani allungati, devono essere fornite le dimensioni longitudinali e trasversali. Una singola media è inadeguata quando la popolazione è bimodale o fortemente bandeggiata. Infine, è necessario mettere in relazione la microstruttura con il carico di snervamento, la resistenza a trazione, l’allungamento, la durezza e il comportamento nella transizione Charpy, quindi esaminare le osservazioni frattografiche e le variabili confondenti, come inclusioni, tessitura, precipitazione, tensioni residue, storia di raffreddamento e frazione di fase. L’affinamento dei grani è una potente leva metallurgica, ma il suo valore dipende dalla proprietà ricercata, dal meccanismo che sostiene il carico o la propagazione della cricca e dal modo in cui la struttura è stata misurata, non dalla sola finezza. ## Riferimenti 1. \[1\] National Institute of Standards and Technology. [NIST Special Publication 596](https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/SP/nbsspecialpublication596.pdf). NIST Special Publication, 1996. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti#wiki-cite-ref-1) https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/SP/nbsspecialpublication596.pdf 2. \[2\] National Institute of Standards and Technology. [Assessing the Quality of Received 4340 Steel for Production of NIST Charpy Reference Specimens](https://www.nist.gov/publications/assessing-quality-received-4340-steel-production-nist-charpy-reference-specimens). NIST assessment report, 2001. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti#wiki-cite-ref-2) https://www.nist.gov/publications/assessing-quality-received-4340-steel-production-nist-charpy-reference-specimens 3. \[3\] ASTM International. [New ASTM Standard Covers Use of Electron Backscatter Diffraction to Measure Grain Size](https://www.astm.org/news/press-releases/new-astm-standard-covers-use-electron-backscatter-diffraction-measure-grain-size). ASTM International standard announcement, 2017. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti#wiki-cite-ref-3) https://www.astm.org/news/press-releases/new-astm-standard-covers-use-electron-backscatter-diffraction-measure-grain-size 4. \[4\] European Structural Engineering Design Programme. [Steel: Microstructure and Grain Refinement](https://fgg-web.fgg.uni-lj.si/~/pmoze/ESDEP/master/wg02/l0100.htm). ESDEP lecture material, 2000. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti#wiki-cite-ref-4) https://fgg-web.fgg.uni-lj.si/~/pmoze/ESDEP/master/wg02/l0100.htm 5. \[5\] University of Cambridge. [Hall–Petch relationship](https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2005/Graz3/Graz3.html). Phase Transformations materials notes, 2005. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti#wiki-cite-ref-5) https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2005/Graz3/Graz3.html 6. \[6\] Yonsei University researchers. [Effect of grain size on the uniform ductility of a bulk ultrafine-grained metastable austenitic alloy](https://yonsei.elsevierpure.com/en/publications/effect-of-grain-size-on-the-uniform-ductility-of-a-bulk-ultrafine/). Yonsei University research publication, 2014. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti#wiki-cite-ref-6) https://yonsei.elsevierpure.com/en/publications/effect-of-grain-size-on-the-uniform-ductility-of-a-bulk-ultrafine/ 7. \[7\] Japan Society of Mechanical Engineers researchers. [Study of low-carbon steel with ultrafine elongated grains](https://www.jstage.jst.go.jp/article/transjsme/84/866/84_18-00237/_article/-char/en). Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, 2018. [](/it/wiki/famiglie-di-acciai/dimensione-dei-grani-dell-acciaio-e-relativi-effetti#wiki-cite-ref-7) https://www.jstage.jst.go.jp/article/transjsme/84/866/84\_18-00237/\_article/-char/en **A colpo d’occhio** Relazione classica di rafforzamento σy = σ0 + ky d−1/2 Metodi ASTM E112 Confronto, metodo planimetrico e metodo delle intercette Variabile controllata principale Fase misurata, morfologia, orientazione e distribuzione Contrasto tipico nella valutazione della qualità Colate 4340: circa 30–40 μm contro 60–70 μm [Torna a Famiglie di acciai](/it/wiki/famiglie-di-acciai "Famiglie di acciai — Steel Wiki")