--- title: "Elementi di lega dell'acciaio e loro effetti metallurgici" description: "Scopri come gli elementi di lega influenzano la resistenza dell’acciaio, le fasi e i processi di lavorazione." canonical: https://steelequivalents.com/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici language: it robots: index, follow og_type: article type: wiki-article language_alternates: en: https://steelequivalents.com/wiki/steel-families/steel-alloying-elements-and-their-metallurgical-effects.md cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/skupiny-ocelí/legující-prvky-v-oceli-a-jejich-metalurgické-účinky.md de: https://steelequivalents.com/de/wiki/stahlgruppen/legierungselemente-in-stahl-und-ihre-metallurgischen-auswirkungen.md es: https://steelequivalents.com/es/wiki/familias-de-aceros/elementos-de-aleación-del-acero-y-sus-efectos-metalúrgicos.md fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/familles-d-aciers/éléments-d-alliage-de-l-acier-et-leurs-effets-métallurgiques.md hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/acélcsaládok/az-acél-ötvözőelemei-és-kohászati-hatásaik.md it: https://steelequivalents.com/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici.md nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/staalgroepen/legeringselementen-in-staal-en-hun-metallurgische-effecten.md pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/grupy-stali/pierwiastki-stopowe-w-stali-i-ich-wpływ-na-właściwości-metalurgiczne.md pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/famílias-de-aço/elementos-de-liga-do-aço-e-os-seus-efeitos-metalúrgicos.md ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/группы-сталей/легирующие-элементы-стали-и-их-металлургическое-воздействие.md tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/çelik-grupları/çelik-alaşım-elementleri-ve-metalurjik-etkileri.md zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/钢材分类/钢中的合金化元素及其冶金作用.md ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/鋼種の分類/鋼の合金元素とその冶金学的効果.md ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/مجموعات-الفولاذ/عناصر-صناعة-سبائك-الفولاذ-وتأثيراتها-الميتالورجية.md ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/강종-계열/강철-합금-원소와-그-야금학적-영향.md pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/famílias-de-aços/elementos-de-liga-do-aço-e-seus-efeitos-metalúrgicos.md hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/स्टील-समूह/इस्पात-के-मिश्रधातु-तत्व-और-उनके-धातुकर्मीय-प्रभाव.md content_hash: sha256:6e0bd50651217708abb926428d567a376cc9acbad1f2ebc9f34737a77186a8f7 generated: 2026-09-26 --- > **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/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici > Canonical URL: https://steelequivalents.com/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici > 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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Che cosa si considera un elemento di lega nell’acciaio?](/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici#1-che-cosa-si-considera-un-elemento-di-lega-nell-acciaio "1. Che cosa si considera un elemento di lega nell’acciaio?") - [2. I principali meccanismi attraverso i quali gli elementi modificano l’acciaio](/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici#2-i-principali-meccanismi-attraverso-i-quali-gli-elementi-modificano-l-acciaio "2. I principali meccanismi attraverso i quali gli elementi modificano l’acciaio") - [3. Il carbonio: il principale elemento interstiziale di lega](/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici#3-il-carbonio-il-principale-elemento-interstiziale-di-lega "3. Il carbonio: il principale elemento interstiziale di lega") - [4. Manganese e silicio negli acciai al carbonio semplice e basso-legati](/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici#4-manganese-e-silicio-negli-acciai-al-carbonio-semplice-e-basso-legati "4. Manganese e silicio negli acciai al carbonio semplice e basso-legati") - [5. Zolfo, fosforo, alluminio, rame e stagno: effetti utili e rischi metallurgici](/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici#5-zolfo-fosforo-alluminio-rame-e-stagno-effetti-utili-e-rischi-metallurgici "5. Zolfo, fosforo, alluminio, rame e stagno: effetti utili e rischi metallurgici") - [6. Cromo: temprabilità, resistenza all’ossidazione e passivazione](/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici#6-cromo-temprabilità-resistenza-all-ossidazione-e-passivazione "6. Cromo: temprabilità, resistenza all’ossidazione e passivazione") - [7. Il nichel e il controllo del comportamento austenitico e ferritico](/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici#7-il-nichel-e-il-controllo-del-comportamento-austenitico-e-ferritico "7. Il nichel e il controllo del comportamento austenitico e ferritico") - [8. Molibdeno, azoto e stabilità delle microstrutture degli acciai inossidabili](/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici#8-molibdeno-azoto-e-stabilità-delle-microstrutture-degli-acciai-inossidabili "8. Molibdeno, azoto e stabilità delle microstrutture degli acciai inossidabili") - [9. Vanadio, niobio e titanio negli acciai HSLA](/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici#9-vanadio-niobio-e-titanio-negli-acciai-hsla "9. Vanadio, niobio e titanio negli acciai HSLA") - [10. Elementi di Lega e Trasformazione di Fase](/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici#10-elementi-di-lega-e-trasformazione-di-fase "10. Elementi di Lega e Trasformazione di Fase") - [11. Interpretare la Chimica delle Leghe Attraverso le Qualità e le Norme degli Acciai](/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici#11-interpretare-la-chimica-delle-leghe-attraverso-le-qualità-e-le-norme-degli-acciai "11. Interpretare la Chimica delle Leghe Attraverso le Qualità e le Norme degli Acciai") - [12. Un metodo pratico per prevedere l’effetto metallurgico di un elemento](/it/wiki/famiglie-di-acciai/elementi-di-lega-dell-acciaio-e-loro-effetti-metallurgici#12-un-metodo-pratico-per-prevedere-l-effetto-metallurgico-di-un-elemento "12. Un metodo pratico per prevedere l’effetto metallurgico di un elemento") ## 1. Che cosa si considera un elemento di lega nell’acciaio? ### L’acciaio come lega ferro-carbonio La World Steel Association definisce l’acciaio come una lega ferro-carbonio contenente meno del 2% di carbonio. Questo limite è utile, ma non significa che il carbonio sia l’unico elemento a determinare il comportamento dell’acciaio. L’acciaio commerciale contiene comunemente anche manganese, silicio, fosforo, zolfo e ossigeno, oltre a elementi aggiunti intenzionalmente durante la produzione dell’acciaio o trattenuti dalle materie prime, dal rottame, dai materiali refrattari e dai processi di lavorazione. Il carbonio occupa siti interstiziali nel reticolo cristallino del ferro. I suoi atomi sono molto più piccoli degli atomi di ferro, quindi si inseriscono negli spazi tra gli atomi di ferro anziché sostituirli. Anche una concentrazione moderata di carbonio può modificare la costituzione delle fasi e la durezza dell’acciaio, poiché il carbonio stabilizza l’austenite, si combina con il ferro e con altri elementi formando carburi e controlla la quantità e la distribuzione di perlite, bainite, martensite e ferrite che si formano durante il raffreddamento. Posizione tipica nel reticolo e ruolo metallurgico dei principali costituenti selezionati dell’acciaio. | Tipo di elemento o atomo | Posizione nel reticolo | Effetto metallurgico tipico | |---|---|---| | Carbonio | Siti interstiziali | Rafforzamento e controllo della stabilità delle fasi | | Azoto | Siti interstiziali | Rafforzamento e stabilizzazione dell’austenite | | Manganese | Siti sostituzionali | Rafforzamento per soluzione solida e temprabilità | | Nichel | Siti sostituzionali | Stabilizzazione dell’austenite e tenacità alle basse temperature | | Cromo | Siti sostituzionali | Temprabilità, resistenza all’ossidazione e passivazione | La maggior parte degli elementi metallici di lega, al contrario, entra nel ferro per sostituzione: un atomo di ferro nel reticolo viene sostituito da un atomo di manganese, nichel, cromo o di un altro elemento. Questa sostituzione distorce il reticolo e ostacola il movimento delle dislocazioni, producendo un rafforzamento per soluzione solida sostituzionale. Steeluniversity spiega che l’entità di questo effetto è correlata alle dimensioni atomiche, alla comprimibilità, alla valenza chimica e all’elettronegatività, non semplicemente alla percentuale in massa dell’elemento. La stessa concentrazione può quindi produrre effetti diversi sul rafforzamento o sulle trasformazioni in differenti fasi della matrice. #### Modalità d’azione degli elementi di lega - **Soluzione solida** Gli atomi rimangono dispersi nella matrice e deformano il reticolo. - **Precipitazione** Carburi, nitruri o carbonitruri ostacolano il movimento delle dislocazioni. - **Controllo del grano** Le particelle e la deformazione modificano la crescita dei grani e la ricristallizzazione. - **Controllo delle trasformazioni** Gli elementi modificano la stabilità delle fasi, le temperature di trasformazione e la cinetica. La distinzione non è assoluta. Azoto, boro e idrogeno sono piccoli atomi interstiziali, mentre elementi come titanio, niobio e vanadio possono essere disciolti per sostituzione in una fase e successivamente rimossi dalla soluzione sotto forma di carburi, nitruri o carbonitruri. Un elemento di lega può quindi modificare l’acciaio dapprima attraverso la soluzione solida, poi attraverso la precipitazione e infine influenzando la trasformazione di fase. Il modulo di Steeluniversity sugli elementi chimici negli acciai al carbonio identifica silicio, manganese, zolfo, fosforo, alluminio, rame, stagno, cromo, nichel e molibdeno come elementi che influenzano le proprietà o la lavorazione. La loro presenza non produce lo stesso risultato in ogni acciaio. Il manganese può contribuire al rafforzamento per soluzione solida e alla temprabilità, legando al contempo lo zolfo sotto forma di solfuro di manganese. Il silicio può rafforzare la ferrite e agire da disossidante, ma un eccesso di silicio può influire sulla duttilità e sulla trasformazione di fase. Lo zolfo può migliorare la lavorabilità meccanica attraverso la formazione di solfuri, tuttavia le inclusioni allungate di solfuro di manganese possono ridurre la tenacità trasversale e la resistenza a fatica. Cromo, nichel e vanadio mostrano perché a un elemento non si possa attribuire una funzione universale. Il cromo aumenta generalmente la temprabilità e può migliorare la resistenza all’aggressione ad alta temperatura, all’ossidazione e alla corrosione. Il nichel rafforza l’acciaio ferritico e contribuisce a conservare la tenacità a temperature inferiori allo zero. Il vanadio può formare particelle fini di carburo o carbonitruro di vanadio, aumentando la resistenza e influenzando la dimensione dei grani. Il risultato dipende dal fatto che l’elemento rimanga in soluzione, formi una seconda fase, modifichi le temperature di trasformazione oppure interagisca con carbonio e azoto. ### Aggiunte intenzionali, elementi residui e impurità Un elemento di lega viene generalmente identificato in base alla sua funzione metallurgica e non alla sua semplice rilevazione. I produttori di acciaio aggiungono manganese per regolare il comportamento dello zolfo e la temprabilità, alluminio per rimuovere l’ossigeno disciolto e controllare la dimensione dei grani, oppure molibdeno per modificare la temprabilità e la resistenza all’addolcimento associato al rinvenimento. In un acciaio microlegato, aggiunte molto ridotte di niobio, titanio o vanadio possono controllare la ricristallizzazione o produrre un rafforzamento per precipitazione. Si tratta di aggiunte intenzionali perché la composizione e il processo vengono scelti in funzione dei loro effetti. Gli elementi residui sono diversi. Rame, nichel, cromo, stagno e molibdeno possono entrare nella colata provenendo da acciaio riciclato o da altri materiali di carica, senza essere aggiunti per lo scopo progettuale principale del prodotto. Un elemento residuo non è necessariamente innocuo. Rame e stagno possono contribuire alla formazione di cricche superficiali durante la lavorazione a caldo; cromo e nichel possono modificare la temprabilità e il comportamento nelle trasformazioni anche quando non erano stati specificati come principali aggiunte di lega. Il fatto che un residuo diventi un’impurità dipende dal tipo di acciaio, dal suo limite consentito e dal suo effetto sulla produzione o sull’esercizio. “Impurità” è quindi un termine dipendente dal contesto. Il fosforo è spesso limitato perché può segregare e ridurre la tenacità, in particolare se combinato con condizioni di raffreddamento o rinvenimento non appropriate. Lo zolfo può essere indesiderabile in una lamiera per recipienti a pressione, ma volutamente aumentato e controllato negli acciai a lavorabilità migliorata. L’ossigeno è necessario per descrivere le reazioni della produzione dell’acciaio, tuttavia un eccesso di ossigeno disciolto favorisce la formazione di inclusioni di ossidi. La domanda rilevante non è semplicemente se un elemento sia presente, ma dove si trovi, in quale forma chimica e se tale forma favorisca o danneggi il ciclo di lavorazione previsto. #### La composizione non equivale alla distribuzione L’analisi chimica globale non evidenzia la segregazione ai bordi dei dendriti, ai bordi di grano, alle interfacce o nelle inclusioni. La chimica locale può controllare il comportamento di trasformazione, l’infragilimento e la corrosione. Una differenza dell’1% nella concentrazione di un elemento di lega può modificare sostanzialmente il comportamento delle trasformazioni di fase. Limited evidence Gli elementi possono segregare durante la solidificazione. La loro concentrazione ai bordi dei dendriti, ai bordi dei grani o alle interfacce può differire dall’analisi chimica globale riportata per la colata. La segregazione ai bordi dei grani può modificare i siti di nucleazione, la suscettibilità all’infragilimento e i meccanismi di trasformazione. Nippon Steel riferisce che il comportamento di trasformazione di fase dell’acciaio può variare sostanzialmente anche con una differenza di appena l’1% nella concentrazione degli elementi di lega, mentre le distribuzioni ai bordi e alle interfacce possono produrre ulteriori variazioni. Una composizione nominale è una media, non una mappa del materiale. Ciò è particolarmente evidente negli acciai HSLA. Il niobio può sopprimere la ricristallizzazione dell’austenite durante la laminazione a caldo, consentendo alla deformazione di affinare la struttura finale della ferrite. Il titanio forma precipitati stabili di TiN che controllano la dimensione dei grani di austenite durante il riscaldo. Il vanadio forma precipitati fini di VC o V(C,N) che aumentano il carico di snervamento dopo un opportuno trattamento termomeccanico. Se il riscaldo dissolve una quantità eccessiva di TiN, se la laminazione avviene al di fuori dell’intervallo di temperatura previsto oppure se i livelli di carbonio e azoto sono diversi, la stessa aggiunta nominale non produrrà la stessa microstruttura. L’acciaio inossidabile offre un altro esempio. Il cromo è necessario per formare una sottile pellicola passiva aderente di ossido di cromo; non è semplicemente un generico ingrediente “che impedisce la corrosione”. Nichel, molibdeno, azoto, carbonio e aggiunte stabilizzanti come titanio o niobio influenzano la stabilità dell’austenite, la resistenza, l’incrudimento, la resistenza alla corrosione localizzata, la sensibilizzazione e la formazione di fasi secondarie. Il carbonio combinato con il cromo può produrre carburi di cromo ai bordi dei grani durante un’esposizione termica non appropriata, impoverendo di cromo le regioni vicine. Titanio o niobio possono legare il carbonio e ridurre tale rischio, ma possono introdurre a loro volta problematiche relative alla precipitazione e alla fabbricazione. ### Perché la concentrazione e la specifica sono importanti Una specifica dell’acciaio definisce più di un semplice elenco di elementi. Stabilisce gli intervalli di composizione, i limiti per gli elementi residui, le proprietà meccaniche, la condizione di fornitura, il trattamento termico e talvolta i requisiti relativi alla dimensione dei grani o alle inclusioni. EN 10025-2 S355J2 e ASTM A709/A709M Grade 50, per esempio, non possono essere valutati in base al solo contenuto di carbonio; la loro composizione chimica e il ciclo di lavorazione specificati sono alla base di determinati requisiti di resistenza e tenacità. Le designazioni dei gradi non eliminano la variabilità all’interno dell’intervallo consentito. La concentrazione modifica la stabilità delle fasi e la cinetica delle trasformazioni. Cromo, nichel, manganese, carbonio e molibdeno possono spostare le temperature alle quali si formano ferrite, perlite, bainite o martensite. Una velocità di raffreddamento che produce ferrite-perlite in una composizione può produrre bainite o martensite in un’altra. Anche la storia termica è altrettanto importante: colata, laminazione a caldo, normalizzazione, tempra, rinvenimento e saldatura modificano la dissoluzione, la ricristallizzazione, la precipitazione, la dimensione dei grani e la segregazione. Per questo motivo, “contiene vanadio” non significa “è rafforzato per precipitazione” e “contiene cromo” non significa “è inossidabile”. L’elemento deve essere presente a una concentrazione adeguata, nella fase o nel composto corretto e all’interno di una storia di processo che consenta la reazione prevista. La presenza chimica è il punto di partenza dell’analisi. La funzione metallurgica viene stabilita soltanto considerando insieme composizione, distribuzione, costituzione delle fasi e processo di lavorazione. ## 2. I principali meccanismi attraverso i quali gli elementi modificano l’acciaio L’effetto di un elemento di lega non è una proprietà fissa associata al suo simbolo nella tavola periodica. Dipende dalla quantità presente, dalla posizione occupata dai suoi atomi, dalle fasi stabili, dal fatto che essi si dissolvano o precipitino e dalla storia termica e meccanica a cui l’acciaio è stato sottoposto. Una piccola aggiunta può modificare le temperature di trasformazione, mentre lo stesso elemento a una concentrazione più elevata può produrre una seconda fase, alterare il comportamento alla corrosione o ridurre la duttilità. La World Steel Association definisce l’acciaio come una lega ferro–carbonio contenente meno del 2% di carbonio. Il manganese è comunemente presente, insieme a quantità minori di silicio, fosforo, zolfo e ossigeno. Steeluniversity identifica inoltre silicio, manganese, zolfo, fosforo, alluminio, rame, stagno, cromo, nichel e molibdeno come elementi che influenzano la resistenza, la duttilità, la tenacità, la lavorabilità, la temprabilità, la dimensione dei grani e la risposta ai trattamenti termici. Questi effetti derivano da tre meccanismi connessi: gli atomi possono rafforzare il reticolo cristallino esistente, nuove particelle possono ostacolare il moto delle dislocazioni ed elementi possono modificare i grani, le interfacce, la segregazione e le trasformazioni di fase. ![Elementi di lega dell'acciaio e loro effetti metallurgici](/images/uploads/7ef7c5a0-540a-43d2-a60d-38a2e65331cf/wiki-inline-a-comparison-of-interstitial-carbon-and-nitrogen-atoms-with-substitutional-manga-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/7ef7c5a0-540a-43d2-a60d-38a2e65331cf/wiki-inline-a-comparison-of-interstitial-carbon-and-nitrogen-atoms-with-substitutional-manga-2027x2560.avif "Ingrandisci immagine — Elementi di lega dell'acciaio e loro effetti metallurgici")Interstitial and substitutional atoms strengthen iron through different lattice distortions. ### Rafforzamento per soluzione solida Rafforzamento per soluzione solida **Rafforzamento per soluzione solida** Rafforzamento causato dagli atomi di soluto che deformano il reticolo del ferro e ostacolano il movimento delle dislocazioni. Il rafforzamento per soluzione solida si verifica quando gli atomi di lega rimangono dispersi all’interno di una fase metallica anziché formare un composto separato. Il carbonio e l’azoto occupano siti interstiziali tra gli atomi di ferro. Le loro dimensioni ridotte rispetto agli spazi disponibili producono grandi deformazioni locali; per questo il carbonio interstiziale è un potente elemento di rafforzamento nella ferrite. Gli atomi sostituzionali rimpiazzano gli atomi di ferro nei normali siti del reticolo. Manganese, silicio, nichel, cromo e molibdeno agiscono comunemente in questo modo, sebbene la loro distribuzione finale dipenda dalla temperatura, dalla composizione e dalla costituzione delle fasi. Steeluniversity descrive il rafforzamento sostituzionale come una conseguenza della distorsione del reticolo cristallino. Un atomo più grande o più piccolo del ferro esercita una spinta o una trazione sugli atomi vicini, creando attorno a sé un campo di tensione. Anche le dislocazioni sono associate a campi di tensione. Quando una dislocazione incontra la regione distorta, il suo movimento richiede una tensione applicata aggiuntiva; di conseguenza, aumenta il carico di snervamento. L’effetto non è determinato soltanto dal raggio atomico. Steeluniversity lo mette in relazione con le dimensioni atomiche, la comprimibilità, la valenza chimica e l’elettronegatività. La comprimibilità influisce sulla facilità con cui il reticolo circostante può adattarsi a un’impurezza, mentre la valenza e l’elettronegatività influenzano la natura e la forza del legame tra il soluto e il ferro. Questa distinzione è importante quando si confrontano acciai nominalmente simili. Il silicio può rafforzare notevolmente la ferrite, riducendo al contempo la solubilità del carbonio e modificando il comportamento durante la disossidazione. Il manganese rafforza la ferrite e ritarda alcune reazioni di trasformazione, ma si combina anche con lo zolfo formando solfuro di manganese, invece di consentire lo sviluppo di reticoli fragili di solfuro di ferro. Il nichel rafforza l’acciaio ferritico e può preservarne la tenacità a temperature inferiori allo zero, mentre il cromo aumenta la temprabilità e contribuisce alla resistenza alle alte temperature, alla corrosione e all’ossidazione. Queste affermazioni descrivono tendenze, non risultati garantiti. Il cromo disciolto nella ferrite non produce lo stesso effetto del cromo legato nei carburi, e il nichel in un acciaio inossidabile austenitico ha una conseguenza strutturale diversa rispetto al nichel in un acciaio ferritico basso-legato. Il rafforzamento per soluzione solida differisce inoltre dal semplice aumento del carbonio. Una maggiore quantità di carbonio disciolto può aumentare notevolmente la resistenza, ma un eccesso di carbonio può ridurre la saldabilità, favorire la formazione di cementite o di altri carburi e modificare la formazione della martensite. La quantità utile di un elemento è quindi limitata dalla stabilità delle fasi e dalle condizioni di processo. ### Precipitazione e formazione dei carburi Il rafforzamento per precipitazione agisce attraverso piccole particelle disperse in una matrice. Queste particelle ostacolano le dislocazioni, costringendole a tagliare il precipitato oppure a incurvarsi attorno ad esso. La resistenza dipende dalla frazione volumica, dalle dimensioni, dalla spaziatura, dalla coerenza e dalla distribuzione delle particelle. Una popolazione fine e ravvicinata può aumentare notevolmente il carico di snervamento; le particelle grossolane offrono un ostacolo minore e possono diventare siti di innesco delle cricche. La formazione dei carburi è un’importante forma di precipitazione. Cromo, molibdeno, vanadio, niobio e titanio possono combinarsi con il carbonio, mentre titanio, niobio e vanadio possono formare anche carbonitruri. Il carburo di vanadio, VC, e il carbonitruro di vanadio, V(C,N), sono precipitati fini che aumentano il carico di snervamento negli acciai HSLA, secondo AZoM. Il loro contributo al rafforzamento dipende dal momento in cui si formano. Le particelle precipitate durante la laminazione o dopo di essa possono ostacolare le dislocazioni, ma quelle che ingrossano durante un riscaldamento prolungato perdono efficacia. Sequenza di lavorazione che governa dissoluzione, ricristallizzazione, precipitazione, trasformazione e rinvenimento. #### Sequenza di lavorazione degli acciai altoresistenziali basso-legati 1. **Riscaldamento** Il nitruro di titanio può limitare la crescita dei grani di austenite. 2. **Laminazione a caldo** Il niobio può sopprimere la ricristallizzazione dell’austenite e conservare la deformazione. 3. **Raffreddamento** La trasformazione della ferrite e la precipitazione del carbonitruro di vanadio sviluppano la struttura finale. Il ciclo termico controlla questo meccanismo. Durante la laminazione a caldo dell’acciaio HSLA, il niobio inibisce la ricristallizzazione dell’austenite, consentendo l’accumulo della deformazione e producendo una struttura di trasformazione più fine. Il titanio forma precipitati stabili di nitruro di titanio, TiN, che controllano la dimensione dei grani di austenite durante il riscaldamento. Queste funzioni differiscono dalla successiva precipitazione di VC o V(C,N) fini. Un acciaio contenente tutti e tre gli elementi non riceve tre aggiunte indipendenti; ciascun elemento modifica le condizioni di temperatura e composizione sperimentate dagli altri. I carburi possono inoltre rimuovere dalla soluzione solida elementi di lega utili. I carburi di cromo ai bordi dei grani di austenite possono ridurre localmente il cromo nelle zone adiacenti al bordo, causando sensibilizzazione e diminuendo la resistenza alla corrosione intergranulare negli acciai inossidabili suscettibili. Aggiunte stabilizzanti come titanio o niobio possono legare preferenzialmente il carbonio, riducendo la formazione di carburi di cromo. Il molibdeno può migliorare la resistenza alla corrosione localizzata in composizioni adatte di acciai inossidabili, mentre l’azoto può rafforzare l’austenite e influenzare la resistenza alla vaiolatura; tuttavia, se viene superata la solubilità, l’azoto può anche favorire la formazione di nitruri o di altre fasi secondarie. I principali meccanismi di rafforzamento e di controllo della microstruttura sono distinti, ma possono agire contemporaneamente. | Meccanismo | Ostacolo o variazione principale | Variabili di controllo tipiche | |---|---|---| | Rafforzamento per soluzione solida | Deformazione del reticolo | Concentrazione del soluto e caratteristiche atomiche | | Rafforzamento per precipitazione | Particelle fini che ostacolano le dislocazioni | Dimensione delle particelle, spaziatura, coerenza e frazione volumica | | Affinamento del grano | Bordi di grano che ostacolano le dislocazioni | Riscaldamento, deformazione, ricristallizzazione e raffreddamento | | Controllo delle trasformazioni | Variazione delle frazioni di fase o dei prodotti di trasformazione | Composizione, velocità di raffreddamento e storia termica | Il rafforzamento per precipitazione deve essere distinto dal rafforzamento per soluzione solida e dal controllo della dimensione dei grani. Un atomo disciolto distorce il reticolo della fase madre. Un precipitato crea al suo interno una barriera fisica. L’affinamento dei grani aumenta la resistenza perché i bordi dei grani ostacolano il moto delle dislocazioni, come generalmente rappresentato dalla relazione di Hall–Petch. Questi contributi possono verificarsi insieme, ma non sono intercambiabili. Un trattamento termico che aumenta le dimensioni delle particelle può ridurre il rafforzamento per precipitazione anche lasciando invariata l’analisi chimica complessiva. ### Affinamento dei grani, segregazione e interfacce I bordi dei grani non sono linee passive in una micrografia. Sono regioni caratterizzate da impacchettamento atomico, composizione chimica, velocità di diffusione e comportamento durante le trasformazioni di fase differenti. I grani fini migliorano generalmente la resistenza e spesso migliorano anche la tenacità, limitando la distanza sulla quale possono propagarsi la frattura per clivaggio o altre forme di deformazione localizzata. La dimensione dei grani è determinata dalla solidificazione, dal riscaldamento, dalla deformazione, dalla ricristallizzazione e dalla trasformazione. Il bloccaggio esercitato dal nitruro di titanio, la ricristallizzazione controllata dal niobio e la precipitazione del vanadio possono quindi influenzare le proprietà sia attraverso le particelle sia attraverso la struttura dei grani. La segregazione complica qualsiasi interpretazione basata soltanto sulla composizione media indicata nel certificato di colata. Durante la solidificazione, gli elementi si ripartiscono tra le fasi liquide e solide. Manganese, zolfo, fosforo, carbonio e gli elementi di lega possono concentrarsi nelle regioni interdendritiche o ai bordi dei grani. La successiva laminazione e il trattamento termico possono ridurre, ridistribuire o conservare queste variazioni. Un bordo arricchito di un’impurezza può trasformarsi a una velocità diversa rispetto all’interno del grano; un bordo impoverito di cromo può diventare una regione sensibile alla corrosione anche quando il contenuto complessivo di cromo soddisfa il grado nominale. Nippon Steel riferisce che il comportamento durante le trasformazioni di fase può variare considerevolmente anche con una differenza di appena l’1% nella concentrazione di un elemento di lega. Questa osservazione mette in guardia dal considerare equivalenti dal punto di vista chimico gli intervalli di composizione. Una variazione di un punto percentuale può spostare le temperature di trasformazione, modificare la temprabilità, cambiare la frazione di ferrite, perlite, bainite o martensite e modificare la forza motrice della precipitazione. Le differenze locali possono essere ancora più importanti della media quando la segregazione concentra un elemento in corrispondenza di un’interfaccia. Cromo, nichel e vanadio mostrano perché la costituzione delle fasi e il processo debbano essere considerati congiuntamente. Il cromo può rimanere disciolto, formare carburi ricchi di cromo o contribuire alla pellicola passiva di ossido di cromo sulla superficie di un acciaio inossidabile. Il nichel può stabilizzare l’austenite, rafforzare la ferrite e preservare la tenacità alle basse temperature. Il vanadio può rimanere in soluzione durante il riscaldamento e formare successivamente VC o V(C,N), oppure può formare particelle più grossolane che contribuiscono poco alla resistenza. Il risultato finale dipende dalla velocità di raffreddamento, dal ciclo di deformazione, dalla temperatura di riscaldamento, dal tempo di mantenimento e dal successivo trattamento termico. La composizione chimica dell’acciaio è quindi una condizione iniziale, non una spiegazione completa. Le prestazioni derivano dall’interazione tra composizione, deformazione del reticolo, popolazione dei precipitati, struttura dei grani, segregazione, interfacce e storia di processo. Per questo due acciai con analisi nominali simili possono presentare curve di trasformazione, microstrutture e proprietà meccaniche differenti. ## 3. Il carbonio: il principale elemento interstiziale di lega Il carbonio è il principale elemento interstiziale di lega negli acciai. La World Steel Association definisce l’acciaio come una lega ferro–carbonio contenente meno del 2% di carbonio, con manganese e quantità minori di silicio, fosforo, zolfo e ossigeno. Questa definizione identifica il carbonio come elemento centrale, ma non come ingrediente isolato: lo stesso contenuto di carbonio può produrre strutture e proprietà diverse quando cambiano il cromo, il nichel, il manganese, il molibdeno o la storia termica. Gli atomi di carbonio sono molto più piccoli degli atomi di ferro, quindi occupano gli spazi tra gli atomi di ferro anziché sostituirli nel reticolo metallico. Ciò differisce dalla formazione di leghe per sostituzione, nella quale un elemento come il manganese o il nichel sostituisce un atomo di ferro e deforma il reticolo. Steeluniversity spiega che il rafforzamento per sostituzione dipende dalle dimensioni atomiche, dalla comprimibilità, dalla valenza chimica e dall’elettronegatività. Il carbonio interstiziale produce una distorsione locale particolarmente intensa perché occupa siti affollati nel reticolo del ferro, ostacolando il movimento delle dislocazioni e modificando la stabilità delle fasi circostanti. ### Contenuto di carbonio e trasformazione di fase Il carbonio modifica le fasi del ferro che possono esistere e la velocità con cui si formano. La ferrite ha un reticolo cubico a corpo centrato e dissolve solo una piccola quantità di carbonio. L’austenite ha un reticolo cubico a facce centrate e può accogliere una quantità di carbonio considerevolmente maggiore, poiché i suoi siti interstiziali sono più favorevoli. Il riscaldamento dell’acciaio fino alla regione austenitica consente quindi al carbonio di ridistribuirsi, mentre il raffreddamento determina se l’austenite si trasformerà in ferrite, perlite, bainite o martensite. La cementite, o carburo di ferro Fe₃C, è un composto ricco di carbonio che compare comunemente insieme alla ferrite nella perlite e in altre strutture contenenti carburi. La sua distribuzione è importante quanto la sua presenza. Le particelle fini di cementite ostacolano il movimento delle dislocazioni e aumentano la resistenza; le particelle grossolane e le reti continue di carburi possono ridurre la tenacità o creare percorsi preferenziali per la frattura. La martensite si forma quando l’austenite si raffredda abbastanza rapidamente da sopprimere le trasformazioni controllate dalla diffusione. Il carbonio rimane intrappolato nel reticolo del ferro, producendo una struttura tetragonale a corpo centrato deformata. Quanto maggiore è la supersaturazione di carbonio, tanto maggiore è la distorsione del reticolo e la durezza potenziale; tuttavia, l’austenite trattenuta, la dimensione dei grani di austenite preesistente, il rinvenimento e gli altri elementi di lega determinano il risultato finale. La martensite non è semplicemente «ferro indurito dal carbonio». È il prodotto di uno specifico percorso di trasformazione. Il rapporto di Nippon Steel avverte che il comportamento di trasformazione delle fasi dell’acciaio può variare sostanzialmente anche con una differenza di appena l’1% nella concentrazione degli elementi di lega. La composizione varia inoltre localmente a causa della segregazione e dell’arricchimento alle interfacce; pertanto, un’analisi nominale non descrive ogni regione di un componente colato, laminato, saldato o trattato termicamente. Il manganese, il cromo, il nichel e il molibdeno possono spostare le temperature di trasformazione e ritardare la formazione di ferrite, perlite o bainite. Modificano quindi la velocità di raffreddamento necessaria per ottenere martensite, anche quando il carbonio rimane costante. ### Resistenza, duttilità, saldabilità e temprabilità L’aumento del carbonio incrementa generalmente la durezza e la resistenza raggiungibili dagli acciai ferritico-perlitici, aumentando il contenuto di perlite o di carburi e rafforzando la ferrite tra tali costituenti. Aumenta inoltre il carbonio disponibile per la formazione della martensite. Il costo è solitamente una minore duttilità, una minore tenacità all’urto e una maggiore sensibilità alla criccatura quando la microstruttura diventa dura e fragile. Il contenuto di carbonio e la temprabilità sono correlati, ma non identici. Il carbonio controlla la durezza che la martensite può raggiungere; il manganese, il cromo, il nichel e il molibdeno favoriscono la temprabilità ritardando le trasformazioni diffusionali a maggiore profondità sotto la superficie temprata. Un acciaio con un contenuto moderato di carbonio e adeguate aggiunte di elementi di lega può indurirsi attraverso una sezione più spessa rispetto a un acciaio a più alto tenore di carbonio con un limitato supporto degli elementi di lega, pur raggiungendo una durezza massima della martensite diversa. Devono essere considerati la severità della tempra, le dimensioni della sezione, la temperatura di austenitizzazione, la dimensione dei grani e il rinvenimento. Il rinvenimento dimostra perché al carbonio non possa essere attribuito un unico effetto permanente. La martensite temprata è dura perché il carbonio è intrappolato in un reticolo supersaturo. Durante il rinvenimento, il carbonio diffonde e forma carburi di transizione o cementite, riducendo le tensioni interne e la durezza, ma migliorando la tenacità e la stabilità dimensionale. Il molibdeno può modificare le reazioni dei carburi e la resistenza al rinvenimento; il cromo può contribuire alla formazione di carburi di lega. Il vanadio, il niobio e il titanio possono formare carburi o carbonitruri molto stabili, invece di lasciare tutto il carbonio disponibile per la formazione di cementite. #### Precauzioni nella saldatura Nella zona termicamente alterata può formarsi martensite dura e l’idrogeno diffusibile può favorire la criccatura a freddo. Possono essere necessari il preriscaldamento, un apporto termico controllato, procedure a basso contenuto di idrogeno e un trattamento termico post-saldatura. La saldabilità generalmente diminuisce all’aumentare del carbonio e della temprabilità. La zona termicamente alterata può raffreddarsi formando martensite dura, dopodiché l’idrogeno diffusibile può favorire la criccatura a freddo. Il manganese, il cromo, il molibdeno e il nichel contribuiscono a questa risposta di trasformazione; per questo, nella pratica della saldatura si utilizza spesso una valutazione del carbonio equivalente anziché considerare il solo carbonio. A seconda del grado e dello spessore, possono essere necessari il preriscaldamento, un apporto termico controllato, procedure a basso contenuto di idrogeno e un trattamento termico post-saldatura. Il carbonio interagisce inoltre con le pratiche di microalligazione negli acciai HSLA. Il niobio sopprime la ricristallizzazione dell’austenite durante la laminazione a caldo, il titanio forma precipitati stabili di TiN che controllano la dimensione dei grani durante il riscaldamento, mentre il vanadio forma precipitati fini di VC o V(C,N) che aumentano il carico di snervamento, come descritto da AZoM. La quantità di carbonio influisce sulla composizione, sulla frazione volumica e sulla stabilità di tali precipitati. Una piccola variazione composizionale può quindi modificare sia il comportamento di trasformazione sia il rafforzamento per precipitazione. ### Il carbonio nelle designazioni degli acciai inossidabili e degli acciai legati I gradi di acciaio inossidabile mostrano con particolare chiarezza perché il carbonio debba essere interpretato insieme al resto del sistema di lega. Il cromo favorisce la formazione di una pellicola passiva protettiva di ossido di cromo, ma il carbonio può reagire con il cromo durante l’esposizione in un intervallo di temperature sensibilizzanti, formando M₂₃C₆ ricco di cromo, comunemente rappresentato come Cr₂₃C₆, ai bordi dei grani. Il metallo adiacente può impoverirsi di cromo e diventare più vulnerabile alla corrosione intergranulare. I gradi a basso tenore di carbonio, come ASTM A240 Type 304L e Type 316L, riducono questo rischio rispetto alle corrispondenti varianti a tenore di carbonio standard, a condizione che siano controllate anche le condizioni di fabbricazione e di esercizio. La designazione «L» significa basso tenore di carbonio; non significa che il carbonio non abbia alcun ruolo metallurgico. Nella nomenclatura ASTM e UNS, Type 304L corrisponde a UNS S30403, mentre Type 316L corrisponde a UNS S31603. Designazioni comuni come Type 304 e Type 316 devono comunque essere interpretate insieme alla norma di prodotto applicabile, al trattamento termico e all’analisi effettiva della colata. Il nichel stabilizza l’austenite in questi gradi, il molibdeno migliora la resistenza alla corrosione localizzata nelle composizioni Type 316 e l’azoto può rafforzare l’acciaio inossidabile austenitico influendo al contempo sulla stabilità delle fasi. Gli elementi stabilizzanti offrono un ulteriore approccio. Il titanio o il niobio possono combinarsi preferenzialmente con il carbonio, formando TiC o NbC e lasciando meno carbonio disponibile per formare carburi di cromo. Gradi come Type 321 e Type 347 utilizzano questo principio, sebbene la stabilizzazione non elimini la necessità di un trattamento termico adeguato. Gli acciai inossidabili ferritici e duplex presentano limiti diversi: il carbonio può favorire la formazione di carburi, alterare l’equilibrio ferrite–austenite e contribuire alla formazione di fasi secondarie che compromettono la resistenza alla corrosione o la tenacità. Nelle designazioni degli acciai legati, il carbonio può comparire attraverso sistemi numerici come SAE 1045, ma la designazione non costituisce una previsione completa delle prestazioni. Il cromo, il nichel, il manganese, il molibdeno e i processi di lavorazione determinano se quel carbonio produrrà perlite, bainite, martensite, carburi di lega o austenite trattenuta. Il carbonio è il principale elemento interstiziale, non una manopola di controllo isolata. ## 4. Manganese e silicio negli acciai al carbonio semplice e basso-legati La World Steel Association definisce l’acciaio come una lega ferro–carbonio contenente meno del 2% di carbonio, nella quale sono comunemente presenti manganese e quantità minori di silicio, fosforo, zolfo e ossigeno. Questa definizione descrive una famiglia di materiali, non una composizione fissa. Il modulo sugli acciai al carbonio semplice di Steeluniversity identifica il manganese e il silicio, insieme a zolfo, fosforo, alluminio, rame, stagno, cromo, nichel e molibdeno, come elementi in grado di influenzare resistenza, duttilità, tenacità, lavorabilità, temprabilità, dimensione dei grani e risposta ai trattamenti termici. I loro effetti sono condizionati. Un’aggiunta di manganese in un grado strutturale a basso tenore di carbonio non produce la stessa microstruttura della medesima aggiunta in un acciaio a medio tenore di carbonio temprato e rinvenuto. ### Il manganese come contributo alla resistenza e alla temprabilità Il manganese è solitamente presente negli acciai al carbonio comuni sia come elemento di lega sia come aggiunta per il controllo dello zolfo. Nella ferrite, fornisce un rafforzamento per soluzione solida sostituzionale: gli atomi di manganese sostituiscono gli atomi di ferro nel reticolo, producendo deformazioni locali che ostacolano il movimento delle dislocazioni. Steeluniversity descrive questa classe di rafforzamento come conseguenza della distorsione del reticolo cristallino, la cui entità è influenzata dalle dimensioni atomiche, dalla comprimibilità, dalla valenza chimica e dall’elettronegatività. L’aumento di resistenza che ne deriva non è indipendente dal tenore di carbonio, dalla dimensione dei grani o dalla lavorazione. Un acciaio contenente manganese, quindi, può mostrare valori diversi di resistenza e duttilità anche quando la sua analisi chimica è invariata, a seconda che sia stato normalizzato, temprato o sottoposto a forte incrudimento a freddo. Il manganese aumenta inoltre la temprabilità. Ritarda le trasformazioni per diffusione dell’austenite in ferrite e perlite, consentendo a una frazione maggiore di austenite di trasformarsi in bainite o martensite durante il raffreddamento. Per questo il manganese è importante nei gradi a medio tenore di carbonio destinati alla tempra e al rinvenimento, nonché negli acciai strutturali basso-legati nei quali lo spessore della sezione rende difficile ottenere una tempra completa. Il beneficio ha tuttavia dei limiti. Un eccesso di manganese può favorire la segregazione durante la solidificazione, in particolare nelle grandi sezioni colate, e può contribuire alla formazione di strutture ferrite–perlite bandate dopo la laminazione. Una simile bandatura chimica può produrre differenze direzionali nella tenacità, nell’allungamento e nel comportamento alla frattura. Il manganese è anche uno stabilizzatore dell’austenite. Può abbassare le temperature di trasformazione e modificare la temperatura di inizio della trasformazione martensitica; pertanto, la velocità di tempra e il ciclo di rinvenimento selezionati non possono essere dedotti dal solo tenore di carbonio. In un grado come ASTM A572 Grade 50, il manganese contribuisce alla resistenza e alla risposta alla lavorazione, ma le proprietà meccaniche specificate dipendono ancora dalla pratica di laminazione, dallo spessore della lamiera, dal raffreddamento e dalla composizione complessiva. Analogamente, ASTM A36 non può essere interpretato in base al suo tenore di manganese come se questo elemento, da solo, determinasse la saldabilità o la tenacità. Il comportamento dei grani aggiunge un’ulteriore precisazione. Il manganese può influenzare la crescita dei grani di austenite e la cinetica di trasformazione, ma non sostituisce la laminazione controllata, la normalizzazione o la precipitazione controllata di microleganti. L’affinamento dei grani migliora generalmente la resistenza allo snervamento e la tenacità alla frattura attraverso la relazione di Hall–Petch, mentre i grani grossolani riducono solitamente la tenacità alle basse temperature. La struttura finale dei grani dipende dalla temperatura di riscaldo, dalla deformazione, dalla velocità di raffreddamento e dalle interazioni con carbonio, azoto, alluminio, niobio o titanio. ### Il silicio nella disossidazione e nel rafforzamento della ferrite Il silicio svolge due funzioni particolarmente importanti. In primo luogo, viene utilizzato come disossidante durante la produzione dell’acciaio. L’ossigeno disciolto può reagire con il carbonio durante la solidificazione formando monossido di carbonio, con conseguente formazione di porosità gassosa e altri difetti. Il silicio reagisce con l’ossigeno formando ossidi contenenti silice e contribuisce a ridurre la quantità di ossigeno disciolto disponibile per tale reazione. L’efficacia di questa pratica dipende dall’intero sistema di disossidazione: contano tutti l’alluminio, il manganese, il potenziale di ossigeno, la pratica di gestione della scoria e la rimozione delle inclusioni. L’espressione “acciaio calmato al silicio” descrive pertanto una condizione di processo e di disossidazione, non una microstruttura garantita. In secondo luogo, il silicio rafforza la ferrite per soluzione solida sostituzionale. Distorsiona il reticolo del ferro e aumenta la resistenza al movimento delle dislocazioni, incrementando spesso la resistenza allo snervamento senza aggiungere carbonio. Ciò può essere utile quando è richiesta una maggiore resistenza senza la completa perdita di saldabilità e duttilità associata a un forte aumento del tenore di carbonio. Il silicio influenza inoltre le trasformazioni di fase e la formazione dei carburi. In diversi sistemi di trattamento termico ritarda la precipitazione della cementite e modifica l’equilibrio tra ferrite, perlite, bainite e austenite trattenuta. Di conseguenza, lo stesso tenore di silicio può favorire una struttura desiderata e complicarne un’altra. Il silicio non è automaticamente vantaggioso per la tenacità. Una maggiore resistenza può ridurre l’allungamento uniforme, mentre le inclusioni non metalliche grossolane formatesi durante la disossidazione possono diventare siti di innesco delle cricche se non vengono controllate. Il silicio può inoltre influenzare la risposta al rinvenimento e l’ossidazione superficiale durante il riscaldo. La questione rilevante non è se il silicio “aumenti la resistenza”, ma se il suo effetto di rafforzamento, la popolazione di inclusioni e il comportamento durante le trasformazioni siano adeguati al tenore di carbonio e alla storia termica dell’acciaio. ### Interazioni con zolfo, carbonio e trattamento termico L’interazione più evidente del manganese è quella con lo zolfo. Lo zolfo si combina preferenzialmente con il manganese formando solfuro di manganese, MnS, invece di permettere al solfuro di ferro di rimanere concentrato ai bordi dei grani. Il solfuro di ferro può produrre fragilità a caldo durante la laminazione, poiché pellicole a basso punto di fusione indeboliscono i bordi. Il MnS riduce tale pericolo, ma le inclusioni non sono innocue: i solfuri allungati prodotti dalla laminazione possono ridurre la duttilità trasversale e la tenacità all’urto e possono agire come siti di innesco della fatica o della criccatura assistita dall’idrogeno. Il trattamento con calcio, il controllo della forma delle inclusioni e la riduzione di laminazione possono modificare l’effetto senza cambiare l’analisi dello zolfo totale. Il carbonio determina l’entità delle conseguenze di entrambi gli elementi. A basso tenore di carbonio, manganese e silicio modificano principalmente la resistenza della ferrite, la frazione di perlite, la saldabilità e le temperature di trasformazione. A tenori di carbonio medi o elevati, il manganese aumenta la temprabilità, mentre il silicio può modificare la precipitazione dei carburi e il comportamento durante il rinvenimento. La tempra può quindi produrre martensite attraverso una sezione che altrimenti formerebbe perlite, ma l’aumento della durezza comporta un rischio maggiore di criccatura da tempra, se il rinvenimento e il raffreddamento non sono controllati. La storia di lavorazione può avere un peso maggiore di una semplice regola composizionale. La normalizzazione affina e ristabilisce la struttura; la ricottura riduce la durezza; la tempra sopprime i prodotti di trasformazione per diffusione; il rinvenimento sacrifica una parte della durezza a favore della tenacità e della stabilità dimensionale. La temperatura di laminazione e la velocità di raffreddamento determinano se la segregazione del manganese diventerà visibile sotto forma di bande e se gli acciai contenenti silicio formeranno la struttura ferrite–perlite o bainitica prevista. Il rapporto di Nippon Steel avverte che il comportamento durante le trasformazioni di fase può variare sostanzialmente anche con una differenza di appena l’1% nella concentrazione degli elementi di lega, mentre la segregazione ai bordi dei grani e alle interfacce può modificare i meccanismi di trasformazione. Effetti utili e rischi di lavorazione delle comuni aggiunte non carboniose. | Elemento | Effetto utile | Possibile limitazione | |---|---|---| | Manganese | Rafforzamento per soluzione solida, controllo dello zolfo e temprabilità | La segregazione e la struttura a bande possono ridurre la tenacità direzionale | | Silicio | Disossidazione e rafforzamento ferritico | Un eccesso può influire sulla duttilità, sulle inclusioni e sulle trasformazioni | | Zolfo | Miglioramento della lavorabilità meccanica attraverso MnS | Le inclusioni allungate possono ridurre la tenacità trasversale | | Fosforo | Rafforzamento per soluzione solida | La segregazione può ridurre la duttilità e la tenacità all’urto | | Alluminio | Disossidazione e controllo del grano attraverso AlN | Eccesso di inclusioni di ossido o alterazione del comportamento durante la colata | Questa sensibilità spiega perché le tabelle composizionali debbano essere lette insieme alle norme, alla pratica siderurgica e al trattamento termico. Il manganese e il silicio sono elementi influenti, come afferma Steeluniversity, ma nessuno dei due presenta una direzione d’effetto garantita per ogni proprietà. Il controllo dell’ossigeno, la morfologia dei solfuri, il tenore di carbonio, la segregazione, la dimensione dei grani e il percorso termico determinano ciò che questi elementi fanno effettivamente nell’acciaio finito. ## 5. Zolfo, fosforo, alluminio, rame e stagno: effetti utili e rischi metallurgici La World Steel Association definisce l’acciaio come una lega ferro–carbonio contenente meno del 2% di carbonio, nella quale sono comunemente presenti anche manganese e quantità minori di silicio, fosforo, zolfo e ossigeno. Queste aggiunte “minori” possono comunque modificare il comportamento durante la lavorazione e le prestazioni in esercizio. Steeluniversity include silicio, manganese, zolfo, fosforo, alluminio, rame, stagno, cromo, nichel e molibdeno tra gli elementi che influenzano la resistenza, la duttilità, la tenacità, la lavorabilità, la temprabilità, la dimensione dei grani e la risposta ai trattamenti termici degli acciai al carbonio ordinari. La precisazione importante è che la composizione non consiste in un insieme di interruttori indipendenti. Un elemento può essere disciolto nella ferrite, legato in un composto, concentrato a un bordo di grano oppure ridistribuito durante la colata e la laminazione. Secondo un rapporto tecnico di Nippon Steel, una variazione di appena l’1% nella concentrazione di un elemento di lega può alterare sostanzialmente il comportamento delle trasformazioni di fase. Anche variazioni più piccole possono essere rilevanti quando influenzano le inclusioni, la precipitazione o la segregazione. ### Zolfo e lavorabilità Lo zolfo viene spesso aggiunto agli acciai a lavorabilità migliorata perché può favorire la frammentazione del truciolo e ridurre le forze di taglio. Il suo principale veicolo metallurgico è il solfuro di manganese, MnS. Il manganese si combina preferenzialmente con lo zolfo, limitando la formazione di solfuro di ferro e producendo inclusioni di solfuro che si deformano durante la lavorazione a caldo. Nelle operazioni di lavorazione meccanica, queste inclusioni possono favorire la frattura del truciolo, impedendogli di formare un nastro lungo e continuo. Il risultato può essere una migliore finitura superficiale, una riduzione del carico sugli utensili e una maggiore uniformità nelle operazioni di taglio automatizzate. Questo vantaggio comporta un costo. Le inclusioni di MnS sono discontinuità nella matrice dell’acciaio e la loro forma, dimensione, quantità e orientamento influenzano il comportamento meccanico. La laminazione a caldo allunga comunemente i solfuri nella direzione di laminazione, producendo proprietà direzionali. La duttilità a trazione e la tenacità all’urto misurate trasversalmente alla direzione di laminazione possono quindi essere inferiori ai valori misurati longitudinalmente. Le inclusioni grandi o raggruppate sono più dannose di una popolazione fine e dispersa. Lo zolfo può inoltre ridurre la saldabilità e compromettere la tenacità quando l’acciaio presenta un rapporto sfavorevole tra manganese e zolfo. Il manganese è necessario per legare lo zolfo sotto forma di MnS; se il manganese disponibile è insufficiente, il solfuro di ferro può contribuire alla fragilità a caldo durante la deformazione a temperatura elevata. La risposta precisa dipende dalla concentrazione di zolfo, dalla concentrazione di manganese, dalla morfologia delle inclusioni, dalla riduzione di laminazione e dalla direzione finale di esercizio. Lo zolfo può migliorare la lavorabilità meccanica, ma può ridurre la duttilità trasversale, la tenacità all’urto, la resistenza a fatica o le prestazioni di saldatura. Limited evidence Di conseguenza, l’affermazione secondo cui “lo zolfo migliora la lavorabilità” è incompleta. È vera per un’operazione di taglio progettata per un acciaio a lavorabilità migliorata, ma la stessa aggiunta di zolfo può essere indesiderabile in un componente che richieda elevata tenacità trasversale, resistenza a fatica o prestazioni affidabili della saldatura. Un grado destinato alla lavorabilità non è automaticamente un grado strutturale migliore. L’effetto utile è specifico del processo. ### Fosforo, tenacità e segregazione Il fosforo è un elemento sostituzionale nel ferro e può contribuire al rafforzamento per soluzione solida. Steeluniversity spiega che il rafforzamento sostituzionale deriva dalla distorsione del reticolo cristallino, la cui entità è correlata alle dimensioni atomiche, alla comprimibilità, alla valenza chimica e all’elettronegatività. Il fosforo può quindi aumentare la resistenza, ma un aumento della resistenza non garantisce prestazioni migliori: la duttilità e la tenacità possono diminuire, soprattutto quando il fosforo è concentrato in regioni vulnerabili. La preoccupazione principale è la segregazione. Durante la solidificazione, il fosforo può ripartirsi in modo disomogeneo tra il solido in accrescimento e il liquido residuo. L’ultimo liquido a solidificare può arricchirsi, lasciando bande o regioni localizzate con un contenuto più elevato di fosforo. La laminazione successiva può allungare queste variazioni di composizione, trasformandole in strutture bandate. È rilevante anche l’arricchimento ai bordi di grano, perché la resistenza alla frattura dipende dalla chimica e dalla coesione dei bordi, non soltanto dalla composizione media misurata per l’intera colata. Un contenuto elevato di fosforo è associato a una riduzione della duttilità e a un maggiore rischio di frattura fragile, soprattutto in presenza di grani grossolani, basse temperature, elevato vincolo o altre condizioni che favoriscono l’infragilimento. L’effetto non costituisce una penalizzazione fissa a ogni concentrazione. Una piccola quantità di fosforo disciolta in modo relativamente uniforme può avere conseguenze diverse dalla stessa aggiunta nominale concentrata nelle regioni interdendritiche o ai bordi di grano. La storia di lavorazione determina quanto del rischio rimanga. Il riscaldamento e la laminazione possono frammentare i profili di segregazione, modificare la dimensione dei grani e cambiare la distribuzione delle seconde fasi, ma non rendono irrilevante la composizione. La velocità di raffreddamento dopo la lavorazione a caldo e i successivi trattamenti termici influenzano ulteriormente la microstruttura finale. L’avvertimento di Nippon Steel riguardo alle grandi variazioni del comportamento delle trasformazioni causate da una differenza dell’1% nella composizione illustra perché la sola composizione nominale non possa prevedere la tenacità. Il fosforo occupa quindi una posizione problematica: può aumentare la resistenza e favorire determinati processi produttivi, ma un contenuto eccessivo o una distribuzione disomogenea possono ridurre la duttilità e la tenacità all’urto. Una valutazione corretta richiede di considerare il grado di acciaio, lo spessore del prodotto, il ciclo termico, la direzione di prova e la temperatura di esercizio prevista. ### Alluminio, rame e stagno come elementi di processo o residui L’alluminio è ampiamente associato alla disossidazione dell’acciaio. Durante la produzione dell’acciaio, l’ossigeno disciolto può reagire con l’alluminio formando ossido di alluminio, Al₂O₃. La rimozione dell’ossigeno modifica la pulizia e il comportamento di solidificazione del bagno, mentre il contenuto residuo di alluminio può influenzare anche il controllo della dimensione dei grani. L’alluminio può combinarsi con l’azoto formando nitruro di alluminio, AlN; la dimensione, la distribuzione e lo stato di dissoluzione di queste particelle influenzano lo sviluppo dei grani di austenite durante il riscaldamento. Si tratta di un effetto di processo, non di una garanzia universale di grani più fini in qualunque ciclo termico. Una quantità eccessiva di alluminio, o un suo controllo inadeguato, può generare inclusioni di ossido o modificare il comportamento durante la colata. Il risultato dipende dall’attività dell’ossigeno, dal contenuto di azoto, dalla temperatura di trattamento, dalle condizioni di solidificazione e dalle modalità di riscaldamento. L’affermazione secondo cui “l’alluminio affina i grani” è quindi troppo generale, a meno che non siano specificati il processo siderurgico e la popolazione di particelle. Il rame e lo stagno sono identificati da Steeluniversity come elementi che influenzano le proprietà degli acciai al carbonio ordinari, ma spesso vengono discussi come elementi residui anziché come aggiunte principali intenzionali. Il rame può provenire dal materiale riciclato e influenzare le trasformazioni, la resistenza, il comportamento all’ossidazione e la risposta alla lavorazione a caldo quando la sua concentrazione diventa significativa. Lo stagno può accompagnare lo stesso materiale di alimentazione e modificare il comportamento dell’acciaio a basse concentrazioni oppure diventare più dannoso man mano che si accumula. I loro effetti non possono essere determinati dal solo nome dell’elemento. Rame e stagno sono particolarmente sensibili alla concentrazione e alla storia di lavorazione, perché la loro distribuzione cambia durante la fusione, la solidificazione, il riscaldamento e la deformazione. Un livello residuo che non produce variazioni importanti in un prodotto può essere rilevante in un altro con diverso contenuto di carbonio, velocità di raffreddamento, stato superficiale o ciclo di lavorazione a caldo. Il comportamento ricco di rame in prossimità della superficie durante il riscaldamento può essere particolarmente rilevante per il rischio di fragilità a caldo, ma la gravità dipende dalla chimica complessiva e dalle pratiche di forno, non dal solo rame. La lezione pratica non è che zolfo, fosforo, alluminio, rame o stagno debbano sempre essere minimizzati o sempre aggiunti. Ciascuno può svolgere una funzione controllata oppure creare un difetto, a seconda della posizione in cui si trova, dei composti che forma e della storia termica e meccanica a cui è sottoposto l’acciaio. L’elenco degli elementi di Steeluniversity è quindi una mappa delle variabili, non un catalogo di effetti garantiti. La composizione deve essere interpretata insieme alla costituzione delle fasi, alla segregazione, alla morfologia delle inclusioni, alla dimensione dei grani e alla storia di lavorazione. ## 6. Cromo: temprabilità, resistenza all’ossidazione e passivazione Il cromo viene spesso descritto come se “rendesse semplicemente l’acciaio inossidabile”. Questa descrizione confonde due effetti diversi. Il cromo disciolto nell’acciaio può modificare le trasformazioni di fase, la temprabilità, la formazione di carburi e la resistenza alle alte temperature. Il cromo presente su una superficie esposta e pulita può reagire con l’ossigeno e formare una sottile pellicola di ossido di cromo che rallenta l’attacco successivo. Il primo effetto è un effetto metallurgico di massa; il secondo è la passivazione superficiale. Sono correlati, ma non sono intercambiabili. La World Steel Association definisce l’acciaio come una lega ferro–carbonio contenente meno del 2% di carbonio. Il cromo può quindi essere aggiunto in quantità che vanno da una piccola aggiunta di lega negli acciai per costruzioni meccaniche fino a circa il 10,5% o più negli acciai inossidabili. La sola composizione non determina il risultato. La velocità di raffreddamento, la temperatura di austenitizzazione, la granulometria iniziale, l’attività del carbonio, la segregazione, i cicli termici di saldatura e la presenza di nichel, molibdeno, azoto, manganese ed elementi stabilizzanti modificano tutti l’effetto pratico del cromo. Nippon Steel riporta che il comportamento delle trasformazioni di fase dell’acciaio può cambiare sostanzialmente anche con una differenza di appena l’1% nella concentrazione degli elementi di lega: un utile avvertimento contro il considerare la designazione di una lega come una descrizione completa della sua microstruttura. ### Il cromo negli acciai basso-legati e resistenti al calore Negli acciai basso-legati, il cromo aumenta la temprabilità ritardando, durante il raffreddamento, le trasformazioni dell’austenite in ferrite, perlite e bainite. Una sezione più spessa può quindi formare martensite, o una frazione maggiore di bainite, a una velocità di raffreddamento che lascerebbe un acciaio al carbonio non legato parzialmente perlitico. Il cromo non rende ugualmente dure tutte le zone di un componente. Il risultato dipende ancora dal tenore di carbonio, dalle dimensioni della sezione, dalla granulometria dell’austenite, dalla severità della tempra e dal trattamento di rinvenimento. Il cromo agisce principalmente come soluto sostituzionale nella ferrite e nell’austenite. Steeluniversity spiega che la lega sostituzionale rafforza un reticolo attraverso la distorsione, la cui entità è influenzata dalle dimensioni atomiche, dalla comprimibilità, dalla valenza chimica e dall’elettronegatività. Il cromo può quindi contribuire al rafforzamento per soluzione solida, sebbene, in molti acciai sottoposti a trattamento termico, i suoi effetti più importanti derivino dalla cinetica delle trasformazioni e dalla chimica dei carburi, più che dalla sola deformazione del reticolo. Il carbonio modifica l’equilibrio. Il cromo ha una forte affinità per il carbonio e può formare carburi ricchi di cromo, inclusa la famiglia M23C6, nella quale M può essere costituito principalmente da cromo, con contributi del ferro e di altri elementi metallici. Negli acciai resistenti al calore opportunamente progettati, le particelle di carburo contribuiscono a resistere al creep e allo scorrimento dei bordi di grano. Una formazione eccessiva o scarsamente controllata di carburi può sottrarre cromo alla matrice circostante, ridurre la resistenza locale alla corrosione e produrre microstrutture fragili o difficili da saldare. Il cromo migliora inoltre la resistenza all’ossidazione alle temperature elevate. Una superficie contenente cromo può formare uno strato di ossido relativamente aderente, riducendo la velocità con cui il ferro continua a ossidarsi. Ciò non equivale ad affermare che qualsiasi acciaio basso-legato contenente cromo si comporti come un acciaio inossidabile in presenza di aria, vapore o gas di combustione. La stabilità dell’ossido dipende dalla concentrazione di cromo, dalla temperatura, dalla chimica del gas, dalle condizioni della superficie, dai cicli termici e dal fatto che lo strato rimanga continuo. Anche il silicio e l’alluminio possono modificare la formazione degli strati superficiali ad alta temperatura, mentre il nichel influenza la stabilità delle fasi e l’espansione termica. Gli acciai ferritici resistenti al calore e gli acciai al cromo martensitici illustrano questi compromessi. Un tenore maggiore di cromo può migliorare la resistenza all’ossidazione, ma può favorire la stabilità della ferrite e modificare la quantità di austenite disponibile durante il trattamento termico. Il carbonio, il molibdeno, il vanadio, il niobio e il tungsteno possono quindi controllare la precipitazione di carburi o carbonitruri e la resistenza al creep. Un aumento nominale del cromo può produrre un risultato diverso dopo normalizzazione, tempra, rinvenimento, saldatura o esposizione prolungata in esercizio. Lo stesso legame tra composizione e processo si riscontra negli acciai HSLA, anche quando il cromo non è il principale elemento di rafforzamento. AZoM descrive il niobio come un elemento che sopprime la ricristallizzazione dell’austenite durante la laminazione a caldo, il titanio come un elemento che forma precipitati stabili di TiN in grado di controllare la granulometria durante il riscaldamento e il vanadio come un elemento che forma precipitati fini di VC o V(C,N), aumentando il carico di snervamento. Il cromo interagisce con queste aggiunte modificando la stabilità dell’austenite, le condizioni di precipitazione e le temperature di trasformazione. Non è un interruttore isolato della temprabilità. ![Elementi di lega dell'acciaio e loro effetti metallurgici](/images/uploads/87de504c-080f-4a7f-9c42-bc4dc63250e0/wiki-inline-a-stainless-steel-surface-protected-by-a-thin-chromium-oxide-passive-film-with-o-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/87de504c-080f-4a7f-9c42-bc4dc63250e0/wiki-inline-a-stainless-steel-surface-protected-by-a-thin-chromium-oxide-passive-film-with-o-1920x1094.avif "Ingrandisci immagine — Elementi di lega dell'acciaio e loro effetti metallurgici")Chromium protects stainless steel through a thin surface film, not by bulk hardness. ### Passivazione mediante ossido di cromo negli acciai inossidabili L’acciaio inossidabile richiede una quantità sufficiente di cromo nella matrice per mantenere una superficie passiva protettiva. La soglia comunemente indicata è circa il 10,5% di cromo in massa, ma questo valore è un limite di classificazione, non una garanzia di comportamento identico in esercizio. Il tipo di acciaio, le condizioni della superficie, l’ambiente, le inclusioni, la storia della saldatura e la contaminazione sono tutti fattori importanti. Il cromo favorisce la passivazione dell’acciaio inossidabile formando sulla superficie esposta una pellicola sottile e aderente di ossido di cromo. Strong evidence Il meccanismo fornito da thyssenkrupp Materials è diretto: il cromo reagisce con l’ossigeno formando uno strato protettivo di ossido di cromo. Questa pellicola è estremamente sottile, aderente e in grado di riformarsi quando, dopo un danno meccanico di lieve entità, è disponibile ossigeno. Separa la lega sottostante, ricca di ferro, dall’ambiente e riduce notevolmente la velocità di ulteriore dissoluzione. La passivazione è quindi una reazione superficiale, non un aumento della durezza della massa del materiale. Un acciaio può contenere una quantità significativa di cromo e tuttavia subire corrosione localizzata se la pellicola passiva viene danneggiata o destabilizzata chimicamente. Gli ioni cloruro, le fessure, i depositi, le condizioni acide, la contaminazione da ferro, le superfici rugose e gli effetti termici della saldatura possono avviare vaiolatura o corrosione interstiziale. Il molibdeno migliora la resistenza alla vaiolatura indotta dai cloruri ed è una delle ragioni principali per cui EN 1.4401 / X5CrNiMo17-12-2 e AISI 316 resistono generalmente a tali ambienti meglio di EN 1.4301 / X5CrNi18-10 e AISI 304. Queste designazioni identificano intervalli di composizione; non eliminano le differenze causate dalla fabbricazione o dall’esposizione. Il nichel stabilizza l’austenite e contribuisce a mantenere la struttura cubica a facce centrate a temperatura ambiente. Influenza inoltre la tenacità, l’incrudimento, l’espansione termica e l’equilibrio tra ferrite e austenite durante la saldatura. L’azoto può rafforzare l’acciaio inossidabile austenitico e migliorare la resistenza alla corrosione localizzata, mentre il molibdeno contribuisce alla resistenza alla vaiolatura. I loro effetti dipendono dalla concentrazione e dalle interazioni reciproche. Il cromo fornisce la chimica essenziale per la passivazione, ma le prestazioni dell’acciaio inossidabile sono una proprietà sistemica della lega e delle sue condizioni. ### Cromo, carbonio e sensibilizzazione #### Precauzioni contro la sensibilizzazione Un’esposizione termica inadeguata può impoverire di cromo le zone adiacenti ai bordi di grano e aumentare la suscettibilità alla corrosione intergranulare. I gradi a basso tenore di carbonio o stabilizzati riducono, ma non eliminano, la necessità di controllare il processo termico. Il principale avvertimento riguardante il cromo nell’acciaio inossidabile austenitico riguarda il carbonio ai bordi di grano. Durante il riscaldamento in un intervallo approssimativo compreso tra 500 e 850 °C, i carburi M23C6 ricchi di cromo possono precipitare ai bordi dei grani di austenite se il carbonio può diffondervi. La matrice adiacente viene quindi impoverita di cromo. Sebbene la composizione globale possa contenere cromo sufficiente per essere classificata come inossidabile, strette zone impoverite di cromo possono perdere la passività e diventare vulnerabili alla corrosione intergranulare. Sensibilizzazione **Sensibilizzazione** Condizione di un acciaio inossidabile nella quale si formano carburi ricchi di cromo ai bordi di grano, lasciando le regioni adiacenti impoverite di cromo. Questa condizione è chiamata sensibilizzazione. È particolarmente rilevante dopo la saldatura, poiché la zona termicamente alterata può permanere abbastanza a lungo nell’intervallo di sensibilizzazione da consentire la precipitazione dei carburi. Un raffreddamento rapido può ridurre l’esposizione, ma la procedura di saldatura, lo spessore della lamiera, l’apporto termico, il vincolo e la storia termica precedente determinano il risultato effettivo. I gradi a basso tenore di carbonio, come EN 1.4307 / X2CrNi18-9 e EN 1.4404 / X2CrNiMo17-12-2, riducono la quantità di carbonio disponibile e quindi la tendenza a formare carburi di cromo. I gradi stabilizzati aggiungono titanio o niobio, che legano preferenzialmente il carbonio sotto forma di TiC o NbC. Il cromo rimane più disponibile nella matrice per la passivazione. La stabilizzazione non è una soluzione universale: precipitati eccessivi, un trattamento termico errato o una successiva esposizione termica possono creare altri problemi microstrutturali. Il carbonio rimane comunque utile. Rafforza l’austenite e può contribuire alla resistenza all’usura, mentre carbonio e azoto influenzano l’energia dei difetti di impilamento e l’incrudimento. La difficoltà consiste nel controllare dove si dirige il carbonio e quali composti si formano. Cromo, nichel, molibdeno, azoto, titanio e niobio possono essere tutti presenti, ma i loro effetti dipendono dalla stabilità delle fasi, dalla precipitazione, dalla segregazione e dalla storia di lavorazione. Il cromo è essenziale per la passivazione, ma non agisce da solo, e una designazione di acciaio inossidabile non può prevedere le prestazioni senza considerare la microstruttura creata dai processi di lavorazione. ## 7. Il nichel e il controllo del comportamento austenitico e ferritico Il nichel viene spesso descritto come un elemento di rinforzo, ma questa descrizione è incompleta. Il suo effetto dipende dal fatto che rimanga disciolto nella ferrite, stabilizzi l’austenite, favorisca una struttura a fasi miste oppure modifichi il percorso di trasformazione durante il raffreddamento e la fabbricazione. La stessa aggiunta che migliora la tenacità a bassa temperatura in un acciaio ferritico per recipienti a pressione può anche mantenere stabile l’austenite nell’acciaio inossidabile, modificando l’incrudimento, la solidificazione del metallo di saldatura e la quantità di martensite formata durante la deformazione. Questa distinzione è importante perché l’acciaio non presenta una singola struttura cristallina. Secondo la definizione della World Steel Association, l’acciaio è una lega ferro-carbonio contenente meno del 2% di carbonio, con altri elementi aggiunti in quantità minori o maggiori. Il nichel occupa siti sostituzionali nel reticolo del ferro. Steeluniversity spiega che il rafforzamento per soluzione solida sostituzionale deriva dalla distorsione del reticolo, la cui entità è influenzata dalle dimensioni atomiche, dalla comprimibilità, dalla valenza chimica e dall’elettronegatività. Il nichel modifica quindi sia la resistenza al movimento delle dislocazioni sia la stabilità delle fasi attraverso le quali tali dislocazioni si muovono. ### Il nichel come elemento di rinforzo e tenacizzazione Nell’acciaio ferritico, il nichel contribuisce al rafforzamento per soluzione solida sostituzionale. Gli atomi di nichel differiscono da quelli di ferro per dimensioni e comportamento dei legami, pertanto la loro presenza produce campi locali di deformazione elastica. Una dislocazione in movimento interagisce con tali campi e richiede una tensione applicata maggiore per continuare a muoversi. L’aumento del carico di snervamento è generalmente moderato rispetto a quello ottenuto mediante indurimento per precipitazione o trasformazione martensitica, ma è utile perché il nichel può rafforzare la ferrite senza causare la grave perdita di duttilità associata a un eccesso di carbonio o alla presenza di seconde fasi dure. Il contributo più importante è spesso la tenacità. La trattazione di AZoM sugli elementi degli acciai legati identifica il nichel come un elemento che rafforza e rende più tenace l’acciaio ferritico, con un beneficio particolarmente significativo alle temperature sottozero. Non si tratta di una regola universale secondo cui “più nichel significa più resistenza”. Il nichel influenza la trasformazione da ferrite ad austenite, la deformazione a scala dei grani e la temperatura alla quale la frattura per clivaggio entra efficacemente in competizione con la frattura duttile. In composizioni e trattamenti termici adeguati, abbassa la temperatura di transizione duttile-fragile e aiuta l’acciaio ferritico ad assorbire energia d’urto durante l’impiego a basse temperature. Il risultato è una combinazione utile: maggiore resistenza e migliore resistenza alla frattura fragile. Questa combinazione spiega l’impiego di acciai per basse temperature contenenti nichel, come gli acciai per recipienti a pressione al 9% di nichel contemplati dalla norma ASTM A553/A553M. Le loro prestazioni non dipendono esclusivamente dal nichel. Il tenore di carbonio, il manganese, il trattamento termico, l’austenite trattenuta, la morfologia della martensite, la dimensione dei grani e i cicli termici di saldatura influenzano tutti la tenacità finale. Il nichel è uno degli elementi di una progettazione controllata delle fasi e della microstruttura. Anche la composizione deve essere trattata come una variabile ristretta, anziché come una ricetta fissa. Nippon Steel riferisce che il comportamento di trasformazione delle fasi dell’acciaio può variare considerevolmente anche con una differenza di appena l’1% nella concentrazione degli elementi di lega. L’implicazione pratica è importante: un tenore nominale di nichel non consente di prevedere le proprietà senza conoscere la composizione completa e la storia termica. La segregazione durante la solidificazione può far variare localmente la concentrazione di nichel, mentre la saldatura può produrre regioni con velocità di raffreddamento e frazioni di fase diverse rispetto alla lamiera di base. ### Tenacità sottozero nell’acciaio ferritico Gli acciai ferritici presentano una struttura cubica a corpo centrato e molti acciai BCC mostrano una marcata dipendenza dalla temperatura nel comportamento alla frattura. A temperature più elevate, il flusso plastico all’apice di una cricca può smussare la cricca e favorire la frattura duttile. Quando la temperatura diminuisce, il movimento delle dislocazioni diventa più difficile, il clivaggio diventa più competitivo e la tenacità all’urto può diminuire bruscamente. Il nichel è prezioso perché può spostare questa transizione verso temperature più basse. Questo beneficio non deve essere confuso con la completa eliminazione dei rischi a bassa temperatura. Una struttura a grani ferritici grossolani, la segregazione del fosforo, la martensite non rinvenuta, i difetti di saldatura o una seconda fase fragile continua possono ancora causare una frattura prematura. Il nichel può migliorare la risposta della matrice mentre un’altra caratteristica determina il cedimento. L’affinamento del grano è particolarmente importante, perché i grani di ferrite più piccoli aumentano generalmente la tensione di frattura per clivaggio e riducono la temperatura di transizione effettiva. Gli acciai ferritici contenenti nichel richiedono pertanto un controllo del processo. La normalizzazione, la tempra e il rinvenimento, il trattamento intercritico e la saldatura producono distribuzioni diverse di ferrite, bainite, martensite e austenite trattenuta. Il tenore di nichel influenza le temperature di trasformazione e la temprabilità, ma non determina da solo la struttura finale. Una velocità di raffreddamento che produce bainite tenace in uno spessore di lamiera può produrre una struttura più dura e meno tollerante in un altro spessore. Alle temperature criogeniche, la distinzione tra resistenza e tenacità diventa particolarmente evidente. La resistenza può aumentare al diminuire della temperatura, mentre la resistenza alla frattura diminuisce. Il nichel è prezioso perché, negli acciai ferritici opportunamente progettati, può migliorare entrambi gli aspetti di questo equilibrio, anziché limitarsi ad aumentare la tensione necessaria per lo snervamento. ### Il nichel e la stabilità dell’austenite nell’acciaio inossidabile Nell’acciaio inossidabile austenitico, il nichel svolge una funzione centrale diversa: stabilizza la fase austenitica cubica a facce centrate. Il cromo fornisce il film di ossido ricco di cromo responsabile della passivazione dell’acciaio inossidabile, mentre il nichel contribuisce a mantenere l’austenite a temperatura ambiente dopo la lavorazione a caldo, la ricottura di solubilizzazione e il raffreddamento. I gradi comuni come UNS S30400, designato Tipo 304 secondo ASTM A240, e UNS S31603, comunemente designato Tipo 316L secondo ASTM A240, combinano quantità significative di cromo e nichel; il Tipo 316L contiene inoltre molibdeno per una migliore resistenza alla corrosione localizzata. La stabilità dell’austenite controlla il comportamento durante la fabbricazione. Gli acciai inossidabili austenitici generalmente non possono essere rafforzati mediante la tempra convenzionale, perché il raffreddamento non trasforma la matrice in martensite ordinaria di carbonio. Acquistano invece resistenza attraverso la soluzione solida, il controllo della dimensione dei grani e la deformazione a freddo. Un’austenite stabile rimane duttile durante la formatura, ma una stabilità insufficiente può consentire la formazione di martensite indotta dalla deformazione. Questa trasformazione aumenta la resistenza e l’incrudimento, riducendo però la prevedibilità dimensionale e, in alcuni casi, le prestazioni di resistenza alla corrosione. Le indicazioni di Steeluniversity sulla fabbricazione considerano il nichel parte di un equilibrio composizionale, anziché un controllo isolato. Cromo, nichel, carbonio, azoto, molibdeno, manganese e aggiunte stabilizzanti come titanio o niobio influenzano congiuntamente l’equilibrio delle fasi e la risposta alla lavorazione. Una lega di tipo 304 con una stabilità austenitica inferiore può formare una quantità maggiore di martensite indotta dalla deformazione durante una severa formatura a freddo rispetto a una composizione con più nichel. Al contrario, un’eccessiva stabilità dell’austenite può modificare il comportamento di solidificazione del metallo di saldatura e ridurre la ferrite spesso trattenuta nei depositi di saldatura austenitici per diminuire la suscettibilità alla criccatura di solidificazione. Il percorso di fabbricazione è importante quanto il grado nominale. La temperatura di lavorazione a caldo, la pratica di ricottura di solubilizzazione, la velocità di raffreddamento, la deformazione e l’apporto termico di saldatura possono modificare il contenuto di ferrite, il rischio di formazione della fase sigma, la precipitazione dei carburi e le tensioni residue. Il carbonio può produrre carburi di cromo ai bordi dei grani durante un’esposizione termica inadeguata, causando sensibilizzazione; le designazioni a basso tenore di carbonio come 316L riducono tale rischio, ma non rendono irrilevante la storia termica. L’azoto può rafforzare l’austenite e influenzare la resistenza alla vaiolatura, mentre il molibdeno modifica il comportamento alla corrosione senza fungere da semplice sostituto del nichel. Al nichel non può quindi essere associato un singolo risultato garantito. Nell’acciaio ferritico può fornire un rafforzamento per soluzione solida e, soprattutto, una migliore tenacità sottozero. Nell’acciaio inossidabile austenitico stabilizza la fase FCC e modifica il comportamento durante la formatura, l’incrudimento, la saldatura e le trasformazioni. L’effetto dipende dalla costituzione delle fasi e dalla storia di lavorazione, non dall’elemento considerato isolatamente. ## 8. Molibdeno, azoto e stabilità delle microstrutture degli acciai inossidabili Molibdeno e azoto vengono discussi insieme a cromo e nichel perché il comportamento degli acciai inossidabili è controllato da un sistema chimico e di fasi interconnesso, non dal solo contenuto di cromo. Il cromo fornisce le condizioni per la formazione di un film protettivo di ossido ricco di cromo; il nichel influenza l’equilibrio tra ferrite e austenite; il molibdeno modifica il comportamento rispetto alla corrosione localizzata e la stabilità delle fasi; l’azoto influisce sia sulla stabilità dell’austenite sia sulla resistenza meccanica. Carbonio, manganese, silicio e storia di fabbricazione modificano poi il risultato. La distinzione è importante anche all’interno di una stessa famiglia di qualità. La composizione nominale di un acciaio inossidabile austenitico non determina univocamente il comportamento in esercizio dopo laminazione, saldatura, formatura o trattamento termico. Il rapporto di Nippon Steel avverte che il comportamento delle trasformazioni di fase può cambiare sostanzialmente anche con una differenza di appena l’1% nella concentrazione degli elementi di lega. La segregazione ai bordi di grano e alle interfacce può inoltre far sì che la composizione locale differisca dall’analisi chimica globale. ### Molibdeno e progettazione della lega in relazione alla corrosione Il molibdeno è un elemento di lega sostituzionale. Come spiega Steeluniversity, l’incrudimento per soluzione solida deriva in parte dalla distorsione del reticolo cristallino, la cui entità è influenzata dalle dimensioni atomiche, dalla comprimibilità, dalla valenza chimica e dall’elettronegatività. Negli acciai inossidabili, tuttavia, il molibdeno viene raramente aggiunto soltanto per aumentare la resistenza a trazione. Il suo ruolo progettuale più importante è la resistenza all’attacco localizzato, in particolare alla corrosione per vaiolatura e alla corrosione interstiziale in ambienti contenenti cloruri. PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N) può confrontare le tendenze alla resistenza alla vaiolatura, ma non può prevedere da solo la durata in servizio. Preliminary evidence Un film passivo di ossido di cromo può degradarsi in corrispondenza di un difetto locale o sotto un deposito. Il molibdeno modifica la chimica del metallo e il processo di ripassivazione intorno a tali siti, riducendo la tendenza di un piccolo pit a trasformarsi in una cavità stabile e in accrescimento. Per questo, nel confronto tra leghe, si utilizza spesso una relazione equivalente della resistenza alla vaiolatura, come PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N). L’espressione è un indice di screening, non un’equazione per la previsione della durata in esercizio. Lo stato della superficie, la concentrazione di cloruri, la temperatura, l’acidità, le inclusioni, l’ossidazione della saldatura e la geometria dell’interstizio possono avere un effetto maggiore di una modesta differenza di composizione. Il confronto tra le comuni designazioni austenitiche illustra il concetto senza fare del molibdeno una garanzia isolata. ASTM A240 Tipo 304 e Tipo 316 sono entrambi acciai inossidabili austenitici al cromo-nichel, ma il Tipo 316 include il molibdeno nella composizione specificata, mentre il Tipo 304 ne è privo. Le designazioni UNS comunemente associate a queste composizioni sono UNS S30400 e UNS S31600; le varianti a basso tenore di carbonio comprendono UNS S30403 e UNS S31603. Le loro diverse risposte in presenza di cloruri derivano dagli effetti combinati di cromo, nichel, molibdeno, azoto, carbonio, inclusioni e processo di fabbricazione, non da un singolo «effetto del molibdeno». Il molibdeno modifica anche la stabilità delle fasi. Rispetto al nichel, tende generalmente a promuovere la ferrite; pertanto, un suo aumento può ridurre il margine di austenite o favorire la ferrite nella struttura di solidificazione della saldatura. Questo compromesso viene gestito attraverso la composizione complessiva e il ciclo termico. Una saldatura può solidificare con una certa quantità di ferrite delta, mentre il materiale base lavorato è prevalentemente austenitico. Una quantità eccessiva di ferrite, oppure la successiva trasformazione della ferrite in costituenti intermetallici fragili, può danneggiare la tenacità e la resistenza alla corrosione. ### Azoto, stabilità dell’austenite e resistenza meccanica L’azoto occupa siti interstiziali nel reticolo del ferro, perciò il suo meccanismo di incrudimento differisce da quello del molibdeno. Produce deformazione del reticolo e interagisce fortemente con le dislocazioni. Negli acciai inossidabili al cromo-nichel, l’azoto è anche un potente stabilizzante dell’austenite. Può quindi sostituire una parte del nichel necessario per mantenere l’austenite, sebbene l’equilibrio dipenda da cromo, nichel, manganese, molibdeno, carbonio, temperatura e velocità di raffreddamento. Tale equilibrio è specifico della qualità. Una composizione che rimane completamente austenitica dopo la ricottura di solubilizzazione può formare ferrite durante la saldatura, mentre una regione incrudita a freddo può sviluppare martensite indotta dalla deformazione se la stabilità dell’austenite è insufficiente. In molte composizioni austenitiche, l’azoto aumenta la resistenza a tale trasformazione, ma non elimina gli effetti della bassa temperatura, della deformazione o di una composizione chimica sfavorevole. L’azoto contribuisce in misura significativa all’incrudimento per soluzione solida e può aumentare il carico di snervamento senza produrre lo stesso meccanismo di sensibilizzazione correlato ai carburi associato a un eccesso di carbonio. Inoltre, aumenta comunemente la capacità di incrudimento. Durante la formatura, ciò significa che il metallo può continuare a incrudirsi rapidamente con l’accumularsi della deformazione plastica; il vantaggio in termini di resistenza può accompagnarsi a carichi di formatura più elevati e a una maggiore necessità di controllare l’uniformità della deformazione. In esercizio, un’elevata risposta all’incrudimento può migliorare la resistenza alla deformazione plastica localizzata, ma il risultato dipende comunque dalla dimensione dei grani, dalla tessitura, dalle inclusioni e dal precedente incrudimento a freddo. L’azoto non è privo di limiti di processo. La sua solubilità nell’acciaio liquido e solido dipende dalla temperatura e dalla composizione; un eccesso di azoto può favorire la porosità gassosa, la formazione di nitruri o strutture di solidificazione indesiderate. Molibdeno e cromo aumentano la tendenza alla formazione di determinati nitruri, poiché modificano l’attività chimica e la stabilità delle fasi. Pertanto, l’azoto può sostenere l’austenite nella matrice, pur venendo localmente sottratto a essa dalla precipitazione. ### Fasi secondarie e risposta ai processi di fabbricazione Il meccanismo di sensibilizzazione più noto coinvolge il carburo di cromo, comunemente indicato come Cr23C6, che si forma ai bordi dei grani di austenite durante un’esposizione termica sfavorevole. Il cromo viene consumato localmente in prossimità del bordo, lasciando una zona impoverita di cromo nella quale la corrosione intergranulare diventa più probabile. Le qualità a basso tenore di carbonio, come UNS S31603, limitano la quantità di carbonio disponibile; le qualità stabilizzate utilizzano elementi come titanio o niobio per legare preferenzialmente il carbonio. Nessuno dei due approcci rende irrilevante la saldatura: l’apporto termico, la velocità di raffreddamento, il vincolo del giunto, lo spessore e le successive esposizioni termiche determinano comunque la microstruttura. Gli acciai inossidabili austenitici contenenti molibdeno e cromo possono inoltre formare fase sigma, fase chi, fase di Laves oppure diversi carburi e nitruri durante esposizioni prolungate a intervalli di temperatura intermedi o durante cicli di saldatura ripetuti. Tali fasi sottraggono cromo, molibdeno o azoto alla matrice austenitica e possono infragilire il materiale. Una composizione che migliora la resistenza ai cloruri nella condizione ricotta di solubilizzazione può quindi diventare meno resistente dopo un ciclo di fabbricazione non idoneo. La saldatura rende evidente l’interazione. La segregazione durante la solidificazione può concentrare gli elementi ferritizzanti nelle regioni interdendritiche, mentre azoto e nichel influenzano se il metallo saldato solidifica come austenite, ferrite o struttura mista. Una quantità eccessiva di ferrite delta può ridurre la duttilità o favorire la formazione di fasi secondarie durante l’esercizio; una quantità insufficiente di ferrite in alcune composizioni del metallo saldato può aumentare la suscettibilità alla criccatura a caldo. Anche la pulizia post-saldatura è importante, poiché la colorazione termica può lasciare una superficie impoverita di cromo o ricoperta di ossidi, anche quando la composizione globale del materiale sottostante non è cambiata. Lo stesso principio si applica ai processi di fabbricazione a caldo e a freddo. La ricottura di solubilizzazione dissolve molti precipitati indesiderati e ripristina una distribuzione più uniforme, ma la temperatura necessaria e la tempra dipendono dalla qualità e dalla sezione. La lavorazione a freddo aumenta la resistenza mediante l’accumulo di dislocazioni e può modificare la risposta magnetica o innescare la trasformazione martensitica nell’austenite metastabile. Nessun elemento di lega garantisce un risultato invariabile. Molibdeno, azoto, cromo e nichel devono essere valutati insieme al tenore di carbonio, alla costituzione delle fasi, alla segregazione, alla storia dei precipitati e all’effettivo percorso di fabbricazione. ## 9. Vanadio, niobio e titanio negli acciai HSLA L’acciaio basso-legato ad alta resistenza (HSLA) offre l’esempio più chiaro della lega sensibile al processo. Piccole aggiunte di vanadio, niobio o titanio non sono semplicemente ingredienti che producono una determinata proprietà. I loro effetti dipendono dalla concentrazione, dalla disponibilità di carbonio e azoto, dalla temperatura di riscaldamento, dal ciclo di laminazione, dalla velocità di raffreddamento e dalla posizione degli atomi dopo la solidificazione. Un produttore di acciaio può aggiungere lo stesso elemento a due colate e ottenere microstrutture diverse se differiscono la storia termica e quella di deformazione. Questa distinzione è importante perché i tre elementi agiscono attraverso meccanismi diversi. Il vanadio aumenta principalmente la resistenza mediante precipitazione nella ferrite. Il niobio modifica soprattutto ciò che accade all’austenite durante la laminazione a caldo, ritardando la ricristallizzazione e contribuendo a conservare l’affinamento dei grani prodotto dalla deformazione. Il titanio forma il nitruro di titanio, TiN, eccezionalmente stabile, che blocca i bordi dei grani di austenite durante il riscaldamento. Questi meccanismi possono operare nello stesso acciaio, ma non si verificano nella stessa fase né producono lo stesso risultato microstrutturale. I gradi HSLA illustrano perché la composizione non può essere interpretata come una garanzia. ASTM A572/A572M Grade 50 e ASTM A588/A588M sono specificati mediante requisiti meccanici e chimici, ma le loro proprietà finali dipendono anche dalle pratiche di laminazione e raffreddamento. La World Steel Association definisce l’acciaio come una lega ferro-carbonio contenente meno del 2% di carbonio; le piccole aggiunte oltre a ferro e carbonio possono modificare in modo sproporzionato il comportamento durante le trasformazioni. Nippon Steel riferisce che il comportamento delle trasformazioni di fase dell’acciaio può variare sostanzialmente anche con una differenza di appena l’1% nella concentrazione degli elementi di lega. Ai livelli di aggiunta tipici degli acciai HSLA, anche variazioni molto più piccole nello stato di precipitazione o nella storia termica possono essere determinanti. ![Elementi di lega dell'acciaio e loro effetti metallurgici](/images/uploads/1fcfcea6-307f-415b-8189-3d42782d2f3e/wiki-inline-a-polished-and-etched-hsla-steel-microstructure-containing-fine-vanadium-carbide-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/1fcfcea6-307f-415b-8189-3d42782d2f3e/wiki-inline-a-polished-and-etched-hsla-steel-microstructure-containing-fine-vanadium-carbide-1920x1288.avif "Ingrandisci immagine — Elementi di lega dell'acciaio e loro effetti metallurgici")Fine vanadium precipitates obstruct dislocations and raise yield strength. ### Precipitazione di carburo e carbonitruro di vanadio Il vanadio aumenta principalmente la resistenza dell’acciaio HSLA quando precipita sotto forma di carburo di vanadio fine, VC, o di carbonitruro di vanadio, V(C,N). Durante la lavorazione a caldo, gran parte del vanadio può rimanere disciolta nell’austenite. Quando l’acciaio si raffredda e si forma la ferrite, cambia la solubilità del vanadio e del carbonio o dell’azoto. Particelle fini possono quindi nucleare all’interno della ferrite o in prossimità delle interfacce. Queste particelle ostacolano il movimento delle dislocazioni, per cui è necessaria una tensione applicata maggiore per avviare lo snervamento plastico. Si tratta di un rafforzamento per precipitazione, non semplicemente di un rafforzamento per soluzione solida. Un atomo di vanadio disciolto nel reticolo del ferro distorce tale reticolo e può contribuire al rafforzamento per soluzione solida, come spiega Steeluniversity per gli elementi di lega sostituzionali. L’entità di questo effetto dipende dalle dimensioni atomiche, dalla comprimibilità, dalla valenza chimica e dall’elettronegatività. Una particella di VC o V(C,N) agisce in modo diverso: crea un ostacolo disperso la cui dimensione, densità numerica, coerenza e spaziatura determinano l’efficacia con cui le dislocazioni si muovono attorno ad essa o la attraversano. I precipitati utili devono essere fini e numerosi. I carburi di vanadio grossolani consumano elementi di lega senza fornire la stessa densità di ostacoli, mentre le particelle che si formano durante una fase a temperatura eccessivamente elevata possono ingrossarsi prima che si sviluppi la struttura ferritica finale. L’azoto può aumentare la quantità di V(C,N), ma il suo effetto dipende dal rapporto carbonio-azoto e dalla presenza di formatori di nitruro concorrenti, in particolare titanio e alluminio. Una percentuale nominale di vanadio, pertanto, dice poco sulla resistenza allo snervamento senza informazioni sulla temperatura di precipitazione e sulla storia di raffreddamento. Il vanadio può inoltre affinare la struttura ferritica effettiva quando precipitazione e trasformazione sono coordinate. Una ferrite più fine aumenta generalmente la resistenza e spesso migliora la tenacità grazie alla riduzione delle dimensioni delle unità di clivaggio, sebbene resistenza, duttilità e prestazioni all’urto dipendano ancora dalla composizione completa e dal ciclo di lavorazione. L’analisi di AZoM sulla metallurgia degli acciai HSLA identifica i precipitati fini di VC o V(C,N) come una fonte dell’aumento della resistenza allo snervamento. L’affermazione è corretta, ma solo quando “aggiunta di vanadio” non viene confusa con “la precipitazione è avvenuta nella forma desiderata”. ### Niobio e laminazione controllata Il niobio svolge un compito principale diverso. Negli acciai HSLA laminati secondo cicli controllati, il niobio disciolto e le particelle di carbonitruro di niobio rallentano la ricristallizzazione dell’austenite tra una passata di laminazione e l’altra. AZoM identifica il niobio come elemento che sopprime la ricristallizzazione dell’austenite durante la laminazione a caldo. La conseguenza è importante: la deformazione ripetuta può accumularsi nell’austenite invece di essere annullata da una rapida ricristallizzazione. Quando la laminazione prosegue a temperature alle quali la ricristallizzazione è ritardata, i grani di austenite si allungano e contengono un’elevata densità di difetti di deformazione. Durante il raffreddamento, la ferrite nuclea in numerosi siti associati a quella struttura di austenite deformata. La ferrite risultante può essere molto più fine di quella ottenuta con una laminazione ordinaria, aumentando la resistenza attraverso l’affinamento dei grani e contribuendo a mantenere la tenacità. La relazione di Hall–Petch descrive la tendenza generale: la diminuzione delle dimensioni dei grani di ferrite aumenta la resistenza allo snervamento perché i bordi dei grani ostacolano il movimento delle dislocazioni. Il niobio può essere presente in soluzione, sotto forma di carbonitruro di niobio fine oppure in una combinazione di entrambi gli stati. La temperatura determina quale stato prevale. A temperature sufficientemente elevate, il carbonitruro di niobio può dissolversi, lasciando il niobio disponibile per ritardare la ricristallizzazione in soluzione o per precipitare successivamente. A temperature inferiori possono formarsi particelle che esercitano effetti di blocco e trascinamento. La riduzione di spessore per passata, il tempo tra le passate, la temperatura di finitura e l’accumulo di deformazione determinano se tali effetti producono la struttura di austenite desiderata. Si tratta del controllo della ricristallizzazione, non di un rafforzamento per precipitazione nello stesso senso di quello prodotto dal VC nella ferrite. Le particelle di carbonitruro di niobio possono contribuire al rafforzamento per precipitazione, soprattutto dopo la trasformazione, ma l’effetto centrale della laminazione controllata è la conservazione della deformazione nell’austenite. Un acciaio contenente niobio ma laminato al di sopra dell’intervallo di ricristallizzazione pertinente può non sviluppare lo stesso affinamento dei grani di un acciaio con lo stesso contenuto di niobio laminato in condizioni controllate. ![Elementi di lega dell'acciaio e loro effetti metallurgici](/images/uploads/32eef98b-78a3-4613-bb3b-55e21cfbe2e5/wiki-inline-austenite-grains-during-hsla-reheating-showing-titanium-nitride-particles-pinnin-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/32eef98b-78a3-4613-bb3b-55e21cfbe2e5/wiki-inline-austenite-grains-during-hsla-reheating-showing-titanium-nitride-particles-pinnin-2027x2560.avif "Ingrandisci immagine — Elementi di lega dell'acciaio e loro effetti metallurgici")Stable TiN particles limit austenite grain growth during reheating. ### Nitruro di titanio e dimensione dei grani durante il riscaldamento Il titanio agisce in una fase termica precedente. Il titanio ha una forte affinità per l’azoto e forma precipitati stabili di TiN. Secondo AZoM, queste particelle controllano la dimensione dei grani durante il riscaldamento dell’acciaio HSLA. Durante il riscaldamento di bramme o billette, le particelle di TiN finemente distribuite bloccano i bordi dei grani di austenite. Il movimento dei bordi diventa più difficile, per cui i grani di austenite non crescono rapidamente come avverrebbe in un acciaio privo di particelle efficaci di blocco. Il blocco dei bordi dei grani dipende dalle dimensioni e dalla distribuzione delle particelle. Particelle di TiN molto fini e numerose forniscono un’ampia area interfacciale complessiva e possono esercitare una notevole resistenza al movimento dei bordi. Le particelle grossolane di TiN sono meno efficaci per unità di volume e, in determinate condizioni di carico, possono comportarsi come inclusioni fragili o siti di innesco di cricche. Un eccesso di titanio, un eccesso di azoto, una solidificazione lenta o un riscaldamento non appropriato possono spostare la distribuzione verso particelle grossolane. La sola aggiunta chimica non specifica la popolazione di particelle utile. Il titanio controlla quindi la dimensione dei grani durante il riscaldamento, mentre il niobio controlla la ricristallizzazione durante la deformazione e il vanadio rafforza comunemente la ferrite trasformata mediante precipitazione. Le fasi si sovrappongono, ma i meccanismi devono rimanere distinti nell’analisi. Il blocco esercitato dal TiN limita la crescita dei grani prima o durante il riscaldamento; il niobio ritarda la ricristallizzazione dell’austenite durante la laminazione; la precipitazione di VC o V(C,N) ostacola il movimento delle dislocazioni dopo la trasformazione. Definire tutti e tre gli effetti come “affinamento dei grani” nasconde la sequenza che rende efficace la lavorazione degli acciai HSLA. Le interazioni complicano ulteriormente la sequenza. Il titanio può rimuovere l’azoto dalla soluzione sotto forma di TiN, riducendo la quantità di azoto disponibile per la formazione di carbonitruro di vanadio. Niobio e vanadio competono con carbonio e azoto secondo relazioni di solubilità dipendenti dalla temperatura. Manganese, silicio, alluminio e altri elementi modificano le temperature di trasformazione e la stabilità delle fasi, mentre la segregazione durante la colata può produrre composizioni locali diverse da quella nominale della colata. Il modulo di Steeluniversity elenca questi elementi — tra cui silicio, manganese, zolfo, fosforo, alluminio, rame, stagno, cromo, nichel e molibdeno — come fattori che influenzano resistenza, duttilità, tenacità, dimensione dei grani, temprabilità e risposta ai trattamenti termici. La lezione pratica è diretta: vanadio, niobio e titanio sono strumenti di processo tanto quanto sono aggiunte di lega. La loro concentrazione stabilisce le possibilità; riscaldamento, deformazione, precipitazione e raffreddamento determinano quali di queste possibilità si trasformano in microstruttura. Per questo le specifiche degli acciai HSLA richiedono pratiche produttive controllate e per questo una spiegazione isolata, elemento per elemento, offre un quadro incompleto delle prestazioni dell’acciaio. ## 10. Elementi di Lega e Trasformazione di Fase L’acciaio non è definito da una ricetta fissa. La World Steel Association lo descrive come una lega ferro–carbonio contenente meno del 2% di carbonio, con manganese e quantità minori di silicio, fosforo, zolfo e ossigeno. Questa definizione stabilisce un limite compositivo, non una previsione della microstruttura. Due acciai che rientrano in tale definizione possono reagire in modo molto diverso allo stesso ciclo termico, perché gli elementi di lega modificano la stabilità delle fasi, le velocità di diffusione, i siti di nucleazione, la precipitazione e le temperature alle quali iniziano le trasformazioni. La distinzione è importante negli acciai al carbonio semplice e diventa ancora più rilevante negli acciai legati. Steeluniversity identifica silicio, manganese, zolfo, fosforo, alluminio, rame, stagno, cromo, nichel e molibdeno come elementi che influenzano resistenza, duttilità, tenacità, lavorabilità, temprabilità, dimensione dei grani e risposta ai trattamenti termici. I loro effetti sono interconnessi. Manganese, cromo, nichel e molibdeno possono ritardare le trasformazioni diffusionali, mentre il carbonio controlla la durezza della martensite che si forma dopo un raffreddamento sufficientemente rapido. Anche vanadio, niobio e titanio modificano il comportamento durante la trasformazione attraverso la precipitazione di carburi, carbonitruri e nitruri. ### Temprabilità e durezza La durezza è la resistenza misurata in una determinata posizione dopo uno specifico trattamento. Dipende fortemente dal contenuto di carbonio, dalla frazione di martensite o di altre fasi dure formate, dalla temperatura di rinvenimento e dalle condizioni locali di raffreddamento. Un acciaio ad alto tenore di carbonio sottoposto a tempra rapida può produrre, per esempio, martensite molto dura vicino alla superficie, ma questo fatto, da solo, dice poco sulla profondità fino alla quale la struttura martensitica si estende in una sezione spessa. Temprabilità **Temprabilità** Capacità dell’acciaio di formare martensite attraverso una sezione durante il raffreddamento; differisce dalla durezza massima che l’acciaio può raggiungere. La temprabilità descrive la capacità di un acciaio di formare martensite fino a una determinata profondità durante la tempra. È una proprietà cinetica, non una misura diretta della durezza massima. Manganese, cromo, nichel e molibdeno aumentano generalmente la temprabilità spostando le trasformazioni di perlite e bainite verso tempi più lunghi in un diagramma tempo–temperatura–trasformazione. Una velocità di raffreddamento più bassa nella zona interna può quindi rimanere al di sotto dell’intervallo critico di trasformazione abbastanza a lungo da consentire la formazione di martensite. Anche il carbonio contribuisce, sebbene un suo aumento incrementi più direttamente la durezza raggiungibile della martensite e possa ridurre la tenacità o aumentare l’austenite trattenuta quando è utilizzato a concentrazioni più elevate. Durezza, temprabilità e prova Jominy descrivono grandezze correlate, ma differenti. | Proprietà | Cosa descrive | Principali influenze | |---|---|---| | Durezza | Resistenza misurata in una determinata posizione dopo il trattamento | Carbonio, frazione di fase, raffreddamento e rinvenimento | | Temprabilità | Profondità fino alla quale può formarsi martensite durante la tempra | Manganese, cromo, nichel, molibdeno, dimensione della sezione e severità della tempra | | Profilo Jominy | Variazione della durezza lungo un provino temprato a un’estremità | Velocità di raffreddamento locale e risposta alla trasformazione | Una prova di tempra a un’estremità Jominy illustra la differenza. L’estremità temprata si raffredda rapidamente e forma comunemente martensite; a maggiore distanza, la velocità di raffreddamento diminuisce e possono svilupparsi perlite, bainite o strutture miste più morbide. Il profilo di durezza registra sia la risposta dell’acciaio alla trasformazione sia la durezza, dipendente dal carbonio, delle fasi prodotte. Un acciaio a basso tenore di carbonio può presentare una notevole temprabilità, ma una durezza massima della martensite limitata, mentre un acciaio a più alto tenore di carbonio può essere molto duro in superficie, ma mostrare una forte diminuzione della durezza attraverso una sezione di grandi dimensioni se la sua temprabilità è bassa. L’elemento di lega non agisce da solo. Il cromo può aumentare la temprabilità, favorendo al contempo carburi ricchi di cromo e migliorando la resistenza all’ossidazione e alla corrosione. Il nichel stabilizza l’austenite e rinforza l’acciaio ferritico, anche a temperature inferiori allo zero, ma la sua influenza sulla trasformazione dipende dal carbonio, dal manganese, dal cromo e dalla dimensione dei grani di austenite preesistenti. Il vanadio può aumentare la resistenza attraverso precipitati fini di VC o V(C,N), modificando al contempo il carbonio e l’azoto disponibili e influenzando quindi la reazione da austenite a ferrite. Definire uno qualsiasi di questi elementi come un “indurente” garantito nasconde il meccanismo effettivo. ### Cinetica delle trasformazioni e storia termica Un diagramma di fase indica quali fasi sono stabili all’equilibrio; non specifica quanto rapidamente un componente reale in acciaio raggiunga l’equilibrio. La cinetica delle trasformazioni colma questa lacuna. L’austenite può trasformarsi in ferrite e perlite durante un raffreddamento lento, in bainite a velocità di raffreddamento intermedie oppure in martensite quando la diffusione è soppressa. Il risultato dipende dal percorso termico, non soltanto dall’analisi chimica finale. Il rapporto di Nippon Steel rende particolarmente evidente questa limitazione: il comportamento durante la trasformazione di fase può variare considerevolmente anche con una differenza di appena l’1% nella concentrazione degli elementi di lega. Tale differenza può modificare la posizione delle curve di inizio della trasformazione, la temperatura di formazione della martensite, la quantità di austenite trattenuta o l’intervallo nel quale si forma la bainite. L’uno per cento è sufficiente per essere rilevante in molti sistemi legati, ma il punto più generale è ancora più importante: piccole variazioni compositive possono avere effetti sproporzionati quando ci si avvicina a un limite di trasformazione. La velocità di raffreddamento deve quindi accompagnare qualsiasi affermazione sulla composizione. Una sezione raffreddata in forno, una piastra raffreddata all’aria, una barra temprata in olio e un bordo temprato in acqua subiscono gradienti termici diversi e producono strutture differenti, anche quando sono ricavati dalla stessa colata. Lo spessore della sezione modifica il risultato, perché il calore abbandona la superficie prima del cuore. L’agitazione del mezzo di tempra, il tempo di trasferimento e le condizioni superficiali introducono ulteriori variazioni. Il riscaldamento e la laminazione determinano un’ulteriore storia termica prima dell’inizio del trattamento termico finale. Negli acciai HSLA, AZoM riferisce che il niobio sopprime la ricristallizzazione dell’austenite durante la laminazione a caldo. L’austenite deformata può conservare grani appiattiti, aumentando i siti di nucleazione della ferrite durante il successivo raffreddamento. Il titanio forma precipitati stabili di TiN che limitano la crescita dei grani di austenite durante il riscaldamento; la loro efficacia dipende dalla dimensione delle particelle, dalla temperatura di dissoluzione e dai tenori di azoto e titanio. Il vanadio forma precipitati fini di VC o V(C,N) che aumentano il carico di snervamento, soprattutto quando la precipitazione avviene durante o dopo la trasformazione. Un riscaldamento eccessivo può dissolvere le particelle destinate a controllare la dimensione dei grani, mentre un raffreddamento inadeguato può impedire la risposta di precipitazione desiderata. Il rinvenimento modifica ulteriormente l’interpretazione. La martensite temprata è sovrasatura e sottoposta a tensioni; il rinvenimento consente la ridistribuzione del carbonio, la precipitazione dei carburi e il recupero. Un acciaio con la stessa durezza dopo tempra può acquisire resistenza, tenacità e stabilità dimensionale differenti dopo un rinvenimento a 200 °C, 500 °C o 650 °C. I carburi di lega contenenti cromo, molibdeno o vanadio possono precipitare durante il rinvenimento ad alta temperatura, quindi lo stato finale non può essere previsto dalla sola composizione chimica dell’acciaio dopo tempra. ### Segregazione ai bordi di grano e interfacce La composizione globale è una media. Gli atomi non sono sempre distribuiti uniformemente nella microstruttura. Fosforo, zolfo, stagno, antimonio e altri soluti possono segregarsi ai bordi dei grani di austenite durante la solidificazione, il riscaldamento o la trasformazione. I bordi di grano presentano un impacchettamento atomico e un’energia diversi rispetto all’interno dei grani, il che li rende siti preferenziali per l’accumulo dei soluti e per la nucleazione di nuove fasi. La segregazione può ridurre la coesione dei bordi, modificare la nucleazione della ferrite o alterare la temperatura locale di trasformazione. Anche le interfacce tra ferrite, austenite, bainite, martensite e precipitati presentano campi chimici diversi dalla composizione nominale della lega. Il carbonio può ripartirsi da una fase in trasformazione verso l’austenite; manganese e cromo possono redistribuirsi più lentamente perché sono elementi sostituzionali. Un bordo arricchito in un elemento e impoverito in un altro può accelerare o ritardare localmente la trasformazione. Lo stesso acciaio può quindi contenere regioni con sequenze di trasformazione diverse, soprattutto in prossimità di inclusioni, bordi dei grani di austenite preesistenti, zone termicamente alterate dalla saldatura e bande di segregazione dovute alla colata. Le interfacce controllano più della sola formazione delle fasi. Le particelle fini di TiN fissano i bordi dell’austenite; il niobio in soluzione o sotto forma di precipitati limita la ricristallizzazione; le particelle di VC e V(C,N) ostacolano il movimento delle dislocazioni e aumentano il carico di snervamento. Le inclusioni di solfuri possono fornire siti di nucleazione, ma anche ridurre la tenacità, a seconda della morfologia e dell’orientamento. Negli acciai inossidabili, il cromo deve rimanere sufficientemente disponibile in prossimità della superficie per mantenere la passivazione mediante ossido di cromo, mentre nichel, molibdeno, azoto, carbonio ed elementi stabilizzanti influenzano la stabilità dell’austenite, l’incrudimento, la sensibilizzazione e la formazione di fasi secondarie. L’analisi chimica è quindi soltanto il punto di partenza. Un’affermazione significativa su un elemento deve identificarne l’intervallo di concentrazione, la posizione nella fase, lo stato di segregazione, la popolazione di precipitati, la dimensione dei grani, la velocità di raffreddamento, il ciclo di riscaldamento e laminazione e le condizioni di rinvenimento. In assenza di queste variabili, “il cromo aumenta la durezza” o “il nichel migliora la tenacità” non è un risultato, ma un’ipotesi incompleta. ## 11. Interpretare la Chimica delle Leghe Attraverso le Qualità e le Norme degli Acciai Una designazione dell’acciaio è un’informazione sintetica, non una descrizione completa del materiale. Può indicare una famiglia chimica, una classe di resistenza, una classificazione degli acciai inossidabili, una forma di prodotto o una categoria di specifica. La norma applicabile fornisce le condizioni mancanti: composizione ammessa, requisiti di resistenza a trazione e di snervamento, allungamento, prove d’impatto, stato di trattamento termico, regole dimensionali, campionamento e temperatura di prova. Leggere soltanto il nome può quindi portare a un’identificazione chimicamente plausibile ma tecnicamente errata. La World Steel Association definisce l’acciaio come una lega ferro–carbonio contenente meno del 2% di carbonio, nella quale sono inoltre presenti manganese e quantità minori di silicio, fosforo, zolfo e ossigeno. Steeluniversity annovera silicio, manganese, zolfo, fosforo, alluminio, rame, stagno, cromo, nichel e molibdeno tra gli elementi che influenzano il comportamento degli acciai al carbonio comuni. I loro effetti non sono indipendenti. Una piccola variazione del tenore di carbonio può modificare la risposta al cromo; il nichel può cambiare l’intervallo di temperatura nel quale l’austenite è stabile; il molibdeno può modificare la precipitazione dei carburi e la risposta al rinvenimento; inoltre, il processo può determinare se la stessa composizione nominale si trasformi in ferrite, perlite, bainite, martensite o in una miscela di queste fasi. ### Limiti di composizione e logica delle designazioni Si deve partire dalla designazione completa e dal documento che la disciplina. Occorre porsi quattro domande: quale norma si applica, quale forma di prodotto è contemplata, quale condizione di fornitura o di trattamento termico è specificata e quale edizione della norma ha valore contrattuale? Una designazione riportata su un disegno può identificare una famiglia, lasciando tuttavia la condizione richiesta a una clausola separata d’acquisto o di ingegneria. Lamiere, barre, pezzi fucinati, fili, tubi e prodotti colati possono avere limiti e prove differenti anche quando le loro ampie famiglie di leghe appaiono simili. La composizione è normalmente espressa come intervallo o valore massimo, non come una ricetta. Il carbonio può essere limitato da un valore massimo, mentre manganese, cromo, nichel o molibdeno possono essere soggetti a limiti inferiore e superiore. Il termine “massimo” è importante. Non significa che ogni colata contenga quella quantità, né che il valore medio rappresenti la specifica. Elementi residui come fosforo, zolfo, rame, stagno e azoto possono essere soggetti a restrizioni perché influenzano tenacità, saldabilità, fragilità a caldo, comportamento alla corrosione o stabilità delle fasi. Una designazione può inoltre codificare una classe di proprietà anziché una composizione chimica esatta. Una specifica per un acciaio basso-legato ad alta resistenza, o HSLA, può consentire diverse strategie di lega per ottenere il carico di snervamento e la tenacità richiesti. Un produttore può fare maggiore affidamento sul niobio e sulla laminazione controllata; un’altra composizione ammessa può ottenere la resistenza attraverso la precipitazione del vanadio o mediante un diverso bilanciamento di manganese e silicio. La designazione, da sola, non rivela il ciclo di laminazione, la velocità di raffreddamento, la dimensione dei grani o la popolazione di precipitati. La distinzione è particolarmente importante in prossimità dei confini di fase. Nippon Steel riferisce che il comportamento di trasformazione può variare sensibilmente anche con una differenza di appena l’1% nella concentrazione di un elemento di lega. Tale variazione può modificare le temperature di inizio della trasformazione, la temprabilità, l’austenite residua oppure la frazione di bainite e martensite. Neppure l’analisi globale racconta tutta la storia: la segregazione ai bordi di grano e alle interfacce può cambiare il punto in cui iniziano le trasformazioni e il meccanismo che prevale. Una colata che rispetta gli stessi limiti chimici può comunque presentare microstrutture diverse dopo cicli differenti di riscaldamento, laminazione, raffreddamento o rinvenimento. Gli elementi sostituzionali occupano i normali siti reticolari e aumentano la resistenza deformando il reticolo cristallino. Steeluniversity mette in relazione questo effetto con le dimensioni atomiche, la comprimibilità, la valenza chimica e l’elettronegatività. Carbonio e azoto si comportano principalmente come soluti interstiziali, producendo forti deformazioni locali e interagendo con dislocazioni, vacanze e carburi o nitruri di lega. La designazione registra la concentrazione; raramente registra la distribuzione spaziale che controlla la proprietà finale. ### Famiglie basate su carbonio, cromo, nichel e molibdeno L’acciaio al carbonio comune è definito da un concetto di lega relativamente limitato, ma “comune” non significa chimicamente privo di altri elementi. Il manganese contribuisce al rafforzamento per soluzione solida e si combina con lo zolfo, mentre il silicio influisce sulla disossidazione e sulla resistenza. Lo zolfo può migliorare la lavorabilità alle macchine utensili nelle composizioni controllate, ma può ridurre la duttilità trasversale. Il fosforo può aumentare la resistenza, compromettendo tuttavia la tenacità. Rame, stagno, cromo, nichel e molibdeno possono essere presenti come elementi residui o come aggiunte intenzionali, e la loro importanza dipende dalla concentrazione e dal processo. L’acciaio basso-legato aggiunge quantità controllate di elementi per modificare temprabilità, resistenza, tenacità, resistenza al rinvenimento, comportamento all’usura o comportamento alla corrosione. Il cromo aumenta la temprabilità e può migliorare la resistenza alle alte temperature, all’ossidazione e alla corrosione, ma il suo effetto dipende dall’attività del carbonio, dalla presenza di altri formatori di carburi e dal ciclo termico. Il nichel aumenta la resistenza e la tenacità degli acciai ferritici, fornendo un contributo particolarmente importante alla tenacità all’impatto a temperature inferiori allo zero. Il molibdeno può aumentare la temprabilità e la resistenza al rinvenimento e può modificare la precipitazione dei carburi; inoltre, è importante in diversi sistemi di corrosione degli acciai inossidabili. Gli acciai inossidabili ferritici e gli acciai inossidabili austenitici illustrano perché i nomi degli elementi non possano essere interpretati come risultati garantiti. Il cromo costituisce la base per la formazione di un film protettivo di ossido di cromo, ma la resistenza alla corrosione dipende dall’attività del cromo sulla superficie, dalla chimica dell’ambiente, dalla fabbricazione, dalle inclusioni e dal danneggiamento del film passivo. Il nichel stabilizza l’austenite, mentre l’azoto può rafforzare gli acciai inossidabili austenitici e influenzare l’equilibrio delle fasi. Il carbonio può aumentare la resistenza, ma durante un’esposizione termica non idonea può combinarsi con il cromo, riducendone la concentrazione in prossimità dei bordi di grano e causando sensibilizzazione. Aggiunte di titanio o niobio possono legare il carbonio e ridurre tale rischio, sebbene gli elementi stabilizzanti influenzino anche la risposta alla saldatura, i precipitati e le fasi secondarie. Lo stesso elemento di lega può quindi avere conseguenze ingegneristiche opposte. Il cromo in una lega ferritica può favorire la formazione di ferrite e carburi, mentre il nichel può sopprimere la ferrite e favorire l’austenite. Il molibdeno può migliorare la resistenza alla corrosione localizzata negli acciai inossidabili austenitici, ma la sua interazione con cromo, nichel, azoto e storia termica influenza la formazione della fase sigma o di altre fasi secondarie. Il nome della famiglia identifica la costituzione di fase attesa; non garantisce una singola microstruttura dopo ogni ciclo produttivo. Gli acciai HSLA rendono esplicita la dipendenza dal processo. Durante la laminazione a caldo, il niobio può sopprimere la ricristallizzazione dell’austenite, consentendo alla deformazione di affinare la struttura ferritica finale. Il titanio forma precipitati stabili di TiN che contribuiscono a controllare la dimensione dei grani durante il riscaldamento. Il vanadio forma precipitati fini di VC o V(C,N), che aumentano il carico di snervamento. Tali meccanismi richiedono condizioni appropriate di dissoluzione, laminazione, raffreddamento e precipitazione. Un’aggiunta che rimane sotto forma di particelle grossolane non può fornire lo stesso rafforzamento di una popolazione fine e ben dispersa. ### Perché i nomi delle qualità non sostituiscono i requisiti del materiale Il nome di una qualità deve essere considerato un indice della specifica, non un suo sostituto. Il documento applicabile può richiedere un carico di snervamento minimo in un determinato intervallo di spessore, un intervallo di resistenza a trazione, un allungamento minimo ed energia d’impatto Charpy a una temperatura specificata. Può inoltre prescrivere condizioni di fornitura normalizzate, bonificate, termomeccanicamente controllate, ricotte o solubilizzate. In assenza di tali clausole, “la stessa qualità” può descrivere un materiale con resistenza, tenacità, saldabilità e tensioni residue differenti. Le condizioni di prova fanno parte dei requisiti del materiale. Il carico di snervamento può variare in funzione dell’orientamento del provino, dello spessore, della velocità di deformazione e del metodo di prova. L’energia d’impatto dipende fortemente dalla temperatura e dall’orientamento dell’intaglio. L’analisi chimica può essere ottenuta da un campione di siviera o da un campione di prodotto, con criteri di accettazione differenti. I registri del trattamento termico, le condizioni superficiali, i controlli ultrasonori, i requisiti relativi alla dimensione dei grani e le prove d’impatto supplementari possono essere più importanti per le prestazioni in servizio di una breve designazione stampata accanto al materiale. #### Come leggere una designazione di acciaio Considerare la designazione del grado come un indice della specifica di riferimento. Verificare la forma del prodotto, i limiti di composizione, la condizione di fornitura, le prove meccaniche, la temperatura di prova d’urto e i registri richiesti dei trattamenti termici o delle lavorazioni. Un’interpretazione corretta procede quindi dalla designazione alla norma, dalla norma ai limiti chimici e meccanici e da tali limiti alla storia del processo e al servizio previsto. Si deve confrontare l’analisi della colata con l’intervallo ammesso, verificare la forma del prodotto e la condizione di fornitura, controllare le prove richieste e poi chiedersi quale microstruttura ci si aspetti che tali condizioni producano. Questo approccio impedisce di confondere un’etichetta di famiglia con una garanzia. La chimica definisce le possibilità; la stabilità delle fasi, la segregazione, la precipitazione e la storia produttiva determinano quale di tali possibilità diventi l’acciaio effettivamente disponibile. ## 12. Un metodo pratico per prevedere l’effetto metallurgico di un elemento Un elemento di lega non porta con sé una proprietà fissa. Il cromo non è semplicemente un «elemento anticorrosivo», il vanadio non è soltanto un «elemento di rinforzo» e lo zolfo non è sempre dannoso. Il risultato dipende da dove finiscono gli atomi, da quali fasi sono presenti, da come è stato lavorato l’acciaio e dalla temperatura e dall’ambiente ai quali sarà esposto il componente. #### Domande per prevedere l’effetto di un elemento Dove si trova? Determinare se l’elemento è in soluzione solida, in un sito interstiziale, in un precipitato, in un’inclusione, in un bordo di grano, in una pellicola di ossido o in una fase secondaria. Quale meccanismo è attivo? Identificare la deformazione del reticolo, la precipitazione, l’affinamento del grano, il ritardo della trasformazione, la passivazione o la stabilizzazione dell’austenite. Quale lavorazione è stata eseguita? Verificare la solidificazione, il riscaldamento, la laminazione, il raffreddamento, la tempra, il rinvenimento e la saldatura. Quali condizioni di esercizio si applicano? Considerare la temperatura, l’ambiente, il carico e il tempo di esposizione. Una previsione utile inizia quindi con una sequenza di domande, anziché con un elenco di effetti isolati. Per prima cosa, individuare l’elemento. Poi identificare il meccanismo che può attivare o sopprimere. Infine, verificare tale spiegazione in relazione alla composizione, alla storia termica, alla storia di deformazione e alle condizioni di esercizio. ### Chiedersi dove si trovi l’elemento La prima domanda è di natura fisica: dove si trova l’elemento dopo la solidificazione e la lavorazione? Un elemento può rimanere nella ferrite o nell’austenite come soluto sostituzionale, occupare siti interstiziali, combinarsi con il carbonio o l’azoto formando un carburo o un carbonitruro, segregarsi a un bordo di grano, concentrarsi in un film di ossido oppure formare una distinta fase secondaria. La stessa aggiunta nominale può produrre risultati diversi a seconda di queste differenti collocazioni. Gli atomi sostituzionali rimpiazzano gli atomi di ferro nel reticolo. Steeluniversity descrive il loro effetto di rafforzamento come una distorsione del reticolo cristallino, la cui entità è correlata alle dimensioni atomiche, alla comprimibilità, alla valenza chimica e all’elettronegatività. Manganese, silicio, nichel e cromo possono quindi rafforzare la ferrite rimanendo ampiamente distribuiti in soluzione solida. Il loro effetto non è determinato soltanto dalle dimensioni atomiche: contano anche la fase della matrice, la concentrazione e le interazioni con il carbonio e gli altri soluti. Il carbonio e l’azoto si comportano diversamente perché occupano siti interstiziali e producono forti campi di deformazione locali. Se rimangono disciolti, possono aumentare la resistenza e modificare il comportamento di trasformazione. Se si combinano con cromo, niobio, titanio o vanadio, l’effetto rilevante diventa il controllo della precipitazione o della fase. La distinzione è decisiva. Il vanadio in soluzione può influire sulla temprabilità e sulla cinetica di trasformazione, mentre particelle fini di VC o V(C,N) ostacolano il movimento delle dislocazioni e aumentano il limite di snervamento. Anche la particella in sé è importante. AZoM identifica i precipitati stabili di TiN come uno strumento per controllare la dimensione dei grani durante il riscaldamento dell’acciaio HSLA. Il TiN grossolano formatosi durante la solidificazione non equivale a un precipitato fine e ben disperso. Il primo può fornire un rafforzamento limitato e fungere da sito di innesco delle cricche; il secondo può bloccare i bordi dei grani di austenite. Occorre considerare congiuntamente collocazione, dimensioni, densità numerica e stabilità. La presenza ai bordi di grano introduce un ulteriore insieme di possibilità. Fosforo, zolfo, stagno e antimonio possono segregarsi durante il raffreddamento o il trattamento termico. Tale segregazione può indebolire i bordi, modificare la nucleazione o cambiare il comportamento alla frattura, anche quando la composizione globale appare modesta. Un elemento innocuo in una matrice uniforme può risultare dannoso quando si concentra a un’interfaccia. Il cromo illustra la necessità di identificare la fase o il film rilevante. Nell’acciaio inossidabile, una quantità sufficiente di cromo nella regione superficiale favorisce la formazione di un sottile film di ossido ricco di cromo, che rallenta l’ulteriore ossidazione e dissoluzione. Nichel, molibdeno e azoto possono modificare l’equilibrio tra le fasi e rafforzare o stabilizzare l’austenite, mentre il carbonio e le aggiunte stabilizzanti, come titanio o niobio, influenzano la formazione dei carburi e la sensibilizzazione. Il solo contenuto di cromo non consente di prevedere le prestazioni in termini di resistenza alla corrosione se il film superficiale è danneggiato, se la lega è impoverita in prossimità dei bordi di grano o se una fase secondaria consuma cromo. ### Identificare i meccanismi concorrenti Una volta nota la collocazione dell’elemento, occorre chiedersi quale meccanismo controlli effettivamente la proprietà. I principali candidati sono la distorsione del reticolo, la precipitazione, l’affinamento del grano, il ritardo delle trasformazioni, la passivazione e una variazione della stabilità dell’austenite. Possono operare contemporaneamente più meccanismi, che possono anche contrastarsi a vicenda. Un elemento sostituzionale disciolto può aumentare la resistenza rendendo più difficile il movimento delle dislocazioni. La stessa distorsione può ridurre la duttilità, ma tale variazione non è garantita: una piccola aggiunta può aumentare la resistenza con una modesta perdita di allungamento se l’affinamento del grano o un favorevole equilibrio tra le fasi compensano la penalizzazione dovuta al soluto. Silicio e manganese, per esempio, possono rafforzare la ferrite, mentre il manganese modifica anche la stabilità dell’austenite e le temperature di trasformazione. La precipitazione produce una risposta diversa. Le particelle fini ostacolano le dislocazioni e bloccano i bordi dei grani in movimento. Il niobio sopprime la ricristallizzazione dell’austenite durante la laminazione a caldo dell’acciaio HSLA, consentendo l’accumulo della deformazione e contribuendo alla formazione di una struttura di trasformazione affinata. Il nitruro di titanio controlla la dimensione dei grani di austenite durante il riscaldamento. Il vanadio forma precipitati fini di VC o V(C,N), che aumentano il limite di snervamento. Questi meccanismi dipendono dalla temperatura di precipitazione, dalle dimensioni delle particelle, dalla dissoluzione durante il riscaldamento e dalla velocità di raffreddamento. Un’aggiunta nominale di vanadio non garantisce un utile rafforzamento per precipitazione se l’equilibrio tra carbonio e azoto, il ciclo di laminazione o il trattamento di rinvenimento non sono adeguati. Il ritardo delle trasformazioni può migliorare la temprabilità ritardando la formazione di ferrite, perlite o bainite fino a temperature inferiori. Cromo e molibdeno contribuiscono comunemente in questo modo, ma il loro effetto dipende dalla composizione complessiva della lega e dalla dimensione dei grani di austenite. Un acciaio che presenta un’elevata temprabilità in uno spessore di sezione può non presentarla in un altro, perché la velocità di raffreddamento controlla quali trasformazioni hanno il tempo di verificarsi. La stabilità dell’austenite costituisce un percorso distinto verso la modifica delle proprietà. Il nichel stabilizza l’austenite e aumenta la resistenza e la tenacità dell’acciaio ferritico, in particolare a temperature inferiori allo zero, ma negli acciai inossidabili il suo equilibrio con cromo, carbonio, azoto e manganese contribuisce a determinare se la struttura sia completamente austenitica, ferritica o duplex. Aggiunte eccessive o scarsamente controllate possono favorire fasi secondarie indesiderate. La passivazione, invece, è un processo superficiale e non un normale meccanismo di rafforzamento della massa del materiale. Un film di ossido ricco di cromo può migliorare la resistenza alla corrosione, pur avendo un effetto diretto minimo sulla resistenza a trazione. I meccanismi possono entrare in conflitto. Un carburo può aumentare la durezza, ma rimuovere cromo dalla matrice e compromettere la resistenza alla corrosione localizzata. L’affinamento del grano può migliorare la resistenza e la tenacità, mentre precipitati grossolani possono produrre l’effetto opposto. Lo zolfo può migliorare la lavorabilità formando inclusioni di solfuro di manganese, ma tali inclusioni possono ridurre la duttilità trasversale e la resistenza alla corrosione-fatica. ### Verificare la composizione, la lavorazione e la temperatura di esercizio La verifica successiva è quantitativa. Non bisogna chiedersi se un elemento sia presente; occorre chiedersi in quale quantità sia presente, in quale equilibrio e in quale fase. Il rapporto di Nippon Steel avverte che il comportamento di trasformazione di fase degli acciai può variare considerevolmente anche con una differenza di appena l’1% nella concentrazione di un elemento di lega. Tale differenza può modificare le temperature critiche, le frazioni di fase, la segregazione, la stabilità dei precipitati o il tempo disponibile per la trasformazione. La lavorazione può prevalere sulla composizione chimica nominale. La solidificazione controlla la segregazione e la formazione delle inclusioni. La laminazione a caldo controlla la ricristallizzazione e la tessitura. Il riscaldamento può dissolvere TiN, NbC o VC, oppure lasciarli intatti. La velocità di raffreddamento determina se l’austenite si trasforma in ferrite, perlite, bainite o martensite. La tempra e il rinvenimento ridistribuiscono il carbonio e riducono le tensioni, mentre la saldatura crea cicli termici locali che possono produrre grani grossolani, zone dure o regioni sensibilizzate. La temperatura di esercizio deve essere verificata separatamente. Un precipitato stabile durante la produzione può ingrossarsi durante una lunga esposizione a temperatura elevata. Un’austenite stabile a temperatura ambiente può trasformarsi sotto deformazione o durante un raffreddamento a temperature inferiori allo zero. Il contributo del nichel alla tenacità a bassa temperatura non può essere dedotto dalla sua resistenza a trazione a temperatura ambiente. Anche la resistenza alla corrosione dipende dall’ambiente: l’esposizione ai cloruri, l’acidità, il potenziale, le interstiziature e la temperatura possono determinare se la passivazione persiste. Il quadro diagnostico finale è quindi il seguente: individuare l’elemento nella soluzione solida, in un carburo o carbonitruro, a un bordo di grano, in un film di ossido o in una fase secondaria; identificare se il meccanismo attivo sia la distorsione del reticolo, la precipitazione, l’affinamento del grano, il ritardo delle trasformazioni, la passivazione o una variazione della stabilità dell’austenite; quindi verificare la concentrazione, la lavorazione termica, la lavorazione meccanica e la temperatura di esercizio. Solo dopo tali verifiche si dovrebbero prevedere la resistenza, la duttilità, la tenacità, la resistenza alla corrosione, la lavorabilità, la temprabilità o la risposta al trattamento termico. **L’alligazione dell’acciaio in sintesi** Limite di tenore di carbonio dell’acciaio Meno del 2% di carbonio Principale elemento interstiziale Carbonio Comuni elementi sostituzionali Manganese, silicio, nichel, cromo e molibdeno Meccanismi chiave Rafforzamento per soluzione solida, precipitazione, affinamento del grano e controllo delle trasformazioni di fase [Torna a Famiglie di acciai](/it/wiki/famiglie-di-acciai "Famiglie di acciai — Steel Wiki")