Come leggere le tabelle della composizione chimica e delle proprietà meccaniche dell'acciaio

Come leggere una tabella della composizione dell’acciaio e delle proprietà meccaniche

Una tabella relativa agli acciai è un riferimento, non una specifica. Le sue righe condensano informazioni che normalmente appartengono a una norma di prodotto, a un intervallo dimensionale, a un ciclo di fabbricazione, a una condizione di trattamento termico e a un metodo di prova. Una designazione come AISI 4140, 304 o S355 identifica una famiglia o una designazione di grado, ma non stabilisce di per sé ogni limite chimico o requisito meccanico applicabile a un prodotto fornito.

Il documento di riferimento viene prima di tutto. ASTM A240 riguarda piastre, lamiere e nastri di acciaio inossidabile al cromo e al cromo-nichel per recipienti a pressione e applicazioni generali; ASTM A276 riguarda barre e profilati di acciaio inossidabile. Entrambe possono includere gradi designati 304, ma la forma del prodotto, la condizione di fabbricazione ammessa, le regole dimensionali e le disposizioni relative alle prove non sono identiche. Analogamente, S355 nell’ambito di una norma europea relativa ai prodotti strutturali non è un’identità del materiale svincolata dal contesto. La norma EN di prodotto applicabile determina i requisiti per piastre, profilati, profilati cavi o altre forme.

Una tabella utile deve pertanto avere un campo di applicazione dichiarato. Dovrebbe identificare la norma, la designazione del grado, la forma del prodotto, la condizione di fornitura, lo spessore o la dimensione della sezione, le unità di misura, la direzione della prova e i criteri di accettazione. In assenza di questi dati, una riga può consentire un confronto preliminare, ma non può stabilire la conformità.

Che cosa rappresenta effettivamente una riga relativa a un grado

Una riga relativa a un grado rappresenta una specifica sezione definita di un sistema di specifiche. Come minimo, collega una designazione alla composizione chimica e a uno o più requisiti relativi alle proprietà. In una buona tabella, può inoltre indicare se i valori si applicano a una barra laminata a caldo, a una piastra normalizzata, a un acciaio legato bonificato, a un acciaio inossidabile ricotto in soluzione o a un’altra condizione.

ASTM A400 collega la selezione delle barre di acciaio al grado, alla composizione chimica, allo stato di lavorazione, alla dimensione della sezione e al carico di snervamento minimo desiderato. Strong evidence

[1][1] Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties. ASTM International. ASTM standard.

ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties, chiarisce questo punto in modo particolarmente evidente. Le sue indicazioni tabulate collegano la scelta delle barre di acciaio al grado, alla composizione chimica, alla condizione di lavorazione, alla dimensione della sezione e al carico unitario di snervamento minimo desiderato. Di conseguenza, una riga non rappresenta semplicemente “le proprietà del 4140”. È un’indicazione riferita a uno specifico contesto di prodotto in barre, nel quale la resistenza è influenzata dal modo in cui l’acciaio è stato lavorato e dalla dimensione della sezione.

La stessa designazione può comportare requisiti diversi in un’altra specifica di prodotto. Una piastra può essere fornita normalizzata, normalizzata e rinvenuta, oppure temprata e rinvenuta. Una barra può essere ricotta o trafilata a freddo. Queste condizioni modificano la durezza, il carico unitario di snervamento, la resistenza a trazione e la duttilità, anche quando la composizione chimica di colata rientra negli stessi limiti del grado.

Anche le dimensioni fanno parte dell’identità del requisito. Gli acciai strutturali presentano comunemente carichi unitari di snervamento minimi inferiori a spessori maggiori, poiché le velocità di raffreddamento e le condizioni di trasformazione differiscono attraverso la sezione. L’Eurocodice 3, EN 1993-1-1 Sezione 3.2.6, elenca le proprietà dei materiali di progetto per S235, S275, S355, S420, S450 e S460, ma tali valori sono dati di progetto legati al quadro dell’Eurocodice e alle relative disposizioni correlate allo spessore. Non dovrebbero essere copiati in una tabella di uso generale e presentati come risultati universali delle prove di trazione.

La direzione della prova costituisce un altro limite. Una piastra laminata può presentare valori diversi di resistenza, allungamento, riduzione di area e tenacità in direzione trasversale e longitudinale rispetto alla direzione di laminazione. Una riga relativa alle proprietà meccaniche che omette la direzione può celare un requisito applicabile solo longitudinalmente o solo trasversalmente. Anche la temperatura può essere rilevante, soprattutto per l’energia d’urto.

Le norme ASTM riguardano le proprietà chimiche, meccaniche, metallurgiche e altre proprietà dei materiali per acciai al carbonio, strutturali, inossidabili, ferritici, austenitici e legati. Questa ampiezza è un avvertimento a non considerare una breve designazione del grado come una definizione completa del materiale.

Limiti di composizione rispetto alle analisi dichiarate

Analisi di colataAnalisi di colata Un’analisi chimica destinata a rappresentare la composizione di una particolare colata o siviera di acciaio.

Le tabelle della composizione chimica mostrano generalmente limiti, non un’analisi garantita. Una specifica può indicare, per esempio, carbonio 0,08% massimo, manganese 2,00% massimo, oppure cromo compreso tra valori minimo e massimo specificati. Si tratta di limiti di accettazione, comunemente espressi in percentuale in massa. Non indicano che ogni colata contenga il valore intermedio dell’intervallo.

Un certificato di collaudo di stabilimento può riportare un’analisi di colata come carbonio 0,045%, manganese 1,52% e cromo 18,20%. Questi dati descrivono la colata sottoposta a prova, nel rispetto delle regole di campionamento e analisi della norma. Non sostituiscono i limiti della specifica. Al contrario, una tabella illustrativa può riportare carbonio 0,20% per un grado il cui intervallo ammesso è 0,17–0,23%. Questo singolo numero è utile per un orientamento, ma non può determinare la conformità.

La distinzione diventa particolarmente importante per gli elementi di lega e gli elementi residui. Fosforo e zolfo possono essere soggetti a limiti massimi; silicio e manganese possono essere soggetti a intervalli; azoto, rame, niobio, titanio o altri elementi possono essere controllati a seconda del grado e della norma di prodotto. Una tabella comparativa che arrotondi i valori, combini edizioni diverse o ometta elementi opzionali può creare una falsa equivalenza.

SSINA, per esempio, pubblica tabelle della composizione espressa in percentuale in massa e delle proprietà meccaniche specificate per i gradi di acciaio inossidabile austenitico disciplinati dalle specifiche di prodotto ASTM. Una tabella di questo tipo è utile solo quando vengono mantenute la specifica ASTM citata e la forma del prodotto. Anche il Nickel Institute separa in forma tabellare la composizione chimica, le proprietà meccaniche, le proprietà fisiche e le specifiche. Mantenere separate queste categorie di proprietà impedisce che un valore della composizione venga scambiato per una garanzia prestazionale.

Le tabelle comparative richiedono ulteriore cautela. L’Handbook of Comparative World Steel Standards fornisce tabelle separate per le composizioni chimiche e le proprietà meccaniche nell’ambito dei sistemi internazionali di designazione. Questa separazione è giustificata: nomi simili o composizioni approssimativamente equivalenti non dimostrano che due gradi abbiano identiche regole di lavorazione, requisiti di tenacità, disposizioni relative alla purezza o valori meccanici minimi. “Equivalente” dovrebbe significare equivalente per un uso e una norma dichiarati, non semplicemente simile in una colonna chimica.

Proprietà specificate rispetto alle proprietà tipiche

Una proprietà specificata è un requisito contrattuale o basato su una norma. Se una specifica di prodotto richiede un carico unitario di snervamento minimo di 355 MPa, un valore misurato inferiore a tale soglia non soddisfa il requisito, salvo che la norma preveda una valida eccezione o una procedura di ripetizione della prova. Se specifica una durezza massima, anche un valore dichiarato superiore a tale limite è significativo.

Una proprietà tipica è un’informazione rappresentativa e non sostituisce un valore minimo o massimo specificato. Strong evidence

Una proprietà tipica è diversa. È un valore osservato, rappresentativo o comunemente pubblicato, spesso associato a uno specifico trattamento termico e all’orientamento del provino. La resistenza a trazione tipica di una determinata condizione può essere 700 MPa, mentre la specifica stabilisce solo un valore minimo di 655 MPa. Il valore tipico aiuta gli ingegneri a stimare il comportamento; non eleva a 700 MPa il requisito minimo.[2][2] Mechanical Properties of Carbon and Alloy Steels. ASM International. ASM Metals Handbook.

La differenza è fondamentale, perché la resistenza non è determinata dalla sola composizione chimica. ASM International afferma che le proprietà degli acciai al carbonio e legati derivano dagli effetti combinati della composizione chimica, della lavorazione e della microstruttura. La velocità di tempra, la temperatura di rinvenimento, la dimensione dei grani, la deformazione precedente e lo spessore della sezione possono modificare durezza, tenacità, carico unitario di snervamento e allungamento all’interno dello stesso grado chimico.

[3][3] General Content and Format of ASTM Standard Specifications for Steel Products. American Institute of Steel Construction. AISC Engineering FAQ.

Una tabella dovrebbe indicare chiaramente ogni valore: massimo, minimo, intervallo, tipico, nominale, valore di progetto oppure analisi dichiarata. Dovrebbe inoltre identificare, ove applicabile, la norma di prova, la posizione del provino, l’orientamento, la temperatura e la condizione di fornitura. Per i profilati strutturali e le piastre, l’American Institute of Steel Construction osserva che le specifiche di prodotto ASTM contengono generalmente requisiti sia relativi alla composizione chimica sia relativi alle proprietà meccaniche; nessuna delle due categorie può sostituire in modo sicuro l’altra.

La regola editoriale è semplice: non trattare mai una tabella copiata come sostitutiva della norma applicabile. Utilizzare la tabella per individuare un grado e comprendere le variabili. Verificare quindi la specifica di riferimento, la forma del prodotto, la condizione, le dimensioni, l’edizione e i requisiti di prova prima di dichiarare la conformità o attribuire proprietà ingegneristiche.

L’architettura delle designazioni e delle norme per gli acciai

Logica delle designazioni ASTM e ASME

Una designazione dell’acciaio non costituisce un’identità completa del materiale. È un indirizzo all’interno di un particolare sistema normativo. ASTM A36, per esempio, identifica una specifica per acciaio al carbonio strutturale, ma la specifica disciplina aspetti che vanno oltre il nome: definisce le forme di prodotto ammesse, i limiti chimici, i requisiti di resistenza a trazione e di snervamento, i metodi di prova, le condizioni di fornitura e, talvolta, i requisiti supplementari. ASTM A572/A572M Grade 50 si riferisce a un acciaio strutturale basso-legato ad alta resistenza, con un carico di snervamento minimo specificato; tuttavia, i limiti applicabili e le disposizioni relative alle prove dipendono ancora dal prodotto compreso nella specifica.

Il sistema ASTM combina generalmente una lettera, un numero progressivo e, ove necessario, un grado, un tipo, una classe o una designazione supplementare. La lettera indica l’ambito generale: “A” comprende i materiali ferrosi, mentre il numero identifica una specifica particolare. “A36” e “A572”, quindi, non sono due composizioni chimiche universali. Sono identità di specifiche. “Grade 50” esprime una classe di resistenza all’interno di A572/A572M, non un grado autonomo trasferibile invariato a ogni prodotto di acciaio.

La distinzione è evidente in ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties. Le sue tabelle mettono in relazione i gradi delle barre con la composizione chimica, la condizione di lavorazione, la dimensione della sezione e il carico di snervamento minimo desiderato. Questa struttura mette in guardia dal considerare una singola riga come un requisito completo di acquisto o di progettazione. Una lega di tipo 4140, in condizione laminata a caldo, normalizzata, bonificata o finita a freddo, può presentare valori significativamente diversi di resistenza, durezza e duttilità. Inoltre, dopo il trattamento termico, le sezioni di maggiori dimensioni possono non raggiungere le stesse proprietà attraverso lo spessore delle sezioni più piccole.

Le norme ASTM per gli acciai comprendono acciai al carbonio, strutturali, inossidabili, ferritici, austenitici e legati e possono specificare proprietà chimiche, meccaniche, metallurgiche e di altro tipo. AISC spiega che le specifiche per gli acciai strutturali destinati a profilati e lamiere contengono generalmente sia requisiti di composizione sia requisiti relativi alle proprietà meccaniche. Nessuna delle due tabelle sostituisce l’altra. La composizione chimica stabilisce quali elementi di lega e residui sono ammessi; i requisiti meccanici stabiliscono ciò che il prodotto fornito deve raggiungere durante le prove.

Le designazioni ASME spesso rendono visibile un secondo livello di controllo. Nel ASME Boiler and Pressure Vessel Code, una specifica ASTM può comparire con il prefisso “SA”, come nel caso di SA-516/SA-516M per lamiere destinate a recipienti a pressione, anziché A516/A516M. Tale prefisso segnala l’accettazione all’interno del sistema normativo ASME, ma non elimina l’importanza della specifica di riferimento, dell’edizione, della forma del prodotto, del grado, del trattamento termico o dei requisiti supplementari. Le versioni metriche e quelle basate sulle unità consuetudinarie possono inoltre prevedere requisiti o convenzioni d’ordine distinti. “SA-516 Grade 70”, pertanto, non è un’identità svincolata che può essere sostituita con qualsiasi lamiera denominata “A516 Grade 70” senza verificare il codice e l’edizione applicabili.

Anche la scorciatoia dalla composizione alle proprietà non è valida dal punto di vista metallurgico. ASM International afferma che le proprietà degli acciai al carbonio e degli acciai legati derivano dagli effetti combinati di composizione, processo e microstruttura. Il tenore di carbonio, il manganese, il cromo, il nichel, il molibdeno e il boro influenzano la temprabilità e le trasformazioni di fase, ma la riduzione di laminazione, la velocità di raffreddamento, il rinvenimento, la dimensione dei grani e lo spessore della sezione modificano la struttura risultante. Una tabella di composizione può mostrare se una colata rientra in un determinato limite. Da sola, però, non può dimostrare il carico di snervamento, la tenacità all’urto, la durezza o la saldabilità.

Designazioni europee come S235 e S355

Le designazioni europee degli acciai strutturali codificano un insieme diverso di informazioni. Nel sistema EN, la “S” di S235 e S355 identifica l’acciaio strutturale, mentre il numero indica il carico di snervamento minimo nominale, espresso in megapascal, per un determinato prodotto e intervallo di spessore. Il numero non è un codice di equivalenza chimica. S355 non significa che ogni prodotto contrassegnato S355 abbia un tenore fisso di carbonio, manganese, silicio o elementi di lega.

Il suffisso è importante. Nelle norme di prodotto EN 10025, designazioni come S235JR, S355J2 e S355K2 includono categorie di tenacità all’urto. “JR”, “J0”, “J2” e “K2” corrispondono a diversi requisiti di resilienza Charpy con intaglio a V e a diverse temperature di prova. “N” o “NL” possono identificare condizioni di fornitura normalizzata o laminata normalizzata nelle norme di prodotto pertinenti. Una designazione priva del suffisso completo può omettere informazioni che controllano le prestazioni a bassa temperatura e la condizione di lavorazione.

Anche lo spessore modifica il significato della resistenza dichiarata. I requisiti EN assegnano comunemente valori minimi di snervamento diversi agli intervalli di spessore; pertanto, il valore di 355 MPa associato a S355 non è necessariamente il carico di snervamento richiesto per ogni spessore di lamiera o per ogni profilato. Norme di prodotto come EN 10025-2 disciplinano gli acciai strutturali non legati laminati a caldo, mentre altre norme EN riguardano profilati cavi, prodotti fucinati, elementi di fissaggio o prodotti inossidabili. La norma di prodotto fa parte dell’identità del materiale.

SteelConstruction.info distingue il sistema europeo di designazione degli acciai strutturali dalle norme che disciplinano la composizione chimica e le proprietà meccaniche. L’Eurocodice 3 introduce quindi le proprietà dei materiali per la progettazione attraverso EN 1993-1-1, Sezione 3.2.6. La sua tabella comprende S235, S275, S355, S420, S450 e S460, ma questi sono valori di progetto legati al quadro dell’Eurocodice e non sostituiscono il certificato di colata o la norma di prodotto EN applicabile. Una tabella di progetto e una tabella di accettazione del materiale rispondono a domande diverse.[4][4] Composition and Properties. Specialty Steel Industry of North America. SSINA technical resources.

Le designazioni degli acciai inossidabili mostrano lo stesso principio da un’altra prospettiva. “304” può riferirsi a una designazione di famiglia utilizzata in diversi sistemi, mentre ASTM A240 Type 304 riguarda lamiere, nastri e fogli con requisiti specifici per il prodotto. SSINA presenta sia i limiti di composizione espressi in percentuale in massa sia le proprietà meccaniche specificate per i gradi di acciaio inossidabile austenitico coperti dalle specifiche di prodotto ASTM. La riga relativa alla composizione chimica e quella relativa alla resistenza a trazione devono essere lette insieme, considerando anche la forma del prodotto e la sua condizione.

Dichiarazioni di equivalenza nazionali e internazionali

Le tabelle comparative sono utili per individuare gradi correlati. Non costituiscono certificati di intercambiabilità. Il Handbook of Comparative World Steel Standards separa i confronti delle composizioni chimiche dai confronti delle proprietà meccaniche tra i sistemi internazionali di designazione. Questa separazione è essenziale: due gradi possono presentare intervalli simili per carbonio, cromo, nichel o molibdeno, pur differendo per carico di snervamento, prove d’urto, trattamento termico, limiti dimensionali o regole di ispezione.

Una tabella che pone ASTM A36 accanto a EN S235JR può mostrare una relazione pratica di famiglia basata sulla resistenza nominale e sull’uso strutturale comune. Non dimostra che ogni prodotto A36 soddisfi ogni requisito di S235JR, né che uno dei due gradi soddisfi i requisiti dell’altro in materia di tenacità, spessore, composizione chimica o condizioni di fornitura. La stessa cautela si applica ad ASTM A572 Grade 50 e S355. I loro livelli di resistenza nominale sono correlati, ma i numeri dei gradi non stabiliscono una corrispondenza per saldabilità, prestazioni all’urto, limiti di spessore o requisiti di certificazione.

Le tabelle del Nickel Institute collocano per questo motivo la composizione chimica, le proprietà meccaniche, le proprietà fisiche e le specifiche in categorie separate. I confronti rappresentativi di Engineering ToolBox relativi a carbonio, cromo, manganese, molibdeno, nichel, fosforo, zolfo e silicio possono aiutare a identificare ampie famiglie di leghe, ma i valori rappresentativi non costituiscono limiti vincolanti della specifica. Il manuale sugli acciai inossidabili di Outokumpu, le tabelle SSINA e i dati pratici di Metallus svolgono una funzione di riferimento analoga.

Una dichiarazione di equivalenza difendibile deve indicare entrambe le norme, la designazione completa, la forma del prodotto, lo spessore o la dimensione della sezione, la condizione di fornitura, la direzione di prova, i requisiti di temperatura e l’edizione applicabile. Se manca uno qualsiasi di questi elementi, “equivalente” dovrebbe essere interpretato come “simile per un confronto iniziale”, non come autorizzazione a sostituire un materiale con un altro.

Tabelle della composizione chimica: elementi e loro funzioni

Le tabelle della composizione chimica riportano normalmente ciascun elemento come percentuale in massa, generalmente indicata come wt.% o semplicemente %. Un valore come C 0,20 significa che il carbonio rappresenta lo 0,20% della massa dell’acciaio. La tabella può indicare un valore massimo, un valore minimo oppure un intervallo consentito. Questa distinzione è importante: “P 0,040 max” non rappresenta lo stesso requisito di “Mn 0,80–1,20”, e nessuno dei due valori identifica autonomamente l’acciaio indipendentemente dalla norma di prodotto applicabile.

Le tabelle della composizione e quelle delle proprietà meccaniche rispondono a domande diverse. Le tabelle chimiche definiscono quali elementi possono essere presenti nella colata; le tabelle meccaniche riportano risultati quali carico di snervamento, resistenza a trazione, allungamento, durezza o energia d’urto per uno specifico prodotto e una determinata condizione di prova. ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties, mette in relazione grado, composizione, condizione di lavorazione, dimensione della sezione e carico di snervamento minimo richiesto, proprio perché la sola composizione chimica non può stabilire un risultato meccanico garantito. Anche l’ASM Metals Handbook attribuisce le proprietà degli acciai al carbonio e degli acciai legati agli effetti combinati di composizione, lavorazione e microstruttura.

Engineering ToolBox presenta confronti rappresentativi delle percentuali in massa per diversi gradi di acciaio, includendo carbonio, cromo, manganese, molibdeno, nichel, fosforo, zolfo e silicio. Una tabella di questo tipo è utile per osservare differenze chimiche generali, ma non dovrebbe sostituire la specifica di prodotto ASTM, EN, ISO o di altro tipo applicabile. Le tabelle di SSINA per gli acciai inossidabili austenitici, l’Outokumpu Stainless Steel Handbook e Practical Data for Metallurgists di Metallus forniscono dati più orientati alle specifiche o ai singoli gradi; tuttavia, anche per queste fonti valgono i limiti indicati nell’ambito di applicazione dichiarato da ciascuna.

Carbonio, manganese, silicio, fosforo e zolfo

Il carbonio è il principale elemento interstiziale di rafforzamento negli acciai comuni al carbonio e negli acciai legati. L’aumento del tenore di carbonio incrementa generalmente durezza, resistenza a trazione e resistenza ottenibile dopo tempra e rinvenimento. Aumenta inoltre, in una certa misura, la temprabilità, sebbene gli elementi di lega e la dimensione della sezione influenzino fortemente la profondità di tempra. Il prezzo da pagare è una riduzione della duttilità, una minore saldabilità e una maggiore sensibilità alla formazione di strutture fragili nella zona termicamente alterata. Negli acciai inossidabili, il carbonio può combinarsi con il cromo formando carburi di cromo, comunemente rappresentati da composti quali Cr23C6. La precipitazione ai bordi di grano può ridurre la resistenza locale alla corrosione creando regioni impoverite di cromo.

Il numero presente nella designazione di un grado può suggerire un determinato tenore di carbonio, ma non costituisce un’identificazione universale. AISI 1045, una barra ASTM A576 1045 e un altro prodotto commercializzato con una designazione 1045 simile possono avere composizione chimica consentita, dimensioni, trattamento termico o requisiti meccanici differenti. Il documento di riferimento è la specifica di prodotto, non la breve designazione del grado.

Il manganese rafforza la ferrite attraverso effetti di soluzione solida e si combina con lo zolfo formando inclusioni di solfuro di manganese. Questo è importante negli acciai al carbonio, poiché il manganese riduce l’effetto nocivo del solfuro di ferro, che può provocare fragilità a caldo. Il manganese aumenta inoltre la temprabilità e può contribuire a una maggiore resistenza dopo il trattamento termico. Un tenore eccessivo o non adeguatamente controllato di manganese può influire su tenacità, segregazione, saldabilità e stabilità delle fasi. Negli acciai austenitici ad alto tenore di manganese, il suo ruolo è più rilevante: contribuisce a stabilizzare l’austenite e può modificare il comportamento durante le trasformazioni e la deformazione.

Il silicio viene comunemente aggiunto come disossidante durante la produzione dell’acciaio. Rafforza la ferrite e può migliorare la resistenza all’ossidazione in applicazioni selezionate, ma un tenore più elevato può ridurre la tenacità o complicare la saldatura e la formatura. Il silicio è inoltre importante negli acciai elettrici, nei quali aumenta la resistività elettrica e riduce le perdite per correnti parassite. Una tabella ingegneristica generale può indicare il silicio come costituente secondario, mentre una specifica particolare può imporre un intervallo più ristretto perché la lavorazione, le prestazioni magnetiche o la saldabilità lo richiedono.

Il fosforo è generalmente controllato come impurità. Può aumentare resistenza e durezza attraverso il rafforzamento per soluzione solida, ma un tenore elevato di fosforo riduce generalmente duttilità e tenacità e può favorire l’infragilimento, soprattutto in condizioni termiche o di segregazione sfavorevoli. Lo zolfo migliora la lavorabilità per asportazione di truciolo formando inclusioni di solfuro, in particolare solfuro di manganese, ma tali inclusioni possono ridurre la duttilità trasversale, la resistenza a fatica e la tenacità attraverso lo spessore. I gradi a lavorabilità migliorata accettano pertanto tenori di zolfo che sarebbero limitati nei prodotti per recipienti a pressione, nelle applicazioni strutturali o nei prodotti saldati soggetti a requisiti rigorosi. Una tabella della composizione registra la quantità consentita; non descrive di per sé la forma e la distribuzione delle inclusioni né il comportamento meccanico risultante.

Cromo, nichel, molibdeno e azoto

Il cromo aumenta la temprabilità, favorisce la formazione di carburi e migliora la resistenza all’ossidazione e alla corrosione acquosa. Le designazioni degli acciai inossidabili richiedono un tenore di cromo sufficiente a formare una pellicola protettiva di ossido ricca di cromo, ma le prestazioni richieste dipendono da più fattori rispetto al solo tenore totale di cromo. Carbonio, azoto, molibdeno, condizioni superficiali, storia di saldatura e ambiente di esercizio sono tutti elementi rilevanti. Il cromo può stabilizzare la ferrite, mentre i carburi di cromo o le fasi intermetalliche possono sottrarre cromo alla matrice circostante e ridurre la resistenza alla corrosione localizzata.

Il nichel stabilizza l’austenite e migliora generalmente la tenacità, in particolare alle basse temperature. Negli acciai inossidabili austenitici, il nichel contribuisce a mantenere la struttura austenitica cubica a facce centrate; negli acciai legati, contribuisce alla temprabilità e alla tenacità senza la stessa tendenza a formare carburi del cromo o del molibdeno. Il tenore di nichel influisce quindi sull’equilibrio tra le fasi, sulla risposta magnetica, sul comportamento durante le trasformazioni e sulle prestazioni di resistenza alla corrosione. La familiare descrizione “18-8” di molti acciai inossidabili austenitici indica una famiglia approssimativa cromo-nichel e non sostituisce una specifica quale ASTM A240 né i limiti esatti del grado riportati da SSINA o Outokumpu.

Il molibdeno aumenta la temprabilità e migliora la resistenza al rammollimento durante il rinvenimento. Negli acciai inossidabili migliora in modo significativo la resistenza alla corrosione per vaiolatura e alla corrosione interstiziale, soprattutto in ambienti contenenti cloruri. Influisce inoltre sulla formazione di carburi e fasi intermetalliche. Un grado contenente molibdeno non può essere considerato equivalente a un grado nominalmente simile che ne è privo, anche se in una tabella di manuale le proprietà a trazione risultano analoghe.

L’azoto è un potente stabilizzatore dell’austenite e un elemento di rafforzamento per soluzione solida. Aggiunte controllate possono aumentare il carico di snervamento e migliorare la resistenza alla corrosione per vaiolatura in alcuni acciai inossidabili. Un tenore di azoto eccessivo per il processo o per il grado può causare porosità, formazione di nitruri o un equilibrio sfavorevole tra le fasi. Negli acciai inossidabili duplex, l’azoto contribuisce a mantenere, dopo la lavorazione, il rapporto previsto tra ferrite e austenite; pertanto, i valori minimo e massimo indicati sono requisiti funzionali e non semplici valori chimici ornamentali.

Elementi residui, microalligazione e requisiti di equilibrio

Gli elementi residui provengono dalle materie prime, dalla pratica fusoria, dai materiali refrattari o dalle aggiunte di lega e non sono sempre ingredienti principali aggiunti intenzionalmente. Rame, stagno, cobalto, antimonio, piombo e vanadio possono comparire in una tabella anche quando non sono elementi centrali nella descrizione del grado. Il rame può migliorare la resistenza alla corrosione atmosferica in determinati acciai strutturali, mentre stagno e antimonio possono contribuire a problematiche di fragilità a caldo o di infragilimento al rinvenimento. Il piombo può migliorare la lavorabilità, ma modifica il comportamento delle inclusioni e gli aspetti relativi alla saldatura. L’effetto dipende dalla concentrazione, dalla storia termica e dalle interazioni con gli altri elementi.

Le aggiunte di microlega sono ridotte, ma influenti. Niobio, vanadio e titanio formano carbonitruri che limitano la crescita del grano austenitico, producono rafforzamento per precipitazione e modificano la ricristallizzazione durante la laminazione controllata. Un acciaio contenente lo 0,03% di Nb non è chimicamente intercambiabile con uno contenente soltanto carbonio e manganese a una resistenza nominale simile. La dimensione finale del grano, lo stato di dissoluzione dei precipitati, il ciclo di laminazione, la velocità di raffreddamento e il successivo trattamento termico determinano l’entità del beneficio ottenuto.

I requisiti di equilibrio sono altrettanto importanti. Le tabelle degli acciai inossidabili possono limitare il carbonio e richiedere contemporaneamente che cromo, nichel, molibdeno o azoto rientrino in intervalli definiti, così da preservare la stabilità delle fasi austenitica, ferritica o duplex. Le specifiche degli acciai legati possono richiedere il boro entro un intervallo ristretto, poiché una piccola aggiunta può migliorare la temprabilità, mentre un eccesso di boro forma composti indesiderati. Anche il rame, il nichel, il cromo e il molibdeno residui possono influire sulla temprabilità, pur non essendo aggiunte intenzionali.

Il Nickel Institute separa i dati chimici, meccanici, fisici e quelli relativi alle specifiche nelle proprie tabelle delle leghe; questa è una buona pratica. Anche l’Handbook of Comparative World Steel Standards mantiene distinti i confronti della composizione chimica dai confronti delle proprietà meccaniche tra le designazioni internazionali. L’Eurocodice 3 elenca le proprietà di progetto per S235, S275, S355, S420, S450 e S460 nella norma EN 1993-1-1, Sezione 3.2.6, ma si tratta di valori previsti dalle norme di progettazione e non di conseguenze universali di un intervallo di composizione chimica. La forma del prodotto, lo spessore, la condizione di fornitura, la direzione di prova e il trattamento termico possono modificare il risultato richiesto. Una tabella della composizione definisce una finestra chimica. Senza il resto della specifica, non certifica resistenza, tenacità, saldabilità, comportamento alla corrosione o equilibrio tra le fasi.

Perché la composizione chimica non determina da sola le proprietà meccaniche

Una tabella della composizione chimica indica quali elementi sono presenti e entro quali limiti. Non riporta la storia fisica completa dell’acciaio. Carbonio, manganese, silicio, cromo, nichel, molibdeno, vanadio, niobio, titanio, fosforo, zolfo e altri elementi influenzano la temprabilità, la stabilità delle fasi, il rafforzamento per soluzione solida, la formazione dei carburi e il comportamento durante le trasformazioni, ma i loro effetti dipendono dalla temperatura, dalla deformazione, dal raffreddamento e dalle dimensioni della sezione.

Questa distinzione è fondamentale nell’analisi degli acciai al carbonio e basso-legati presentata nell’ASM Metals Handbook. ASM afferma che le loro proprietà derivano dagli effetti combinati della composizione chimica, della lavorazione e della microstruttura. Una designazione di qualità identifica quindi un intervallo controllato all’interno di una specifica, non un unico insieme universale di valori di resistenza a trazione, limite di snervamento, allungamento, durezza e tenacità.

ASTM A400, Pratica standard per le barre di acciaio: guida alla selezione, composizione e proprietà meccaniche, dimostra direttamente questo punto. Le indicazioni tabulate tengono conto della qualità, della composizione chimica, della condizione di lavorazione, delle dimensioni della sezione e del limite di snervamento minimo desiderato nella selezione delle barre di acciaio. Una sola voce relativa alla composizione non può svolgere queste funzioni. Analogamente, le norme ASTM sui prodotti separano i requisiti chimici, meccanici, metallurgici e gli altri requisiti dei materiali per gli acciai al carbonio, strutturali, inossidabili, ferritici, austenitici e legati. AISC fa la stessa distinzione per i prodotti strutturali: le specifiche ASTM per i profilati e le piastre di acciaio contengono generalmente sia requisiti relativi alla composizione chimica sia requisiti relativi alle proprietà meccaniche.

Storia della lavorazione e trattamento termomeccanico

La stessa composizione globale può produrre proprietà sostanzialmente diverse dopo differenti processi produttivi. La laminazione non è semplicemente un modo per trasformare una billetta in una piastra, una barra o un profilato. La laminazione a caldo deforma l’austenite, disgrega la struttura di colata, modifica la morfologia delle inclusioni e può affinare i grani quando la temperatura di finitura e il programma di riduzione sono controllati. La laminazione controllata a temperature inferiori a quelle convenzionali di finitura può favorire la formazione di ferrite fine dopo il raffreddamento. Il risultato può presentare un limite di snervamento più elevato e una tenacità migliore rispetto a un materiale con la stessa composizione chimica sottoposto a un ciclo meno controllato.

Anche la forgiatura modifica la struttura interna. I grani grossolani di colata e le bande di segregazione possono essere disgregati dalla deformazione, mentre la temperatura di forgiatura e la riduzione determinano la ricristallizzazione e l’affinamento dei grani. Due pezzi forgiati con analisi di colata identiche possono non avere proprietà identiche se uno dei due riceve una riduzione maggiore o viene sottoposto a una diversa temperatura finale di forgiatura.

Il trattamento termico crea differenze ancora più marcate. La normalizzazione riscalda l’acciaio al di sopra dell’intervallo di trasformazione dell’austenite e lo raffredda quindi in aria, producendo in molti acciai al carbonio e basso-legati una struttura ferritico-perlitica relativamente affinata. La ricottura generalmente prevede un raffreddamento più lento, consentendo la formazione di una struttura più tenera, con perlite più grossolana e durezza inferiore. La tempra sopprime la trasformazione diffusiva e può formare martensite, una fase dura e sovrasatura. L’acciaio temprato viene comunemente rinvenuto per ridurne la fragilità e regolare resistenza, durezza, duttilità e tenacità. La temperatura e il tempo di rinvenimento sono importanti: un rinvenimento a bassa temperatura e uno ad alta temperatura non producono lo stesso equilibrio di proprietà.

TemprabilitàTemprabilità Capacità dell’acciaio di sviluppare prodotti di trasformazione duri fino a una determinata profondità durante il raffreddamento; è distinta dalla durezza misurata in un singolo punto.

La velocità di raffreddamento è influenzata da fattori ulteriori rispetto al programma del forno. Lo spessore della sezione controlla l’estrazione del calore, perciò la superficie di una barra spessa può raffreddarsi molto più rapidamente del suo centro. Una piastra sottile può trasformarsi quasi interamente in ferrite e perlite, mentre il centro di una sezione pesante della stessa composizione può formare bainite, martensite o prodotti di trasformazione misti se la sua velocità di raffreddamento è sufficientemente elevata. La temprabilità descrive la capacità di un acciaio di formare prodotti di trasformazione duri attraverso una sezione; non è la stessa cosa della durezza di un singolo provino.

La lavorazione termomeccanica può inoltre produrre proprietà che una tabella finale della composizione chimica non è in grado di rivelare. Un acciaio può essere microlegato con niobio, vanadio o titanio, ma il contributo al rafforzamento dipende dal fatto che questi elementi rimangano in soluzione, formino carbonitruri durante il riscaldamento o precipitino durante il raffreddamento controllato. La storia della lavorazione è parte dell’identità del materiale.

La microstruttura come collegamento tra composizione chimica e proprietà

Le prove meccaniche misurano la risposta della microstruttura risultante, non la composizione della tavola periodica considerata isolatamente. Il limite di snervamento riflette la resistenza al movimento delle dislocazioni. La resistenza a trazione dipende dai meccanismi che continuano a opporsi alla deformazione durante il flusso plastico e dall’inizio della strizione. L’allungamento dipende dalla capacità del materiale di deformarsi uniformemente prima della frattura. La durezza riflette la resistenza alla deformazione plastica localizzata. La tenacità dipende dall’innesco e dalla propagazione delle cricche, nonché dalla temperatura, dalla velocità di applicazione del carico, dalla condizione d’intaglio e dalla direzione della prova.

La microstruttura collega queste risposte alla composizione chimica. Il carbonio in soluzione solida rafforza la ferrite, ma l’eccesso di carbonio può anche formare perlite, cementite o martensite a seconda del percorso termico. Manganese e nichel modificano il comportamento durante le trasformazioni e possono migliorare la temprabilità o stabilizzare l’austenite. Cromo e molibdeno influenzano la temprabilità e la formazione dei carburi. Il silicio rafforza la ferrite e influisce sulla disossidazione. Questi effetti sono condizionati; non sono costanti additive leggibili direttamente da una tabella della composizione.

Per esempio, un acciaio a basso tenore di carbonio raffreddato lentamente dall’austenite può contenere ferrite e perlite e mostrare una resistenza moderata con una duttilità utile. Lo stesso tenore nominale di carbonio, dopo tempra quando la temprabilità lo consente, può contenere martensite o bainite e presentare durezza e resistenza molto più elevate, generalmente accompagnate da una tenacità inferiore allo stato non rinvenuto. Il rinvenimento modifica nuovamente la martensite, consentendo la ridistribuzione del carbonio e la precipitazione dei carburi. Le proprietà finali dipendono dalla sequenza completa, compresi la temperatura di austenitizzazione, il tempo di mantenimento, il mezzo di tempra, le dimensioni della sezione e il ciclo di rinvenimento.

Anche all’interno di un singolo componente i prodotti di trasformazione possono variare. Le regioni superficiali possono diventare più dure del cuore, mentre le zone termicamente alterate dalla saldatura possono sviluppare microstrutture diverse sia da quelle della piastra di base sia da quelle del metallo di saldatura. Un valore di resistenza a trazione misurato in una posizione non può rappresentare automaticamente ogni altra posizione o direzione.

Dimensione dei grani, equilibrio tra le fasi e precipitati

La dimensione dei grani è un motivo diretto per cui la composizione chimica non può fornire autonomamente la resistenza o la tenacità. I grani fini di ferrite generalmente aumentano il limite di snervamento attraverso il rafforzamento ai bordi di grano e possono migliorare la resistenza alla frattura per clivaggio. I grani grossolani spesso riducono la tenacità all’urto a bassa temperatura, sebbene il risultato misurato dipenda anche dalla distribuzione delle fasi, dalle inclusioni e dall’orientamento della prova. L’affinamento dei grani può derivare dalla laminazione controllata, dalla normalizzazione o dalla precipitazione di microleganti che limita la crescita dei grani di austenite.

L’equilibrio tra le fasi è altrettanto importante. La ferrite è relativamente tenera e duttile; la perlite è più resistente ma meno duttile; bainite e martensite possono conferire elevata resistenza, mentre la loro tenacità è regolata dalla morfologia e dal rinvenimento. L’austenite trattenuta può trasformarsi durante l’esercizio o la prova, modificando la stabilità dimensionale e il comportamento alla deformazione. Una tabella della composizione chimica può identificare i limiti del carbonio e degli elementi di lega, ma non può indicare se l’acciaio finito contenga il 20% di perlite, una matrice bainitica o martensite rinvenuta senza informazioni sulla lavorazione e sulla metallografia.

I precipitati aggiungono un’ulteriore variabile. Carbonitruri fini di niobio, vanadio o titanio possono bloccare i bordi di grano dell’austenite e rafforzare la ferrite dopo la trasformazione. Le loro dimensioni, densità numerica, composizione e distribuzione dipendono dal riscaldamento, dalla deformazione e dal raffreddamento. Precipitati grossolani possono contribuire poco alla resistenza e al tempo stesso fungere da siti di innesco delle cricche. Negli acciai inossidabili, i carburi di cromo ai bordi di grano possono ridurre la resistenza locale alla corrosione anche quando l’analisi globale del cromo rientra nel limite previsto per la qualità.

Per questo motivo, le tabelle di SSINA affiancano la composizione espressa in percentuale in peso alle proprietà meccaniche specificate per le qualità di acciaio inossidabile austenitico coperte dalle specifiche ASTM sui prodotti, invece di trattare una tabella come sostitutiva dell’altra. Anche il Nickel Institute presenta separatamente i dati chimici, meccanici, fisici e quelli relativi alle specifiche, come classi distinte di proprietà. L’Eurocode 3 elenca le proprietà di progetto per S235, S275, S355, S420, S450 e S460 secondo la norma EN 1993-1-1, Sezione 3.2.6; si tratta di valori associati a una norma di progettazione di riferimento, a una categoria di prodotto, a uno spessore e a un impiego progettuale.

Le tabelle comparative, comprese quelle contenute nell’Handbook of Comparative World Steel Standards, possono mostrare relazioni approssimative tra designazioni internazionali, ma non stabiliscono l’equivalenza. I confronti rappresentativi della composizione, come quelli pubblicati da Engineering ToolBox, sono utili per un orientamento generale, mentre i limiti vincolanti e i requisiti meccanici devono provenire dalla specifica di prodotto applicabile. La norma di riferimento, la forma del prodotto, lo spessore, il trattamento termico, la direzione della prova e il metodo di prova determinano il significato di un valore riportato. La composizione chimica avvia la spiegazione. Non la conclude.

Tabelle delle proprietà meccaniche: significato delle colonne

Una tabella delle proprietà meccaniche non è una seconda versione di una tabella della composizione chimica. Essa indica come un prodotto specificato dovrebbe, o deve, comportarsi in una prova definita. Il risultato dipende dalla designazione dell’acciaio, dalla forma del prodotto, dal trattamento termico, dalle dimensioni della sezione, dallo spessore, dalla posizione di prelievo, dalla direzione di prova, dalla temperatura e dalla norma di riferimento.

Questa distinzione è importante perché il nome di un grado non costituisce un’identità completa del materiale. ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties, organizza le informazioni sugli acciai per barre in base al grado, alla composizione, alla condizione di lavorazione, alle dimensioni della sezione e al carico unitario minimo di snervamento desiderato. Lo stesso grado nominale può quindi comparire con requisiti diversi per le proprietà quando cambiano la forma del prodotto o le sue dimensioni. Una tabella che riporti un solo valore di resistenza accanto a un grado, senza indicare la specifica del prodotto, può essere utile come orientamento, ma non costituisce una specifica vincolante.

Le norme ASTM per gli acciai riguardano i requisiti chimici, meccanici, metallurgici e altri requisiti dei materiali per acciai al carbonio, strutturali, inossidabili, ferritici, austenitici e legati. Anche AISC spiega che le specifiche per i profilati e le piastre in acciaio strutturale contengono generalmente sia requisiti relativi alla composizione chimica sia requisiti relativi alle proprietà meccaniche. I due gruppi di colonne rispondono a domande diverse: la composizione chimica limita gli elementi che possono essere presenti, mentre le prove meccaniche verificano la risposta del prodotto fornito.

Carico unitario di snervamento e resistenza a trazione

Il carico unitario di snervamento è la tensione alla quale un provino inizia a subire una deformazione plastica permanente specificata. Per alcuni acciai, la curva tensione–deformazione mostra un punto di snervamento superiore e uno inferiore distinti. Per altri, la norma utilizza la tensione convenzionale di prova, comunemente la tensione che produce una deformazione permanente dello 0,2%, indicata come $R_{p0.2}$ in molte norme europee o riportata come carico unitario di snervamento secondo il metodo ASTM applicabile. La definizione esatta deve essere ricavata dalla norma di prova e dalla specifica del prodotto.

Il carico unitario minimo di snervamento riportato in una tabella è un requisito, non una previsione per ogni pezzo di acciaio. Se ASTM A572/A572M specifica un carico unitario minimo di snervamento per un determinato grado, intervallo di spessore e forma del prodotto, il risultato della prova di conformità deve raggiungere o superare tale valore secondo la procedura specificata. Il carico unitario di snervamento effettivamente misurato può essere superiore. Esso può variare in funzione della colata, dello spessore, della riduzione di laminazione, della velocità di raffreddamento, della posizione di prelievo e della direzione di prova. Riportare il valore minimo come se fosse la proprietà misurata elimina questa distinzione.

La resistenza a trazione, chiamata anche resistenza ultima a trazione, è la massima tensione ingegneristica raggiunta durante una prova di trazione. Essa si calcola dividendo il carico massimo applicato per l’area originale della sezione trasversale del provino. Dopo il carico massimo può verificarsi una strizione localizzata e la tensione ingegneristica può diminuire, anche se il materiale continua a deformarsi fino alla frattura.

La resistenza ultima a trazione non coincide con la resistenza di progetto. Un valore di progetto strutturale viene derivato attraverso la norma di progettazione applicabile, che può prevedere coefficienti di sicurezza, coefficienti parziali, regole per l’instabilità, disposizioni per i collegamenti e limiti dipendenti dallo spessore. Eurocode 3, EN 1993-1-1, Sezione 3.2.6, elenca le proprietà di progetto dei materiali per S235, S275, S355, S420, S450 e S460. Tali valori appartengono a un quadro progettuale; non devono essere copiati in una generica colonna della “resistenza a trazione” né trattati come risultati diretti di una prova.

La prova stessa impone determinate condizioni. ASTM E8/E8M e ISO 6892-1 specificano dettagli quali la geometria del provino, la lunghezza di riferimento, la velocità di applicazione del carico, la misurazione della deformazione e il calcolo. Una piastra, una barra, un tubo e un prodotto fucinato possono avere posizioni e orientamenti ammissibili diversi per i provini. I risultati longitudinali e trasversali non sono intercambiabili, soprattutto nei prodotti laminati, nei quali inclusioni, tessitura e microstrutture bandeggiata producono differenze direzionali.

La sola composizione chimica non può determinare il risultato. Il Metals Handbook di ASM International descrive le proprietà degli acciai al carbonio e legati come effetti combinati della composizione chimica, della lavorazione e della microstruttura. Carbonio, manganese, cromo, nichel, molibdeno e altri elementi influenzano la temprabilità e la formazione delle fasi, ma laminazione, tempra, rinvenimento, normalizzazione, precipitazione e storia di raffreddamento determinano il modo in cui tale potenziale si manifesta.

Allungamento, riduzione dell’area e duttilità

L’allungamento misura l’estensione plastica prima della frattura. Di norma viene riportato come percentuale:

$$A=\frac{L_f-L_0}{L_0}\times 100$$

Lunghezza di riferimentoLunghezza di riferimento Lunghezza iniziale marcata di un provino per prova di trazione sulla quale viene misurato l’allungamento.

dove $L_0$ è la lunghezza di riferimento originale e $L_f$ è la lunghezza di riferimento dopo la frattura, con i pezzi rotti accuratamente ricomposti. Il valore è significativo solo se sono indicati la lunghezza di riferimento e il tipo di provino. Un “allungamento del 20%” non indica se il risultato è stato ottenuto utilizzando una lunghezza di riferimento proporzionale, una lunghezza di riferimento di 50 mm, un provino di dimensioni ridotte o un’altra configurazione.

Per questo i valori di allungamento ottenuti secondo norme diverse possono sembrare incoerenti anche quando gli acciai sono simili. Le lunghezze di riferimento più brevi tendono a includere un contributo maggiore della strizione localizzata e possono produrre una percentuale più elevata rispetto alle lunghezze maggiori. Anche lo spessore del prodotto influisce sulla geometria disponibile del provino e talvolta sull’allungamento minimo specificato. Le tabelle dovrebbero quindi conservare la designazione della prova e la lunghezza di riferimento, invece di presentare l’allungamento come una costante universale del grado.

La riduzione dell’area misura la perdita di area della sezione trasversale nella zona della frattura:

$$Z=\frac{A_0-A_f}{A_0}\times 100$$

dove $A_0$ è l’area originale e $A_f$ è l’area finale minima. Essa è particolarmente sensibile alla deformazione plastica localizzata e fornisce informazioni diverse da quelle dell’allungamento. Un acciaio può mostrare una considerevole riduzione dell’area mentre il suo allungamento differisce, poiché le due misurazioni rispondono in modo diverso alla deformazione uniforme, alla strizione, alla geometria del provino e alla posizione della frattura.

Entrambe le misure sono indicatori della duttilità, ma la duttilità non è una singola costante del materiale. Essa comprende la capacità di sostenere una deformazione plastica senza fessurarsi in presenza di un determinato stato di tensione, di una determinata temperatura, velocità di deformazione e geometria. Un risultato di allungamento a trazione non può stabilire la resistenza alla criccatura da idrogeno, alla criccatura durante la piegatura, alla criccatura della zona termicamente alterata da saldatura o alla frattura in presenza di un intaglio. Né un allungamento elevato implica automaticamente un’elevata tenacità.

Le tabelle di SSINA relative ai gradi di acciaio inossidabile austenitico illustrano il formato corretto: la composizione in percentuale di massa è presentata separatamente dalle proprietà meccaniche specificate secondo le pertinenti specifiche ASTM di prodotto. Anche il Nickel Institute distingue la composizione chimica, le proprietà meccaniche, le proprietà fisiche e i dati di specifica. Una tabella comparativa può collocare queste categorie in pagine adiacenti, ma la vicinanza non le rende intercambiabili.

Durezza, tenacità all’urto e dati relativi alla fatica

La durezza è la resistenza alla deformazione plastica localizzata, comunemente misurata con i metodi Brinell, Rockwell, Vickers o Knoop. Un valore come HBW 190, 90 HRB o 210 HV è incompleto senza l’indicazione della scala, dell’indentatore, della forza applicata e della norma di prova. ASTM E10 riguarda la durezza Brinell, ASTM E18 la durezza Rockwell e ASTM E384 la durezza per microindentazione. Lo stato della superficie, la curvatura, la decarburazione, il rivestimento e la microstruttura locale possono alterare la lettura.

Le conversioni dalla durezza alla resistenza a trazione sono correlazioni, non leggi fisiche. Di norma vengono sviluppate per particolari famiglie di acciai e determinati intervalli di durezza. Una conversione può non essere adatta per l’acciaio inossidabile austenitico, l’acciaio per utensili fortemente legato, il materiale cementato, il metallo di saldatura o un prodotto con un marcato gradiente di durezza. Le tabelle di conversione ASTM non devono sostituire la prova di trazione specificata quando la resistenza a trazione determina l’accettazione o il progetto.

L’energia d’urto misura l’energia assorbita da un provino intagliato durante una frattura improvvisa, comunemente mediante la prova Charpy con intaglio a V secondo ASTM E23 o una norma equivalente. Il valore riportato dipende dall’orientamento del provino, dalla geometria dell’intaglio, dalla temperatura, dalle dimensioni e dalla procedura di prova. Un risultato Charpy come 27 J a −20 °C descrive quella condizione di prova; non è una costante universale di tenacità.

L’energia d’urto deve inoltre essere distinta dalla tenacità alla frattura. La tenacità alla frattura, spesso riportata come $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ o mediante un parametro correlato, caratterizza la resistenza all’avanzamento della cricca in corrispondenza della punta, in presenza di una geometria del provino, di uno spessore, di una modalità di carico e di una condizione di vincolo definiti. L’energia Charpy può supportare la selezione preliminare dei materiali e il controllo qualità, ma non può essere sostituita direttamente a un valore di tenacità alla frattura in deformazione piana.

I dati di fatica descrivono il comportamento sotto sollecitazioni ripetute o variabili. Una curva S–N mette in relazione l’ampiezza della tensione con il numero di cicli alla frattura, mentre una curva di crescita della cricca mette comunemente in relazione $\mathrm{da}/\mathrm{dN}$ con l’intervallo del fattore di intensità delle tensioni $\Delta K$, come in ASTM E647. I risultati dipendono dal rapporto di tensione, dalla frequenza, dalla finitura superficiale, dalle tensioni residue, dall’ambiente, dalle dimensioni del provino, dalla condizione dell’intaglio e dalla definizione di cedimento. Un singolo valore di resistenza a fatica riportato in una tabella è quindi privo di significato se non è accompagnato da tali condizioni.

Il Handbook of Comparative World Steel Standards mantiene separati i confronti della composizione chimica dai confronti delle proprietà meccaniche proprio per questo motivo. Le corrispondenze tra gradi di norme diverse possono indicare una composizione prevista simile, ma non dimostrano un identico carico unitario di snervamento, un’identica prestazione all’urto, un identico comportamento a fatica o requisiti di accettazione identici. Una tabella responsabile indica la norma di riferimento, la forma del prodotto, l’intervallo di spessore o di dimensioni della sezione, il metodo di prova, la direzione, la temperatura e specifica se ciascun valore è un requisito minimo, un risultato misurato, un valore tipico o un parametro di progetto.

Dimensioni della Sezione, Spessore, Forma del Prodotto e Direzione della Prova

La designazione di un grado di acciaio non identifica un unico insieme fisso di proprietà meccaniche. La resistenza allo snervamento, la resistenza a trazione, l’allungamento, l’energia d’urto, la durezza e la variazione ammessa possono dipendere dallo spessore, dalle dimensioni della sezione trasversale, dalla forma del prodotto, dal trattamento termico e dalla direzione della prova. Pertanto, una tabella che riporti “AISI 4140” o “S355” senza tali qualificazioni è incompleta, anche quando la sua analisi chimica è approssimativamente corretta.

Requisiti di resistenza dipendenti dallo spessore

Lo spessore modifica la storia termica di un prodotto di acciaio. Una lamiera sottile si raffredda rapidamente dopo la laminazione o la normalizzazione; un forgiato pesante o una lamiera spessa si raffreddano più lentamente, consentendo diverse trasformazioni di fase e producendo differenti effetti di crescita del grano e di segregazione. La microstruttura risultante può modificare la resistenza e la tenacità anche quando l’analisi di colata rimane entro gli stessi limiti composizionali. ASM International descrive le proprietà degli acciai al carbonio e degli acciai legati come il risultato combinato della composizione chimica, della lavorazione e della microstruttura. La composizione chimica è solo una parte della specifica.

Di conseguenza, molte norme di prodotto riducono il valore minimo specificato della resistenza allo snervamento all’aumentare dello spessore. Il motivo non è soltanto geometrico. Una sezione spessa è più difficile da raffreddare uniformemente e la sua parte centrale potrebbe non ricevere lo stesso affinamento o subire la stessa trasformazione della superficie. Una tabella che assegni un unico valore della resistenza allo snervamento a ogni spessore può quindi sovrastimare il requisito per il materiale pesante o sottostimare le differenze tra le categorie dimensionali.

Carico di snervamento nominale fino a 16 mm (MPa)Carico di snervamento oltre 16 mm e fino a 40 mm (MPa)

L’Eurocodice 3 illustra questo punto attraverso la tabella delle proprietà di progetto per S235, S275, S355, S420, S450 e S460 nella EN 1993-1-1, Sezione 3.2.6. La resistenza allo snervamento nominale riportata in tabella è correlata allo spessore nominale, con valori inferiori applicabili all’aumentare dello spessore. Pertanto, “S355” non significa che ogni prodotto e ogni spessore abbiano una resistenza allo snervamento di progetto pari a 355 MPa. La designazione identifica una classe all’interno di una norma europea di riferimento; è lo spessore a determinare quale valore si applica.

La stessa cautela si applica ai prodotti ASTM. ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties, fornisce indicazioni per la selezione delle barre in base al grado, alla composizione chimica, alla condizione di lavorazione, alle dimensioni della sezione e alla resistenza allo snervamento minima desiderata. Questa struttura è significativa. Dimostra che una voce relativa a un grado non costituisce una specifica completa del materiale, a meno che il lettore non sappia anche se la barra è stata ricotta, normalizzata, temprata e rinvenuta o fornita in un’altra condizione elencata, oltre a conoscere il diametro o la dimensione equivalente della sezione pertinente.

Una tabella delle proprietà meccaniche deve quindi conservare l’intervallo di spessore o di dimensioni riportato nella norma di riferimento. Sostituire diversi intervalli con un unico valore “tipico” rende la tabella più facile da leggere, ma meno fedele alla specifica.

Barre, lamiere, profilati, forgiati e nastri

La forma del prodotto non è un’etichetta puramente estetica. Identifica un diverso percorso produttivo, che determina l’orientamento del flusso dei grani, le condizioni superficiali, le tensioni residue, la distribuzione delle inclusioni e le proprietà meccaniche ottenibili.

Le barre sono comunemente prodotte mediante laminazione a caldo, finitura a freddo o lavorazione meccanica a partire da semilavorati laminati di dimensioni maggiori. I loro requisiti possono essere organizzati in base al diametro, alla larghezza o all’area della sezione trasversale. ASTM A400 è particolarmente utile a questo proposito, poiché non presenta i gradi delle barre come semplici denominazioni della composizione chimica; collega invece le indicazioni relative alla composizione e alla resistenza allo snervamento minima alla condizione di lavorazione e alle dimensioni della sezione. A una barra in 4140 ricotto non possono essere assegnati gli stessi valori di resistenza di una barra in 4140 temprata e rinvenuta semplicemente perché entrambe contengono quantità nominalmente simili di cromo, molibdeno, carbonio e manganese.

Le lamiere e i profilati strutturali seguono pratiche di laminazione differenti. AISC spiega che le specifiche ASTM per i profilati e le lamiere in acciaio strutturale comprendono generalmente sia requisiti relativi alla composizione chimica sia requisiti relativi alle proprietà meccaniche. ASTM A572/A572M, per esempio, disciplina gli acciai strutturali altoresistenziali bassolegati in prodotti quali lamiere, profilati e barre, ma i requisiti applicabili dipendono comunque dal prodotto e dalla designazione del grado indicati nella specifica d’acquisto. Un valore riportato per un profilato strutturale laminato non deve essere trasferito automaticamente a una lamiera spessa dello stesso grado nominale.

Il nastro ha requisiti propri di formatura e di superficie. Il nastro laminato a freddo può avere proprietà meccaniche controllate dal grado di incrudimento, dalla qualità di formatura o dalla condizione di indurimento per cottura, mentre il nastro laminato a caldo può essere disciplinato da una specifica separata e da un diverso intervallo di spessore. Anche “acciaio inossidabile 304” è di per sé insufficiente: i requisiti di ASTM A240/A240M per lamiere, nastri e lamiere sottili non sono intercambiabili con i requisiti per barre di ASTM A276/A276M o con quelli per componenti forgiati di ASTM A182/A182M. Le tabelle di SSINA associano la composizione espressa in percentuale ponderale alle proprietà meccaniche specificate per i gradi di acciaio inossidabile austenitico coperti dalle specifiche ASTM di prodotto, ma tali proprietà restano associate alla norma di prodotto applicabile.

I forgiati introducono un’ulteriore distinzione. La deformazione di forgiatura può affinare i grani e produrre un flusso direzionale, mentre il trattamento termico finale può essere specificato separatamente da quello utilizzato per lamiere o barre. Gli elementi di fissaggio aggiungono ulteriori condizioni, tra cui la formatura a freddo della testa, la geometria della filettatura, il carico di prova e il trattamento termico. Una tabella della composizione chimica di un acciaio al carbonio o legato può mostrare una corrispondenza plausibile, ma la specifica degli elementi di fissaggio può imporre requisiti meccanici assenti in una norma generale per barre.

Per questo motivo, i riferimenti comparativi devono essere letti con attenzione. L’Handbook of Comparative World Steel Standards separa i confronti della composizione chimica dai confronti delle proprietà meccaniche tra i sistemi internazionali di designazione. Una corrispondenza chimica tra due designazioni non dimostra che le relative norme di prodotto, gli intervalli di spessore, i trattamenti termici o i requisiti di prova siano equivalenti.

Comportamento longitudinale, trasversale e attraverso lo spessore

La laminazione allunga i grani, orienta le inclusioni e ridistribuisce la segregazione. Di conseguenza, una lamiera o una barra può mostrare proprietà differenti lungo la propria lunghezza, lungo la propria larghezza e attraverso il proprio spessore. La direzione longitudinale è generalmente parallela alla principale direzione di laminazione o di estrusione; la direzione trasversale è perpendicolare a essa nel piano del prodotto; la prova attraverso lo spessore campiona la direzione trasversale corta.

La resistenza a trazione può differire moderatamente tra le diverse direzioni, ma l’allungamento, la riduzione di area, la tenacità all’urto e l’aspetto della frattura possono differire in misura più significativa. Le inclusioni allungate di solfuro di manganese, per esempio, possono costituire percorsi di debolezza nella direzione trasversale corta. Una lamiera spessa può inoltre presentare segregazione sulla linea mediana o una ridotta resistenza allo strappo lamellare, una modalità di cedimento associata alla deformazione a trazione attraverso lo spessore della lamiera.

Un risultato di trazione longitudinale non deve essere riportato come se garantisse la duttilità trasversale. Analogamente, un valore di resilienza Charpy misurato con un determinato orientamento non deve essere trasferito a un altro orientamento senza verificare le regole della norma relative al prelievo dei provini e all’orientamento dell’intaglio. Le norme di prodotto specificano spesso se i provini debbano essere longitudinali o trasversali, da quale posizione debbano essere prelevati e in che modo lo spessore influisca sull’orientamento ammesso. Tali dettagli possono modificare l’allungamento, la tenacità e l’anisotropia riportati.

La regola pratica è diretta: registrare insieme il grado, la norma di riferimento, la forma del prodotto, lo spessore o le dimensioni della sezione, la condizione di lavorazione e la direzione della prova. Senza questa catena di identificazione, una tabella della composizione chimica può essere informativa dal punto di vista chimico, mentre il valore delle proprietà meccaniche associato può appartenere a un prodotto siderurgico diverso.

Acciai al carbonio e acciai legati nelle tabelle comparative

Una tabella relativa agli acciai può rispondere a diverse domande, ma non utilizzando la stessa colonna. Una tabella della composizione chimica riporta limiti o intervalli per elementi quali carbonio, manganese, silicio, cromo, nichel, molibdeno, fosforo e zolfo. Una tabella della temprabilità descrive fino a quale profondità un acciaio può sviluppare durezza al di sotto di una superficie temprata. Una tabella delle proprietà meccaniche riporta il carico di snervamento specificato o misurato, la resistenza a trazione, l’allungamento, la durezza, l’energia d’urto o i dati di fatica. Confondere queste funzioni è una delle ragioni più comuni per cui le pagine di confronto dei gradi riportano limiti inesatti.

La sola designazione del grado non risolve la questione. ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties, organizza gli acciai per barre in base al grado, alla composizione chimica, alla condizione di lavorazione, alla dimensione della sezione e al carico di snervamento minimo desiderato. Questa struttura mette in guardia dal considerare il nome di un grado come un’identità completa del materiale. Una tabella può confrontare correttamente la composizione chimica e tuttavia attribuire una resistenza errata, perché il valore indicato si riferisce a una diversa forma del prodotto, a un diverso trattamento termico, diametro o spessore.

Intervalli di composizione degli acciai al carbonio

Gli acciai al carbonio sono generalmente classificati in base al contenuto di carbonio e alle quantità relativamente ridotte di altri elementi di lega. In una tabella comparativa, un grado a basso tenore di carbonio può essere indicato intorno allo 0,05–0,25% in peso di C, un grado a medio tenore di carbonio intorno allo 0,25–0,60% in peso di C e un grado ad alto tenore di carbonio al di sopra di circa lo 0,60% in peso di C. Si tratta di intervalli classificativi, non di limiti di specifica universalmente validi. I valori di confine variano tra i riferimenti tecnici, i sistemi nazionali, le norme di prodotto e l’uso storico.

La tabella comparativa di Engineering ToolBox affianca gradi rappresentativi di acciaio utilizzando le percentuali in peso di carbonio, cromo, manganese, molibdeno, nichel, fosforo, zolfo e silicio. È utile per osservare relazioni chimiche generali: un acciaio al carbonio non legato contiene generalmente poco cromo, nichel o molibdeno aggiunti intenzionalmente, mentre un acciaio basso-legato contiene aggiunte controllate di uno o più di questi elementi. La tabella non dovrebbe essere utilizzata come composizione chimica vincolante per una specifica d’acquisto o per un certificato di colata. I valori rappresentativi mostrano una famiglia tipica di gradi; una norma specifica un intervallo ammissibile, un limite massimo o minimo oppure un limite per gli elementi residui.

Anche “acciaio al carbonio” non significa che il carbonio sia l’unico elemento controllato. Il manganese influisce sulla resistenza e sulla temprabilità, il silicio può essere utilizzato per la disossidazione e il rafforzamento, mentre fosforo e zolfo sono comunemente limitati poiché quantità eccessive possono compromettere tenacità, duttilità, saldabilità o comportamento durante la lavorazione a caldo. La specifica di prodotto ASTM, EN, JIS o di altro tipo applicabile stabilisce quali limiti si applicano. Le norme ASTM sugli acciai riguardano requisiti chimici, meccanici, metallurgici e relativi ai materiali per acciai al carbonio, strutturali, inossidabili, ferritici, austenitici e legati; pertanto, la designazione ha significato solo nel contesto della norma di riferimento e della categoria di prodotto applicabili.

Il contenuto di carbonio non può inoltre essere convertito direttamente in una resistenza a trazione garantita. La stessa composizione nominale può produrre proprietà diverse dopo laminazione a caldo, normalizzazione, tempra e rinvenimento, ricottura o finitura a freddo. ASM International descrive le proprietà degli acciai al carbonio e legati come il risultato combinato della composizione chimica, della lavorazione e della microstruttura. La dimensione dei grani, la distanza tra le lamelle di perlite, la frazione di martensite, la distribuzione dei carburi, le tensioni residue e la condizione di rinvenimento possono modificare il risultato misurato senza modificare l’etichetta del grado.

Rafforzamento e temprabilità degli acciai basso-legati

Gli acciai basso-legati utilizzano aggiunte controllate, oltre alla base carbonio–manganese, per modificare la resistenza, la temprabilità, la tenacità, la resistenza al rinvenimento, il comportamento all’usura o il comportamento alle alte temperature. “Basso-legato” è una descrizione classificativa, non una garanzia di uno specifico livello di resistenza. Un acciaio al cromo-molibdeno con lo 0,30% di C e un acciaio strutturale normalizzato possono comparire entrambi in una tabella degli acciai legati, pur essendo specificati e sottoposti a prova per scopi differenti.

La resistenza può aumentare attraverso diversi meccanismi. Gli elementi di lega possono affinare la dimensione dei grani, aumentare il rafforzamento per soluzione solida, formare carburi o nitruri oppure consentire la formazione di una maggiore quantità di martensite dopo il raffreddamento. La lavorazione determina se tali meccanismi vengono effettivamente sviluppati. Un acciaio di tipo 4140 temprato e rinvenuto può presentare resistenza e durezza molto superiori rispetto alla stessa composizione in condizione ricotta, mentre una condizione normalizzata può offrire un diverso equilibrio tra duttilità e tenacità.

La temprabilità non coincide con la durezza. La durezza è la resistenza misurata in un determinato punto o su una superficie di prova. La temprabilità è la capacità dell’acciaio di formare prodotti di trasformazione duri fino a una determinata profondità durante il raffreddamento. Practical Data for Metallurgists di Metallus riporta affiancati acciai standard, composizioni chimiche, informazioni sulla temprabilità e tolleranze dimensionali, mostrando perché questi dati debbano comparire in campi separati della tabella. Una curva di tempra a estremità Jominy, per esempio, indica la durezza in funzione della distanza dall’estremità temprata; da sola non certifica il carico di snervamento di una barra finita.

La dimensione della sezione è importante perché il centro di una barra spessa si raffredda più lentamente della superficie. Un acciaio con temprabilità sufficiente per una sezione di 25 mm può non raggiungere la stessa struttura trasformata attraverso una sezione di 100 mm. Anche il mezzo di tempra, l’agitazione, la conduzione del forno, la dimensione dei grani di austenite preesistenti e il rinvenimento influenzano il risultato. Di conseguenza, una tabella che riporti la “durezza tipica” senza indicare la condizione, la dimensione della sezione e il punto di prova fornisce dati comparativi, non una proprietà garantita.

I requisiti relativi alle proprietà meccaniche sono regolati dalla specifica di prodotto. AISC spiega che le specifiche ASTM per i profilati strutturali e le piastre contengono generalmente sia requisiti di composizione chimica sia requisiti di proprietà meccaniche. Tali requisiti possono includere il carico di snervamento minimo, la resistenza a trazione, l’allungamento e, talvolta, la tenacità all’urto. Il valore richiesto può variare in funzione dello spessore. Eurocode 3, EN 1993-1-1, Sezione 3.2.6, elenca le proprietà dei materiali per il calcolo relative agli acciai S235, S275, S355, S420, S450 e S460; si tratta di valori previsti dalla norma di progettazione e associati alla pertinente designazione strutturale, non di proprietà universali di ogni acciaio che riporti altrove un numero simile.

Il ruolo di cromo, nichel, molibdeno e manganese

Il cromo aumenta la temprabilità e può contribuire alla formazione di carburi, alla resistenza all’usura, alla resistenza all’ossidazione e alla resistenza alla corrosione. Sono importanti sia la quantità sia la condizione metallurgica. Una modesta aggiunta di cromo in un acciaio basso-legato temprato e rinvenuto non lo rende equivalente a un grado inossidabile. Le classificazioni degli acciai inossidabili richiedono un contenuto di cromo sufficiente, insieme ai limiti applicabili per il carbonio e per gli altri elementi, per ottenere la struttura resistente alla corrosione specificata.[5][5] Properties of Some Metals and Alloys. Nickel Institute. Nickel Institute technical guide.

Il nichel aumenta la temprabilità e la tenacità, in particolare alle basse temperature, e favorisce le strutture austenitiche in composizioni idonee. È importante negli acciai basso-legati al nichel per basse temperature e negli acciai inossidabili austenitici, ma la sua sola presenza non definisce nessuna delle due categorie. Il Nickel Institute separa la composizione chimica, le proprietà meccaniche, le proprietà fisiche e le specifiche nella propria pubblicazione tabellare di riferimento: un modello utile per mantenere distinti questi tipi di dati.

Il molibdeno migliora la temprabilità e contribuisce a mantenere la resistenza durante il rinvenimento. Può inoltre ridurre determinati rischi di infragilimento da rinvenimento e favorire le prestazioni alle alte temperature. Negli acciai al cromo-molibdeno, il suo effetto dipende dal tenore di carbonio, dal contenuto di cromo, dal trattamento termico e dalla dimensione della sezione, non da una singola percentuale riportata in una tabella comparativa.

Il manganese è comune negli acciai al carbonio e basso-legati. Contribuisce al rafforzamento per soluzione solida, si combina con lo zolfo riducendo gli effetti nocivi del solfuro di ferro e aumenta la temprabilità. Una quantità eccessiva, tuttavia, può influire sulla saldabilità e sul comportamento durante le trasformazioni. Il suo intervallo specificato deve pertanto essere considerato insieme al carbonio, allo zolfo, al silicio e alla condizione di lavorazione.

Il Handbook of Comparative World Steel Standards mantiene separate le tabelle comparative delle composizioni chimiche da quelle delle proprietà meccaniche nei diversi sistemi internazionali di designazione. Questa separazione è essenziale. Una designazione simile può indicare un utile confronto compositivo, ma non dimostra l’equivalenza del carico di snervamento, della tenacità, della temprabilità o della risposta al trattamento termico. La norma di riferimento, la forma del prodotto, lo spessore, la condizione di fornitura, la direzione di prova e il metodo di prova indicato determinano il significato del numero riportato.

Tabelle di composizione e proprietà degli acciai inossidabili

Una tabella relativa all’acciaio inossidabile è utile solo quando il suo ambito è chiaro. “Acciaio inossidabile 304”, per esempio, identifica una famiglia di leghe comunemente riconosciuta, ma non indica di per sé se il materiale sia costituito da lamiera, piastra, barra, tubo, pezzi fucinati o un prodotto fornito secondo ASTM A240, ASTM A276, ASTM A479, ASTM A213 o un’altra specifica. Tali norme possono imporre requisiti diversi per il prodotto, regole di trattamento termico, dimensioni, disposizioni relative alle prove e limiti delle proprietà meccaniche.

Questa distinzione separa una tabella di composizione da una tabella delle proprietà. Una tabella di composizione riporta gli intervalli consentiti, espressi in percentuale in peso, per elementi quali cromo, nichel, carbonio, manganese, silicio, molibdeno, fosforo, zolfo e azoto. Una tabella delle proprietà meccaniche riporta valori quali resistenza minima a trazione, carico di snervamento, allungamento o durezza per uno specifico prodotto e una specifica condizione. ASTM A400 evidenzia il punto in termini più generali per le barre di acciaio: la selezione dipende dal grado, dalla composizione chimica, dalla condizione di lavorazione, dalle dimensioni della sezione e dal carico di snervamento minimo richiesto. Il nome del grado costituisce quindi un’indicazione identificativa, non una specifica completa del materiale.

SSINA pubblica tabelle di composizione e proprietà meccaniche specificate per i gradi di acciaio inossidabile austenitico coperti dalle specifiche ASTM relative ai prodotti. Anche lo Stainless Steel Handbook di Outokumpu distingue la chimica del grado dai dati meccanici e fisici. Questi riferimenti sono preziosi perché mostrano i limiti di un confronto basato su tabelle: la composizione chimica può identificare una famiglia di leghe, mentre il requisito relativo alle proprietà appartiene a una specifica norma di prodotto e a una determinata condizione di fornitura.

Famiglie di acciai inossidabili austenitici, ferritici, martensitici e altre

Gli acciai inossidabili austenitici, tra cui 304, 304L, 316, 316L, 321, 347 e 310S, sono generalmente identificati da composizioni a base di cromo-nichel o cromo-nichel-molibdeno e da una microstruttura austenitica a temperatura ambiente. Normalmente non vengono induriti mediante tempra come i gradi martensitici. La loro resistenza può tuttavia variare considerevolmente in funzione della deformazione a freddo, soprattutto nel caso di lamiere e nastri.

I gradi ferritici, come 430 e 409, sono principalmente acciai al cromo con poco o nessun nichel aggiunto intenzionalmente. La loro struttura ferritica cubica a corpo centrato influisce sulla risposta magnetica, sulla saldabilità, sulla tenacità e sul comportamento durante la formatura. I gradi martensitici, tra cui 410, 420 e 440C, contengono quantità sufficienti di carbonio e di elementi di lega per rispondere all’austenitizzazione e alla tempra. La loro durezza e resistenza dipendono fortemente dal trattamento termico; pertanto, una tabella che mostri soltanto la composizione nominale non può rappresentare il materiale fornito.

Altre famiglie comprendono i gradi indurenti per precipitazione, come 17-4 PH, i gradi duplex, come 2205, e i gradi superduplex, come 2507. Gli acciai inossidabili duplex combinano fasi ferritiche e austenitiche; l’equilibrio tra le fasi dipende dalla composizione chimica, dalla ricottura di solubilizzazione, dal raffreddamento e dallo spessore del prodotto. Una tabella relativa al “2205” che ometta la specifica di prodotto applicabile e il trattamento termico può quindi nascondere un requisito metallurgico importante.

Anche i sistemi di designazione differiscono tra loro. I riferimenti ASTM e UNS identificano comunemente il 304 come UNS S30400 e il 316 come UNS S31600, mentre le varianti a basso tenore di carbonio sono 304L, UNS S30403, e 316L, UNS S31603. Le designazioni europee, come X5CrNi18-10 e X2CrNiMo17-12-2, sono correlate, ma non sono automaticamente intercambiabili con ogni designazione di prodotto ASTM. Per questo motivo, l’Handbook of Comparative World Steel Standards mantiene separate le tabelle comparative della composizione chimica e delle proprietà meccaniche. Nomi simili non stabiliscono limiti identici.

Cromo, nichel, molibdeno, carbonio e azoto

Il cromo è l’elemento di lega caratteristico dell’acciaio inossidabile, poiché favorisce la formazione di una sottile pellicola passiva ricca di cromo. Una tabella di composizione può mostrare un contenuto minimo di cromo, ma la resistenza alla corrosione dipende anche dalle condizioni superficiali, dall’ambiente, dal trattamento termico, dalle inclusioni, dalle zone saldate e dall’esposizione a cloruri o acidi. La resistenza alla corrosione non è una singola proprietà meccanica come il carico di snervamento o l’allungamento e non dovrebbe essere presentata nella stessa colonna della resistenza a trazione senza indicare un metodo di prova e una condizione di esposizione.

Il nichel stabilizza l’austenite e influisce sull’equilibrio tra le fasi, sulla tenacità, sulla duttilità e sul comportamento di incrudimento. Due gradi austenitici nominalmente simili possono avere limiti diversi per il nichel, producendo una diversa stabilità durante la formatura o la saldatura. Il molibdeno migliora la resistenza alla corrosione localizzata in molti ambienti contenenti cloruri. Pertanto, 316 e 304 non sono intercambiabili semplicemente perché entrambi sono acciai inossidabili austenitici al cromo-nichel: il 316 include un’aggiunta controllata di molibdeno, mentre il 304 non prevede lo stesso requisito relativo al molibdeno.

Il carbonio è importante sia dal punto di vista chimico sia da quello metallurgico. I gradi “L”, come 304L e 316L, limitano il tenore massimo di carbonio rispetto ai corrispondenti gradi con tenore standard di carbonio. Un tenore inferiore di carbonio riduce il rischio di precipitazione di carburi di cromo durante la saldatura e della conseguente corrosione intergranulare, sebbene il risultato finale dipenda anche dalla pratica di saldatura, dallo spessore della sezione, dalla storia termica e dal trattamento successivo alla saldatura. I gradi stabilizzati introducono un’ulteriore distinzione: il 321 utilizza titanio, mentre il 347 utilizza columbio (niobio), per legare il carbonio e ridurre il rischio di sensibilizzazione nelle condizioni specificate.

L’azoto può essere controllato intenzionalmente, anziché essere trattato come un’impurità incidentale. Esso rafforza l’acciaio inossidabile austenitico e contribuisce alla resistenza alla corrosione e all’equilibrio tra le fasi nei gradi duplex. Una tabella che confronti soltanto cromo e nichel può non rilevare una differenza significativa tra due gradi. Carbonio, azoto, molibdeno e aggiunte stabilizzanti possono essere il motivo per cui designazioni dall’aspetto simile presentano requisiti diversi in termini di resistenza, saldabilità o prove di corrosione.

Le tabelle comparative rappresentative, comprese quelle pubblicate da Engineering ToolBox, possono contribuire a mostrare le tendenze generali relative a carbonio, cromo, manganese, molibdeno, nichel, fosforo, zolfo e silicio. Esse non sostituiscono la specifica applicabile. L’intervallo consentito in ASTM A240 può differire da quello previsto in ASTM A276 o in una norma di prodotto EN equivalente.

Requisiti delle specifiche per i gradi di acciaio inossidabile austenitico

Per un grado austenitico, una tabella completa dovrebbe identificare almeno la norma, la forma del prodotto, il grado, la condizione di trattamento termico, l’intervallo di spessore o di dimensione della sezione, la direzione di prova e il metodo di prova applicabile. ASTM A240 riguarda piastre, lamiere e nastri di acciaio inossidabile al cromo e al cromo-nichel per recipienti a pressione e applicazioni generali; ASTM A276 riguarda barre e profilati in acciaio inossidabile; ASTM A479 riguarda barre e profilati per recipienti a pressione e applicazioni generali; ASTM A213 riguarda tubi senza saldatura in acciaio legato ferritico e austenitico per caldaie, surriscaldatori, scambiatori di calore e condensatori. Il fatto che la stessa designazione di grado compaia in questi documenti non significa che ogni requisito meccanico sia identico.

Le specifiche per gli acciai austenitici indicano comunemente la resistenza minima a trazione, il carico di snervamento minimo e l’allungamento minimo, ma tali valori si riferiscono al prodotto e allo spessore specificati. Un nastro laminato a freddo può presentare una resistenza maggiore rispetto a una piastra ricotta a causa della deformazione. Le proprietà delle barre possono variare in funzione del diametro e del trattamento termico. La direzione di prova può essere rilevante quando l’anisotropia si sviluppa a seguito della laminazione o della trafilatura. I limiti di durezza possono integrare, anziché sostituire, le prove di trazione.

Le norme ASTM relative ai prodotti impongono inoltre requisiti che vanno oltre la composizione chimica e le prove di trazione, tra cui ricottura di solubilizzazione, tempra, dimensione del grano, prove di corrosione intergranulare, esami idrostatici o non distruttivi e tolleranze dimensionali, ove applicabili. AISC osserva che le specifiche ASTM per gli acciai strutturali contengono generalmente sia requisiti relativi alla composizione chimica sia requisiti relativi alle proprietà meccaniche; lo stesso principio si applica ai prodotti in acciaio inossidabile, sebbene i singoli requisiti dipendano dalla norma di prodotto.

Il Nickel Institute organizza i riferimenti sulle leghe in tabelle separate relative alla composizione chimica, alle proprietà meccaniche, alle proprietà fisiche e alle specifiche. Questa organizzazione è più affidabile che assegnare a un grado un unico valore universale di resistenza a trazione o una classificazione universale della resistenza alla corrosione. I dati ASTM, SSINA e Outokumpu devono essere letti come informazioni collegate alle specifiche: la composizione chimica definisce la lega consentita, mentre la lavorazione e la microstruttura determinano gran parte del comportamento del prodotto fornito. Una tabella che ometta tali collegamenti può essere ordinata, ma non costituisce una registrazione sufficiente del materiale.

Tabelle degli acciai strutturali e valori di progetto

Le Tabelle degli acciai strutturali collocano spesso S235, S275, S355, S420, S450 e S460 in una progressione ordinata di resistenza. Questa presentazione è utile, ma incompleta. La designazione identifica una classe di acciaio strutturale all’interno di un sistema normativo; di per sé, non definisce un’analisi chimica universale, una forma di prodotto, un trattamento termico, un intervallo di spessori o un risultato di prova certificato.

La tabella dei materiali dell’Eurocodice 3 è un riferimento per i materiali di progetto, non una tabella di approvvigionamento o di composizione chimica. I suoi valori sono associati alla EN 1993-1-1, Sezione 3.2.6, e devono essere letti insieme alla norma di prodotto pertinente. Una lamiera, un profilato laminato a caldo, una sezione cava, un componente forgiato e un elemento di collegamento possono riportare designazioni correlate, pur essendo soggetti a requisiti differenti.

S235, S275, S355, S420, S450 e S460

La “S” nelle designazioni europee indica l’acciaio strutturale, mentre il numero seguente identifica convenzionalmente la resistenza nominale minima allo snervamento, espressa in megapascal, per uno spessore di riferimento specificato, normalmente per materiali fino a 16 mm. Pertanto, secondo questa convenzione, S235 indica 235 MPa, S275 indica 275 MPa e S355 indica 355 MPa. Analogamente, S420, S450 e S460 indicano livelli nominali di resistenza allo snervamento pari rispettivamente a 420, 450 e 460 MPa.

Questi numeri non sono costanti per tutti gli spessori. Con l’aumentare dello spessore, la resistenza minima specificata allo snervamento può diminuire, perché i prodotti più spessi si raffreddano in modo diverso durante la fabbricazione e possono sviluppare proprietà meno favorevoli lungo lo spessore. Nella tabella di progetto della EN 1993-1-1, i valori nominali per materiali fino a 16 mm sono rispettivamente 235, 275, 355, 420, 450 e 460 MPa. Il valore di progetto consentito diminuisce nelle fasce di spessore maggiori. Ad esempio, i valori comunemente utilizzati per spessori superiori a 16 mm e fino a 40 mm sono approssimativamente 225 MPa per S235, 265 MPa per S275, 345 MPa per S355, 400 MPa per S420, 430 MPa per S450 e 440 MPa per S460. Il valore esatto deve essere ricavato dalla tabella applicabile e dalla norma del materiale, non dedotto mediante interpolazione.

La resistenza a trazione costituisce un requisito distinto. Gli intervalli rappresentativi, dal valore minimo a quello massimo, associati a questi gradi comprendono circa 360–510 MPa per S235, 370–530 MPa per S275, 470–630 MPa per S355, 520–680 MPa per S420, 550–720 MPa per S450 e 540–720 MPa per S460, in funzione del tipo di prodotto, dello spessore e della condizione di fornitura. Gli intervalli si sovrappongono. S460 non è definito semplicemente dal fatto di avere una resistenza a trazione superiore di 105 MPa rispetto a S355, e un risultato di prova vicino all’estremo superiore dell’intervallo di S355 non rende quel materiale S460.

Anche i suffissi forniscono informazioni. Designazioni come S355JR, S355J0 e S355J2 includono requisiti di resilienza all’urto associati alla temperatura di prova e all’energia assorbita. Designazioni come S355N o S355M identificano condizioni di fornitura nell’ambito della famiglia EN 10025. Una designazione priva del suffisso può quindi omettere informazioni necessarie per distinguere la resilienza, il processo di lavorazione e la conformità alla specifica.

La composizione chimica rimane importante, ma non spiega l’intera tabella. ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties, organizza la selezione in base al grado, alla composizione chimica, alla condizione di lavorazione, alla dimensione della sezione e alla resistenza minima allo snervamento desiderata. Questa struttura illustra il punto centrale: composizione e resistenza sono correlate, ma non sono campi intercambiabili. ASM International afferma che le proprietà degli acciai al carbonio e basso-legati derivano dagli effetti combinati della composizione chimica, della lavorazione e della microstruttura. Il tenore di carbonio, il manganese, il silicio, le aggiunte di lega, l’affinamento del grano, la storia di laminazione, il raffreddamento e i cicli termici di saldatura possono influire tutti sul risultato dichiarato.

Proprietà del materiale e resistenza di progetto

Una proprietà del materiale è una caratteristica misurata o specificata per l’acciaio. La resistenza allo snervamento, la resistenza ultima a trazione, l’allungamento, l’energia d’urto e i limiti di composizione chimica appartengono a questa categoria. Una resistenza di progetto viene calcolata a partire da tali proprietà dopo che la norma di progetto ha applicato coefficienti di sicurezza, regole relative alle sezioni, modelli di instabilità, limiti di stabilità e altre condizioni.

Per una sezione soggetta a trazione, un’espressione semplificata dell’Eurocodice può utilizzare la resistenza plastica

$$N_{\mathrm{pl},\mathrm{Rd}}=\frac{A{f}_y}{{\gamma }_{M0}},$$

dove $A$ è l’area pertinente, $f_y$ è la resistenza allo snervamento dipendente dallo spessore e ${\gamma }_{M0}$ è il coefficiente parziale specificato dall’Annesso Nazionale. Questo non è il risultato di una prova di trazione. È una resistenza assegnata a un particolare modello di collasso nell’ambito di uno specifico codice di progetto.

La compressione e la flessione richiedono ulteriori verifiche. La snellezza locale delle piastre può impedire che l’intera area lorda raggiunga la resistenza plastica. L’instabilità dell’elemento introduce un coefficiente di riduzione basato sulla snellezza e sulla curva d’instabilità. L’instabilità flesso-torsionale può governare una trave anche quando la resistenza allo snervamento dell’acciaio è elevata. I giunti saldati possono richiedere verifiche distinte per il metallo di saldatura, le zone termicamente alterate, le sezioni nette e la qualità dell’esecuzione.

Questa distinzione spiega inoltre perché un grado superiore non consenta automaticamente aumenti proporzionali di ogni capacità di progetto. Una colonna governata da un’instabilità di tipo euleriano può trarre scarso beneficio dal passaggio da S355 a S460 se la sua snellezza geometrica rimane il fattore determinante. Un collegamento governato dall’area netta in corrispondenza dei fori dei bulloni o dallo strappo a blocco può non beneficiare dello stesso incremento proporzionale di una sezione lorda soggetta a snervamento. La resistenza di progetto appartiene all’elemento e al modo di collasso, non alla sola designazione del grado.

Contesto della EN 1993-1-1 e delle norme di prodotto

La EN 1993-1-1 fornisce le regole generali per la progettazione delle strutture in acciaio e, nella Sezione 3.2.6, indica le proprietà nominali dei materiali per i gradi strutturali di uso comune. Non sostituisce la norma di prodotto che disciplina la fabbricazione, la composizione chimica, le tolleranze, le prove, la condizione di fornitura e la certificazione.

Per i prodotti strutturali, la serie EN 10025 è fondamentale. La EN 10025-2 riguarda gli acciai strutturali non legati; la EN 10025-3 riguarda gli acciai strutturali a grano fine saldabili normalizzati o laminati normalizzati; la EN 10025-4 riguarda gli acciai a grano fine saldabili laminati termomeccanicamente; altre norme di prodotto disciplinano le sezioni cave, i prodotti formati a freddo e i prodotti strutturali inossidabili. La designazione deve essere letta insieme alla forma del prodotto e alla norma applicabile. SteelConstruction.info riflette questa impostazione collegando i gradi europei degli acciai strutturali alle norme che ne disciplinano i requisiti chimici e meccanici.

Una tabella della composizione chimica che riporti carbonio, manganese, fosforo, zolfo, silicio, cromo, nichel o molibdeno non sostituisce quindi una tabella delle proprietà meccaniche. Né una tabella meccanica costituisce una specifica completa di acquisto. AISC opera la stessa distinzione nella discussione delle specifiche ASTM per gli acciai strutturali: i requisiti per profilati e lamiere contengono generalmente sia disposizioni sulla composizione chimica sia disposizioni sulle proprietà meccaniche. Le norme ASTM distinguono inoltre gli acciai al carbonio, strutturali, inossidabili, ferritici, austenitici e legati in specifiche caratterizzate da regole differenti per prove e accettazione.

Le Tabelle di riferimento del Nickel Institute, di SSINA, di Engineering ToolBox e dei manuali comparativi sulle norme degli acciai possono aiutare a organizzare i gradi tra sistemi diversi, ma le loro indicazioni possono essere rappresentative, abbreviate o comparative, anziché costituire limiti cogenti. Il documento normativo determinante è la norma di prodotto citata, nella specifica edizione citata, per il prodotto e lo spessore indicati. È a questo livello che S355 diventa un materiale specificato, anziché un’etichetta separata dal proprio contesto di fabbricazione e di progettazione.

ASTM A400 come modello per la selezione e l’interpretazione

ASTM A400, Prassi standard per le barre di acciaio: guida alla selezione, composizione e proprietà meccaniche, costituisce un modello utile perché non tratta una qualità di acciaio come un’identità materiale autosufficiente. Le sue tabelle collegano diverse condizioni che spesso vengono separate o omesse nelle tabelle divulgative sugli acciai: designazione della qualità, composizione chimica, condizione di lavorazione, dimensione della sezione e carico unitario minimo richiesto.

Questa struttura è importante. Una tabella della composizione chimica risponde a una domanda: quali elementi sono specificati per la qualità e entro quali limiti? Una tabella delle proprietà meccaniche risponde a un’altra domanda: quale resistenza, durezza, duttilità o tenacità è richiesta nelle condizioni di prova e di prodotto dichiarate? ASTM A400 pone queste domande accanto al problema della selezione, ma non elimina le distinzioni tra di esse.

Le designazioni delle qualità AISI o ASTM possono restringere il campo senza identificare ogni requisito che disciplina una barra fornita. Continua a prevalere la specifica di prodotto applicabile. Lo stesso vale per l’intervallo dimensionale dichiarato, il trattamento termico, la finitura, la posizione di campionamento, la direzione di prova e i criteri di accettazione. La stessa qualità nominale può quindi presentare proprietà ammissibili diverse quando cambiano la forma del prodotto o la dimensione della sezione.

Selezione della qualità in base al carico unitario richiesto

Il carico unitario dovrebbe essere trattato come un parametro di selezione, non come un numero copiato da una tabella generica delle qualità. ASTM A400 organizza le barre di acciaio candidate in base al carico unitario minimo desiderato, mostrando al contempo la composizione chimica e i percorsi di lavorazione associati a tali candidate. Ciò è più informativo che classificare le qualità da “bassa resistenza” ad “alta resistenza” senza spiegare come siano stati ottenuti i valori.

Un carico unitario minimo richiesto stabilisce innanzitutto una soglia prestazionale. Da solo, però, non determina la qualità. Diverse qualità possono soddisfare tale soglia, ma differire per il contenuto di carbonio, manganese, cromo, nichel, molibdeno o altri elementi di lega. Tali differenze influenzano la temprabilità, la saldabilità, la risposta al trattamento termico, l’idoneità per determinate dimensioni di sezione e talvolta la tenacità. L’ASM International’s Metals Handbook attribuisce le proprietà degli acciai al carbonio e degli acciai legati agli effetti combinati della composizione chimica, della lavorazione e della microstruttura. La composizione chimica è una causa delle proprietà, non un sostituto del requisito relativo a una proprietà.

La distinzione è evidente nei riferimenti agli acciai strutturali. Le tabelle di progetto dell’Eurocodice 3 identificano S235, S275, S355, S420, S450 e S460 con proprietà dei materiali di progetto secondo EN 1993-1-1, sezione 3.2.6. Tali valori di progetto appartengono a quel quadro progettuale; non devono essere trasferiti automaticamente a una qualità di barra ASTM soltanto perché una tabella presenta valori simili del carico unitario. “S355” è una designazione EN con uno specifico contesto di prodotto e di norma. Non è un’identità chimica o meccanica universale equivalente a ogni acciaio elencato nelle sue vicinanze.

Una tabella di selezione può evidenziare un compromesso tra carico unitario e altri requisiti. L’aumento della resistenza mediante l’aggiunta di elementi di lega o il trattamento termico può modificare l’allungamento, la lavorabilità, i requisiti della procedura di saldatura o il comportamento alle basse temperature. Una qualità che soddisfa un obiettivo di carico unitario minimo di 690 MPa in una piccola barra bonificata potrebbe non fornire lo stesso valore in una sezione molto più grande e potrebbe non essere intercambiabile con un prodotto normalizzato avente la stessa designazione nominale.

Anche il valore dichiarato del carico unitario richiede una base di prova. Il carico unitario minimo specificato può essere determinato mediante un punto di snervamento oppure mediante un metodo basato su un offset prescritto, a seconda della norma. La lunghezza di riferimento, l’orientamento del provino e la posizione di campionamento possono influenzare il risultato dichiarato. Una tabella che riporta il “carico unitario” senza questi dettagli è incompleta, anche quando il dato numerico è stato copiato correttamente.

Condizione di lavorazione e dimensione della sezione

La lavorazione costituisce il collegamento tra la composizione chimica e le proprietà meccaniche. La laminazione a caldo, la normalizzazione, la ricottura, la tempra e il rinvenimento, la finitura a freddo e la distensione producono microstrutture diverse a partire dalla stessa composizione chimica di colata. Anche la velocità di raffreddamento è importante. Una barra piccola disperde il calore più rapidamente di una barra grande e può quindi sviluppare una struttura di trasformazione diversa durante il raffreddamento. Il centro di una sezione pesante può raffreddarsi abbastanza lentamente da rimanere più tenero della superficie o da richiedere un ciclo di trattamento termico diverso.

ASTM A400 rende concreto questo principio associando la selezione alla condizione di lavorazione e alla dimensione della sezione, invece di presentare un unico valore di resistenza per un’intera qualità. Una tabella delle barre può distinguere il materiale laminato a caldo da quello bonificato oppure separare gli intervalli di diametro prima di assegnare i valori minimi del carico unitario. La ragione è metallurgica, non editoriale. Il contenuto di carbonio e degli elementi di lega influenza la temprabilità, ma la temprabilità non significa che ogni punto di ogni sezione raggiunga la stessa durezza o resistenza.

Anche lo spessore e il diametro possono modificare il valore minimo determinante. Le specifiche di prodotto suddividono comunemente i requisiti meccanici in base alla dimensione, perché le sezioni più grandi sono più difficili da trasformare uniformemente e possono mostrare proprietà inferiori nella zona centrale. Una tabella della composizione chimica non può rivelare tale limitazione. Né una tabella meccanica può essere interpretata correttamente se si ignora la relativa colonna dimensionale.

La specifica di prodotto determina il requisito effettivo di accettazione. ASTM A400 è una prassi di selezione, mentre una specifica di prodotto ASTM definisce i requisiti per un prodotto specifico. Le norme ASTM riguardano i requisiti chimici, meccanici, metallurgici e altri requisiti dei materiali per acciai al carbonio, strutturali, inossidabili, ferritici, austenitici e legati. Anche AISC spiega che le specifiche ASTM per i profili e le piastre di acciaio strutturale contengono generalmente sia requisiti di composizione chimica sia requisiti di proprietà meccaniche. La specifica esatta, la revisione, i requisiti supplementari e la designazione d’acquisto devono pertanto accompagnare ogni voce di tabella utilizzata per decisioni ingegneristiche.

I riferimenti agli acciai inossidabili mostrano la stessa separazione. Le tabelle SSINA riportano la composizione in percentuale di massa e le proprietà meccaniche specificate per le qualità di acciaio inossidabile austenitico disciplinate dalle specifiche di prodotto ASTM. Il Nickel Institute presenta i dati chimici, meccanici, fisici e relativi alle specifiche come classi di informazioni separate. Questi formati sono utili proprio perché non implicano che una percentuale di nichel, cromo o carbonio, considerata isolatamente, possa prevedere il comportamento complessivo in servizio.

Utilizzare una guida alla selezione senza farne un uso improprio

Una guida alla selezione può organizzare le candidate, spiegare perché due qualità non sono intercambiabili e mostrare in quali casi la resistenza dipende dalla lavorazione o dalla dimensione della sezione. Può aiutare un ingegnere a passare da un carico unitario minimo richiesto a un breve elenco di qualità plausibili, per poi confrontare composizione chimica, temprabilità, duttilità e condizione di trattamento. Costituisce inoltre un avvertimento contro le false equivalenze. L’Handbook of Comparative World Steel Standards mantiene separate, per questo motivo, le tabelle comparative della composizione chimica e quelle delle proprietà meccaniche: la corrispondenza tra designazioni non dimostra l’equivalenza delle specifiche.

Una guida non può sostituire la specifica di prodotto applicabile. Non può certificare una colata, confermare un rapporto di prova di laminatoio, stabilire le proprietà effettive di un componente non sottoposto a prova né garantire prestazioni al di fuori della dimensione, della condizione, dell’orientamento, della temperatura e del metodo di prova indicati nella fonte. Le tabelle comparative rappresentative, come gli elenchi di Engineering ToolBox relativi a carbonio, cromo, manganese, molibdeno, nichel, fosforo, zolfo e silicio, sono utili per un orientamento, ma non prevalgono sui limiti prescrittivi. La stessa cautela si applica ai manuali, alle tabelle dei fornitori e agli elenchi delle qualità corrispondenti tra norme diverse.

La sequenza corretta è quindi semplice ma rigorosa: definire la forma del prodotto e la norma, dichiarare le proprietà minime richieste, identificare la dimensione e la condizione di lavorazione ammesse, verificare la composizione chimica e i requisiti supplementari, quindi verificare il materiale fornito rispetto alla certificazione e alle prove applicabili. ASTM A400 è utile per la fase di selezione. Non esegue per l’utente le fasi di definizione della specifica, fabbricazione o accettazione.

Come confrontare le designazioni secondo i sistemi ASTM, EN e altri sistemi

Il nome di una designazione è un punto di partenza, non l’identità del materiale. ASTM, EN, JIS, GB, ISO e altri sistemi assegnano designazioni nell’ambito di norme di prodotto differenti, e tali norme possono disciplinare la composizione chimica, la resistenza, la tenacità, il trattamento termico, le dimensioni, le prove e i processi di fabbricazione consentiti. “S355”, “A572 Grade 50” e “AISI 1045” non possono quindi essere trattati come designazioni intercambiabili semplicemente perché una tabella di correlazione li colloca nella stessa riga.

Il Handbook of Comparative World Steel Standards rende pratica questa distinzione: le sue tabelle comparative per gli acciai legati lavorati e colati separano le composizioni chimiche dalle proprietà meccaniche. Tale separazione non è una semplice scelta editoriale. La composizione chimica descrive i limiti relativi a elementi quali carbonio, manganese, cromo, nichel, fosforo e zolfo; una tabella meccanica riporta risultati ottenuti in condizioni di lavorazione e prova specificate. Si tratta di insiemi di dati correlati, ma non sostituibili l’uno con l’altro.

Una composizione chimica simile tra due designazioni non dimostra l’identità delle norme di prodotto, delle regole di lavorazione, dei requisiti di tenacità o dei valori minimi meccanici. Strong evidence

La similarità chimica non equivale all’equivalenza della specifica

Una tabella della composizione chimica può mostrare che due designazioni rientrano in intervalli compositivi simili. Tuttavia, da sola non può dimostrare che le designazioni soddisfino la stessa specifica di prodotto o abbiano prestazioni analoghe in esercizio.

Si considerino gli acciai strutturali al carbonio e bassolegati. ASTM A572/A572M Grade 50 e EN 10025-2 S355 sono spesso confrontati perché, per alcune forme di prodotto e determinati spessori, i loro valori nominali minimi di snervamento rientrano in intervalli simili. I relativi sistemi di specificazione differiscono comunque per limiti chimici, categorie di prodotto, designazioni della tenacità, requisiti di fornitura, regole dimensionali e disposizioni relative alle prove. Una tabella che riporti soltanto carbonio, manganese, fosforo e zolfo nasconde tali differenze.

Lo stesso problema si presenta per gli acciai inossidabili. “304” può riferirsi a una designazione AISI, a una designazione di prodotto ASTM, come il Type 304 nell’ambito di una determinata specifica di prodotto, oppure a una designazione europea come 1.4301, associata a X5CrNi18-10. Questi riferimenti si sovrappongono nell’uso comune, ma i requisiti applicabili dipendono dalla norma di prodotto. SSINA separa le tabelle della composizione espressa in percentuale in massa dalle proprietà meccaniche specificate per le designazioni di acciai inossidabili austenitici disciplinate dalle specifiche di prodotto ASTM. Questo formato impedisce correttamente che un intervallo compositivo venga scambiato per un requisito completo di fornitura.

ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties, costituisce un utile monito contro le tabelle semplificate delle designazioni. Presenta indicazioni per la selezione in base alla designazione, alla composizione, alla condizione di lavorazione, alla dimensione della sezione e al valore minimo di snervamento desiderato. Una designazione per barre non ha lo stesso significato in assenza di queste variabili complementari. Trafilatura a freddo, ricottura, normalizzazione, tempra e rinvenimento oppure laminazione a caldo possono produrre valori di resistenza e duttilità sostanzialmente diversi anche a partire da composizioni chimiche strettamente correlate.

La trattazione di ASM sugli acciai al carbonio e legati illustra la ragione metallurgica: le proprietà derivano dagli effetti combinati della composizione chimica, della lavorazione e della microstruttura. Il tenore di carbonio può influire sulla durezza e sulla temprabilità, ma non determina in modo univoco il carico di snervamento, la tenacità all’urto, la resistenza a fatica, l’allungamento o le tensioni residue. Sono rilevanti anche la dimensione dei grani, la velocità di raffreddamento, i prodotti di trasformazione, il rinvenimento, il contenuto di inclusioni e la deformazione precedente.

I confronti chimici restano utili. Possono individuare evidenti incompatibilità, rivelare se una designazione è a basso tenore di carbonio o contiene cromo e consentire una verifica preliminare degli elementi che influenzano la saldabilità o la resistenza alla corrosione. Dovrebbero tuttavia rimanere all’interno di una tabella della composizione chimica, con l’indicazione della norma di prodotto applicabile e della relativa edizione accanto a ciascuna designazione. Un confronto rappresentativo, come quello pubblicato da Engineering ToolBox, non costituisce un limite prescrittivo della specifica.

Confronto delle proprietà meccaniche in condizioni corrispondenti

I valori meccanici diventano confrontabili solo dopo aver uniformato le condizioni di prova e di fornitura. Come minimo, occorre registrare la forma del prodotto, la norma e l’edizione applicabili, la condizione di fornitura, lo spessore o la dimensione della sezione, la direzione di prova, la temperatura di prova, il metodo di prova e il tipo di proprietà richiesto.

La forma del prodotto viene prima di tutto. Lamiere, barre laminate a caldo, fili, tubi, fucinati e profili strutturali possono essere disciplinati da norme differenti anche quando una designazione appare simile. ASTM A36/A36M per gli acciai strutturali al carbonio, ASTM A29/A29M per le barre di acciaio al carbonio e legato lavorate a caldo e ASTM A276/A276M per le barre di acciaio inossidabile non sono documenti intercambiabili. Le relative tabelle meccaniche riguardano prodotti diversi e possono specificare condizioni diverse di campionamento o trattamento termico.

Lo spessore e la dimensione della sezione possono modificare il valore minimo richiesto. Nelle tabelle degli acciai strutturali EN, il requisito di snervamento per designazioni quali S235, S275, S355, S420, S450 e S460 è legato a intervalli di spessore nell’ambito delle disposizioni applicabili al prodotto e alla progettazione. L’Eurocodice 3, EN 1993-1-1, Sezione 3.2.6, fornisce quindi i valori di progetto dei materiali per gli acciai strutturali; tali valori di progetto non sono semplicemente risultati di prove di trazione copiati da una generica tabella delle designazioni. Una lamiera provata nella direzione longitudinale a temperatura ambiente non è automaticamente confrontabile con una sezione spessa provata trasversalmente o con un valore corretto per la progettazione a temperatura elevata.

Deve essere indicata anche la condizione di fornitura. “Normalizzato”, “laminato termomeccanicamente”, “temprato e rinvenuto”, “ricotto” e “allo stato laminato” descrivono stati metallurgici differenti. Le norme ASTM ed EN possono associare suffissi, classi o requisiti di condizione distinti alla stessa ampia famiglia di designazioni. Una resistenza a trazione minima indicata per una barra temprata e rinvenuta non può essere utilizzata per rappresentare una barra ricotta solo perché entrambe condividono una designazione nominale della lega.

Il metodo di prova influisce sul valore riportato. Il carico di snervamento può indicare un punto di snervamento pronunciato oppure una tensione di prova allo 0,2% di deformazione plastica. L’allungamento dipende dalla lunghezza utile e dalla geometria del provino. L’energia Charpy dipende dall’orientamento dell’intaglio, dalla temperatura di prova, dalle dimensioni del provino e dalle regole di reporting. Anche la conversione della durezza è condizionata; un valore convertito Rockwell, Brinell o Vickers non equivale a una prova diretta senza considerare la norma di conversione applicabile.

Un processo di confronto difendibile deve pertanto essere sequenziale:

1. Identificare la forma del prodotto e la specifica esatta del prodotto. 2. Registrare la norma applicabile, l’edizione, la designazione, la classe, il tipo e i requisiti supplementari. 3. Estrarre i limiti della composizione chimica da tale documento, non da una tabella generale delle designazioni. 4. Registrare la condizione di fornitura, il trattamento termico, lo spessore, il diametro, lo spessore della parete o la dimensione della sezione. 5. Uniformare la direzione di prova, la geometria del provino, la temperatura di prova e il metodo di prova. 6. Confrontare lo stesso requisito meccanico: snervamento con snervamento, resistenza a trazione con resistenza a trazione ed energia d’urto con energia d’urto. 7. Verificare separatamente saldabilità, tenacità, corrosione, fatica e requisiti dimensionali. 8. Confermare che il codice di progettazione previsto riconosca il materiale proposto.

Le tabelle del Nickel Institute illustrano questa organizzazione rigorosa separando i dati chimici, meccanici, fisici e relativi alle specifiche. Una struttura analoga dovrebbe essere utilizzata per i riferimenti agli acciai: la composizione chimica in una tabella, i requisiti meccanici in un’altra e le note di qualificazione accanto a entrambe.

Limiti delle tabelle di correlazione

Le tabelle di correlazione sono strumenti di verifica preliminare. Sono utili per individuare designazioni candidate, identificare famiglie con contenuti di lega simili e trovare norme che richiedono un esame ulteriore. Non autorizzano la sostituzione uno a uno.

Una tabella può riunire diverse edizioni in un’unica riga, omettere la forma del prodotto, riportare una composizione tipica anziché un limite massimo oppure mostrare un valore meccanico relativo a un intervallo di spessore diverso. Può inoltre confondere una designazione nazionale con una norma di prodotto. “AISI 1045”, per esempio, identifica una composizione di acciaio al carbonio comunemente riconosciuta, ma non definisce di per sé i requisiti relativi a una determinata barra, lamiera, fucinato, condizione di trattamento termico o applicazione progettuale.

La conclusione corretta derivante da una correlazione è condizionata: la designazione indicata può essere candidata a una valutazione tecnica secondo una norma e una condizione nominate. La sostituzione richiede una verifica rispetto alla specifica del materiale, al certificato di ispezione, al codice di progettazione, alla procedura di fabbricazione e ai requisiti di esercizio. Una composizione chimica simile è indice di prossimità, non prova di equivalenza. Né un numero condiviso né un nome noto possono sostituire tale verifica.

Prove, campionamento e significato di un valore riportato

Una tabella relativa a un acciaio non riporta una proprietà in modo isolato. Riporta il risultato di un’analisi chimica o di una prova meccanica definita, eseguita su un campione selezionato, in condizioni dichiarate e valutata rispetto a una regola di accettazione. Se si elimina anche solo uno di questi elementi, il numero può cambiare significato.

Per questo, una designazione di qualità non può fungere da identificazione completa del materiale. ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties, organizza le informazioni sulle barre in base alla qualità, alla composizione chimica, alla condizione di lavorazione, alla dimensione della sezione e al carico di snervamento minimo desiderato. La sua struttura rende chiara la limitazione: la stessa qualità nominale può richiedere un’interpretazione diversa quando cambiano la forma del prodotto, le dimensioni, il trattamento termico o la specifica di riferimento.

Analisi di colata e analisi del prodotto

Un’analisi di colata, o analisi di siviera, descrive la composizione chimica dell’acciaio fuso rappresentato da una particolare colata. Normalmente il produttore preleva il campione durante la produzione dell’acciaio, prima che il materiale venga colato in lingotti o in prodotti ottenuti mediante colata continua. I valori riportati intendono rappresentare la colata nel suo complesso. Non costituiscono necessariamente una misurazione diretta della lamiera, della barra, del forgiato o del tubo finito.

L’analisi del prodotto viene eseguita su materiale prelevato dal prodotto fabbricato. Può quindi riflettere la posizione di campionamento, la segregazione durante la solidificazione, le condizioni della superficie, la lavorazione meccanica e le variazioni chimiche locali. Un limite relativo all’analisi del prodotto può differire da un limite relativo all’analisi di siviera perché le due analisi rispondono a domande diverse: quale composizione è stata ottenuta nel forno e quale composizione è presente nel prodotto fornito, nella posizione sottoposta a campionamento?

La distinzione è particolarmente importante per gli elementi soggetti a limiti restrittivi. Carbonio, zolfo, fosforo, azoto ed elementi di lega come cromo, nichel, molibdeno e vanadio possono essere riportati con diverse cifre decimali, ma la precisione visualizzata non garantisce un’accuratezza equivalente. Un risultato di 0,018% di zolfo e un limite di 0,020% dipendono comunque dal metodo analitico, dalla calibrazione, dalla preparazione del campione e dalla regola di arrotondamento specificati dalla norma applicabile.

Una tabella della composizione può mostrare un singolo valore rappresentativo per l’acciaio inossidabile 304, come un contenuto approssimativo di cromo o nichel. SSINA presenta invece intervalli di composizione espressi in percentuale in massa e proprietà meccaniche specificate per le qualità di acciaio inossidabile austenitico disciplinate dalle specifiche di prodotto ASTM. Queste ultime sono requisiti di specifica; i primi possono costituire un utile termine di confronto. Non devono essere considerati intercambiabili.

La stessa cautela si applica alle tabelle comparative che riportano in colonne adiacenti le designazioni UNS, EN, JIS e ASTM. L’Handbook of Comparative World Steel Standards separa le tabelle comparative delle composizioni chimiche da quelle delle proprietà meccaniche, perché la similitudine chimica non stabilisce requisiti di lavorazione, forme del prodotto, metodi di prova o criteri di accettazione identici. “Equivalente” è spesso un’abbreviazione per indicare un confronto limitato, non la prova che un materiale possa essere sostituito da un altro secondo ogni norma.

Un valore massimo è un limite superiore. Un valore minimo è un limite inferiore. Un intervallo presenta entrambi i limiti. Una composizione nominale o tipica dichiarata può descrivere una prassi prevista senza definire un intervallo di accettazione ammissibile. Queste categorie devono rimanere distinte in una tabella.

Condizioni delle prove di trazione e di durezza

Le proprietà meccaniche dipendono dalla definizione della prova ancora più dei valori di composizione. La resistenza a trazione, il carico di snervamento, l’allungamento, la riduzione della sezione e la durezza descrivono la risposta di un determinato provino sottoposto a una determinata procedura. Non rappresentano costanti fisse possedute da ogni pezzo recante la stessa designazione di qualità.

La posizione di campionamento viene per prima. Un provino può essere prelevato a una distanza prescritta dalla superficie, dal centro di una barra, attraverso lo spessore di una lamiera o da un’estremità designata del prodotto. Un provino prelevato dalla superficie può mostrare proprietà diverse da quelle di un provino prelevato dal centro, poiché la velocità di raffreddamento, la segregazione, la decarburazione e il successivo trattamento termico variano lungo la sezione. Per un prodotto laminato, la posizione della prova può inoltre determinare se il provino rappresenti la testa, il corpo o la coda di una lamiera o di una barra.

L’orientamento modifica il risultato. Un provino longitudinale è allineato con la direzione principale di laminazione o trafilatura; un provino trasversale viene prelevato attraverso tale direzione. La laminazione allunga i grani e le inclusioni, mentre la forgiatura e la trafilatura modificano la microstruttura in altri modi. Di conseguenza, l’allungamento longitudinale, il carico di snervamento trasversale e la duttilità attraverso lo spessore non sono denominazioni alternative di un’unica proprietà universale.

Anche la lunghezza di riferimento è importante. Un allungamento misurato su una lunghezza di riferimento breve non è direttamente confrontabile con un allungamento misurato su una lunghezza più lunga, anche quando entrambi i valori sono riportati in percentuale. Durante la frattura, la strizione si concentra localmente; pertanto, la proporzione dell’allungamento totale attribuita alla lunghezza di riferimento varia in funzione della geometria del provino. Una tabella che riporti un valore di allungamento senza le dimensioni del provino e la norma di prova omette informazioni essenziali.

La temperatura di prova è un’altra condizione al contorno. La resistenza e la duttilità possono variare considerevolmente tra la temperatura ambiente e una prova a temperatura sottozero o elevata. Anche la velocità di applicazione del carico, il metodo dell’estensimetro, la definizione del punto di snervamento e la convenzione di calcolo possono influenzare il risultato riportato. “Carico di snervamento” può indicare un punto di snervamento oppure una tensione di prova a un determinato scostamento, a seconda della norma di riferimento.

Anche i valori di durezza richiedono la stessa attenzione. I valori Brinell, Rockwell e Vickers utilizzano penetratori, carichi, condizioni di mantenimento e procedure di conversione diversi. Un valore Rockwell B non può essere confrontato implicitamente con un valore Rockwell C, e una tabella di conversione della durezza non trasforma il valore convertito in una misurazione diretta. La rugosità superficiale, la curvatura, la calamina, lo spessore del provino e la microstruttura locale possono influenzare l’impronta.

Le specifiche ASTM per i profilati e le lamiere di acciaio strutturale contengono generalmente sia requisiti relativi alla composizione chimica sia requisiti relativi alle proprietà meccaniche, come spiega l’American Institute of Steel Construction. I due gruppi di requisiti operano congiuntamente. La composizione chimica identifica i limiti composizionali; le prove verificano se il prodotto fornito, dopo la lavorazione specificata, soddisfa le prestazioni richieste.

Valori di accettazione, medie e dispersione

Un minimo specificato è una soglia che un risultato accettato deve raggiungere o superare. Un massimo specificato è un limite superiore che non deve essere superato. Un intervallo specificato impone entrambe le condizioni. Nessuno di questi è una media.

Un risultato individuale appartiene a un provino o a una posizione di prova. Una media combina più risultati, ma la regola per il calcolo della media può essere limitata dalla norma di prodotto. Alcune norme valutano ogni risultato individuale; altre consentono di ripetere la prova, calcolare una media o sostituire un provino non valido in circostanze definite. Un materiale può quindi avere una resistenza a trazione media superiore a un minimo indicato, mentre un singolo risultato non soddisfa un requisito applicabile al risultato individuale.

La dispersione non costituisce automaticamente una prova di scarsa qualità del materiale. Può derivare dalla normale variabilità microstrutturale, dal posizionamento del provino, dalla ripetibilità della macchina, dalla tecnica dell’operatore e dall’incertezza di misura. Un risultato riportato di 500 MPa non dovrebbe essere interpretato come un limite fisico esatto quando il metodo di prova e lo strumento hanno una risoluzione finita. L’incertezza non annulla un limite di accettazione, ma spiega perché i valori prossimi a tale limite richiedano la regola decisionale prescritta dalla norma, anziché un arrotondamento arbitrario.

La distinzione è visibile nelle tabelle di progettazione. Eurocode 3 elenca le proprietà dei materiali di progetto per S235, S275, S355, S420, S450 e S460 secondo EN 1993-1-1, Sezione 3.2.6. Si tratta di valori stabiliti per la progettazione strutturale nell’ambito di tale quadro normativo, non di risultati universali di prove di trazione per ogni prodotto recante una designazione S. Analogamente, ASTM A400 collega il carico di snervamento minimo alla dimensione della barra e alla condizione di lavorazione.

Un valore riportato in una tabella è quindi inseparabile dal relativo metodo e dalla regola di accettazione. Prima di confrontare due voci, occorre stabilire se ciascuna rappresenti un’analisi di colata o un’analisi del prodotto, un valore tipico o un limite di specifica, una media o un risultato individuale, nonché una misurazione di trazione o di durezza eseguita alla stessa temperatura, con lo stesso orientamento, la stessa lunghezza di riferimento, la stessa posizione di campionamento e la stessa condizione del prodotto. In assenza di queste informazioni, la precisione numerica può creare una falsa impressione di comparabilità.

Errori comuni nelle tabelle delle proprietà dell’acciaio

Una tabella dell’acciaio può sembrare autorevole pur combinando in modo poco evidente valori appartenenti a norme, forme di prodotto o condizioni di prova differenti. La prima domanda non è «Qual è la qualità?», bensì «A quale documento e a quale condizione si riferisce questo numero?». Le tabelle della composizione chimica indicano i limiti o gli intervalli degli elementi, generalmente in percentuale in massa. Le tabelle delle proprietà meccaniche riportano requisiti o risultati misurati, come carico di snervamento, resistenza a trazione, allungamento, durezza, energia d’urto o resistenza a fatica. Questi due tipi di tabella sono correlati, ma non sono intercambiabili.

ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties, esprime il concetto in modo diretto: la selezione di una barra d’acciaio implica la qualità, la composizione chimica, la condizione di lavorazione, la dimensione della sezione e il carico di snervamento minimo desiderato. Un’annotazione relativa alla qualità priva di questi qualificatori è incompleta.

Confondere valori nominali, tipici, minimi e massimi

L’errore più comune consiste nel collocare valori diversi in colonne adiacenti senza indicarne lo stato. «Nominale», «tipico», «minimo» e «massimo» non descrivono lo stesso tipo di informazione.

Una composizione nominale è un valore obiettivo o di designazione. Una tabella potrebbe indicare circa lo 0,40% di carbonio per un acciaio al carbonio medio, mentre la specifica di prodotto applicabile potrebbe consentire un intervallo, ad esempio 0,37–0,44% C, e imporre limiti separati per manganese, fosforo, zolfo, silicio o elementi residui. Un valore massimo è un limite di conformità; non rappresenta un’analisi attesa. Anche una resistenza a trazione minima è un limite, non la resistenza che ogni pezzo presenterà.

I valori tipici sono particolarmente rischiosi quando il loro stato non è dichiarato. Un fabbricante, un manuale o un laboratorio può riportare un carico di snervamento rappresentativo per un materiale normalizzato, mentre una norma richiede soltanto un valore minimo per un determinato spessore e una specifica condizione di fornitura. Il risultato rappresentativo può essere utile per il confronto, ma non può sostituire il requisito di accettazione. Una tabella che indica per una qualità «carico di snervamento: 355 MPa» senza specificare se 355 MPa sia un valore minimo, un valore nominale di progetto o il risultato tipico di una prova invita a trarre una conclusione errata.

Le unità creano una seconda versione dello stesso problema. «Resistenza ksi», senza indicare se il valore si riferisca al carico di snervamento o alla resistenza a trazione, è un’indicazione difettosa; «durezza 220» è altrettanto incompleta, perché 220 HBW, 220 HV e 220 HRC hanno significati molto diversi. L’allungamento deve indicare la lunghezza di riferimento, comunemente 5,65√A oppure una lunghezza di riferimento specificata in pollici. L’energia d’urto Charpy richiede la temperatura di prova, l’orientamento del provino, le dimensioni del provino e spesso il numero di provini. Anche gli arrotondamenti possono nascondere i limiti di conformità. Un valore di carbonio riportato come 0,20% può rappresentare 0,195%, 0,204% oppure un ampio intervallo consentito; pertanto, un confronto basato su valori arrotondati non dovrebbe essere trattato come un limite di specifica.

La tabella dovrebbe indicare se ogni voce rappresenta un minimo richiesto, un massimo consentito, un intervallo di composizione, un obiettivo nominale o un valore misurato tipico. In caso contrario, il lettore deve presumere che il numero non sia idoneo a decisioni di accettazione.

Copiare valori tra norme di prodotto

Una designazione può ricorrere in norme diverse senza comportare requisiti identici. Le lamiere, le barre e i profili strutturali in acciaio ASTM A36 non sono automaticamente disciplinati da un’unica tabella comune soltanto perché la designazione è familiare. Le specifiche di prodotto possono stabilire limiti chimici, regole relative allo spessore, disposizioni sulle prove, condizioni di fornitura e requisiti meccanici differenti.

AISC spiega che le specifiche ASTM per i profili e le lamiere in acciaio strutturale contengono generalmente sia requisiti relativi alla composizione chimica sia requisiti relativi alle proprietà meccaniche. Tali requisiti appartengono alla specifica ASTM di prodotto pertinente. Copiare una riga relativa alla composizione chimica da un documento e una riga relativa alla resistenza da un altro può creare un materiale che in realtà nessuna norma definisce.

Lo spessore è un’omissione frequente. I requisiti relativi al carico di snervamento e alla resistenza a trazione possono variare in funzione dello spessore della lamiera o della sezione, poiché la velocità di raffreddamento, la segregazione e la microstruttura attraverso lo spessore cambiano all’aumentare delle dimensioni. Una tabella che riporti per S355 un unico valore del carico di snervamento è quindi incompleta, a meno che non identifichi la norma applicabile e l’intervallo di spessore. L’Eurocodice 3 elenca le proprietà dei materiali per la progettazione relative a S235, S275, S355, S420, S450 e S460 nella sezione 3.2.6 della EN 1993-1-1, ma si tratta di valori delle norme di progettazione, non di un’autorizzazione a copiare ogni valore in una tabella ASTM, JIS o in un certificato di colata.

La stessa cautela si applica agli acciai inossidabili. SSINA presenta la composizione in percentuale in massa e le proprietà meccaniche specificate per le qualità austenitiche coperte dalle specifiche ASTM di prodotto. I valori relativi alla composizione chimica e alla resistenza devono restare associati alla forma di prodotto e al documento ASTM pertinenti. Una riga relativa alla composizione di una lamiera non può automaticamente disciplinare barre, prodotti fucinati, fili o getti.

Il confronto tra norme diverse richiede una disciplina ancora maggiore. Il Handbook of Comparative World Steel Standards separa le tabelle comparative delle composizioni chimiche da quelle delle proprietà meccaniche nei diversi sistemi internazionali di designazione. Questa separazione è importante: denominazioni simili possono indicare composizioni chimiche correlate senza dimostrare identiche condizioni di lavorazione, tenacità, saldabilità, intervalli dimensionali o requisiti di certificazione. Confronti rappresentativi in stile Engineering ToolBox possono aiutare a mostrare che una qualità contiene più cromo o nichel di un’altra, ma non stabiliscono i limiti applicabili.

Prima di accettare un valore copiato, annotare il numero della norma, l’edizione, la forma di prodotto, la condizione di fornitura, l’intervallo di spessore o diametro, la direzione di prova, la temperatura di prova e il sistema di unità di misura. Se manca anche uno solo di questi elementi, il numero costituisce un’indicazione da verificare ulteriormente, non un requisito confermato.

Trattare i nomi delle qualità come specifiche complete del materiale

«304», «A36», «S355» e «4140» sono designazioni, non descrizioni complete di un pezzo d’acciaio. Il loro significato dipende dal documento che le definisce e dal prodotto fornito. Anche all’interno della stessa designazione, condizioni ricotte, normalizzate, bonificate, incrudite a freddo e laminate a caldo possono produrre proprietà differenti.

ASM International afferma che le proprietà degli acciai al carbonio e basso-legati derivano dagli effetti combinati della composizione chimica, della lavorazione e della microstruttura. La sola composizione chimica non può prevedere un unico valore del carico di snervamento, della durezza, dell’energia d’urto o dell’allungamento. Due colate con tenori simili di carbonio e cromo possono differire a causa della dimensione dei grani, della temperatura di rinvenimento, del rapporto di riduzione, delle inclusioni o della storia di raffreddamento.

Una tabella che riporti «4140: 0,40% C, 1,0% Cr, 1,0% Mn, 0,25% Mo» può costituire un’approssimazione utile della composizione, ma non identifica se il materiale sia ricotto o bonificato, né se si tratti di una barra, una lamiera, un tubo o un componente finito. Analogamente, «acciaio inossidabile 304» non specifica se la voce si riferisca a una lamiera ASTM A240, a una barra ASTM A276 o a un’altra specifica di prodotto. Il documento applicabile può imporre prove meccaniche o requisiti supplementari differenti.

Le edizioni obsolete costituiscono un’ulteriore insidia. Le norme modificano i limiti della composizione chimica, i metodi di prova, la nomenclatura, le suddivisioni per spessore e i documenti di riferimento. Una tabella accuratamente impaginata può conservare un’edizione precedente presentando tuttavia i propri valori come attuali. Ogni tabella dovrebbe riportare la designazione della norma, l’edizione o revisione e la data della verifica. Dovrebbe inoltre identificare se un valore sia un requisito di specifica, un valore di progetto o una proprietà tipica tratta da un manuale.

Il Nickel Institute distingue i dati chimici, meccanici, fisici e di specifica nelle proprie presentazioni tabellari; questa separazione costituisce un modello utile. Una tabella affidabile dell’acciaio mantiene separate tali categorie, indica tutte le unità e le condizioni di prova, contrassegna i valori arrotondati o rappresentativi e collega ogni requisito alla norma applicabile. Senza questo contesto, la precisione della formattazione rende soltanto più difficile individuare l’errore.

Un modello wiki di riferimento per tabelle affidabili degli acciai

Una tabella affidabile degli acciai deve identificare il documento che conferisce autorità a un valore. La sola designazione del grado non è sufficiente. “S355”, “304”, “AISI 4140” o “ASTM A36” possono riferirsi a famiglie di materiali correlate, ma la norma di prodotto applicabile, la forma del prodotto, lo stato di fornitura, le dimensioni e i requisiti di prova determinano il significato della designazione in una specifica tabella.

ASTM A400, Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties, dimostra chiaramente il problema. Le indicazioni tabulate prendono in considerazione il grado, la composizione chimica, lo stato di lavorazione, la dimensione della sezione e il carico unitario minimo desiderato. Una tabella per barre copiata in una tabella per lamiere non è semplicemente incompleta: può attribuire i requisiti sbagliati al prodotto sbagliato. Anche AISC spiega che le specifiche ASTM per i profilati e le lamiere di acciaio strutturale contengono generalmente sia requisiti di composizione chimica sia requisiti relativi alle proprietà meccaniche. Questi due gruppi di requisiti non dovrebbero essere uniti in un’unica tabella indifferenziata delle “proprietà dell’acciaio”.

Campi richiesti per le tabelle di composizione

Ogni tabella di composizione dovrebbe iniziare con l’esatta designazione del grado così come riportata nel documento di riferimento, seguita dalla forma del prodotto. Gli esempi includono “lamiera ASTM A240 Tipo 304”, “barra ASTM A276 Tipo 316”, “lamiera EN 10025-2 S355JR” o “SAE J403 4140”. “Acciaio inossidabile 304” da solo è un’etichetta di ricerca, non una specifica completa.

La norma di riferimento deve comparire in un campo separato. Includere l’edizione o la revisione quando influisce sul requisito e indicare se il documento citato è una specifica del materiale, una norma di designazione, un manuale comparativo o una scheda informativa. ASTM A400 fornisce indicazioni per le barre di acciaio; non dovrebbe essere presentata come se disciplinasse ogni prodotto realizzato con un grado elencato. Per gli acciai strutturali europei, EN 10025-2 e la norma di progettazione pertinente hanno ruoli diversi. Un elenco comparativo delle designazioni deve essere contrassegnato come comparativo, non come documento cogente.

Elencare ogni elemento riportato con la relativa unità di misura. La percentuale in massa dovrebbe essere indicata come wt.% o frazione massica, non lasciata all’interpretazione. Un’intestazione utile potrebbe essere: “C, wt.% massimo”, “Mn, wt.%”, “P, wt.% massimo”, “S, wt.% massimo”, “Cr, wt.%”, “Ni, wt.%”, “Mo, wt.%” e “N, wt.% massimo”. Distinguere tra massimo, minimo, intervallo, residuo e resto. “Fe—resto” non significa che tutti gli elementi non elencati siano ammessi senza limite.

La tabella dovrebbe identificare lo stato del prodotto e l’intervallo di dimensioni o spessori associato al requisito di composizione. Alcune norme applicano la stessa analisi di colata a prodotti diversi, mentre altre distinguono tra analisi di colata e analisi di prodotto. La nota editoriale deve indicare quale delle due è riportata. Se una norma consente un elemento esclusivamente come aggiunta o lo riporta come residuo, tale stato deve essere indicato accanto al valore.

Non trasformare i confronti rappresentativi in limiti di specifica. Engineering ToolBox, per esempio, confronta i gradi utilizzando valori rappresentativi in percentuale in massa di carbonio, cromo, manganese, molibdeno, nichel, fosforo, zolfo e silicio. Una simile tabella può mostrare ampie relazioni compositive, ma non può sostituire i limiti cogenti di ASTM, EN, JIS, SAE o di un’altra norma di prodotto. Anche il Handbook of Comparative World Steel Standards separa le tabelle comparative della composizione da quelle delle proprietà meccaniche nei diversi sistemi di designazione; tale separazione dovrebbe essere mantenuta.

Una scheda di tabella di composizione richiede quindi i seguenti campi: designazione del grado; forma del prodotto; norma di riferimento; edizione o revisione; analisi di colata o di prodotto; elemento chimico; valore; unità; tipo di limite; condizione; intervallo di dimensioni o spessori; aggiunte ammesse o stato di residuo; e collegamento alla fonte. Se un valore è un confronto editoriale, contrassegnarlo come “rappresentativo”, non come “specificato”.

Campi richiesti per le tabelle delle proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche richiedono un contesto più ampio rispetto alla composizione. La tabella deve indicare se ogni numero è specificato, cioè un requisito della norma, oppure tipico, cioè un valore rappresentativo osservato o pubblicato. Un carico unitario di snervamento minimo specificato non è intercambiabile con un carico unitario di snervamento tipico, e nessuno dei due costituisce automaticamente una resistenza di progetto.

Definire con precisione la proprietà. “Resistenza” è troppo vago. Utilizzare carico unitario di snervamento, tensione di prova, resistenza a trazione, allungamento, riduzione di area, durezza, energia d’urto, resistenza a fatica o tenacità alla frattura, indicando quando utile il relativo simbolo: $R_e$, $R_{p0.2}$, $R_m$ o $A$. Indicare se l’allungamento è misurato su 50 mm, 80 mm o su un’altra lunghezza utile. Indicare la scala di durezza—HBW, HRC, HV—e non combinare scale non omogenee in un’unica graduatoria priva di fonte.

La forma del prodotto e la norma di riferimento restano obbligatorie. Una tabella per la lamiera ASTM A36 non può essere applicata tacitamente alla barra ASTM A36, e un valore per EN 10025-2 S355JR non è automaticamente un valore per S355J2. Includere lo stato di fornitura, ad esempio laminato, normalizzato, laminato normalizzato, bonificato, ricotto, ricotto in soluzione o incrudito a freddo. Il trattamento termico può modificare la resistenza e la duttilità mentre il grado nominale rimane invariato.

Registrare l’intervallo di dimensioni o spessori associato al requisito. Il carico unitario di snervamento degli acciai strutturali varia comunemente in funzione dello spessore, motivo per cui un singolo valore riportato accanto a S235, S275, S355, S420, S450 o S460 può risultare fuorviante. Le tabelle delle proprietà dei materiali dell’Eurocodice 3 identificano le proprietà di progetto secondo EN 1993-1-1, Sezione 3.2.6; tali valori appartengono a un quadro di progettazione e non a una tabella universale dei certificati di colata.

La direzione di prova deve essere esplicita: longitudinale, trasversale, trasversale corta, attraverso lo spessore o non specificata. Aggiungere il metodo di prova e l’edizione, come ASTM E8/E8M per la trazione, ASTM E23 per la prova d’urto Charpy, ASTM E18 per la durezza Rockwell o il metodo EN applicabile. Includere l’orientamento del provino, la temperatura di prova e la posizione di prelievo quando specificati dalla fonte. Un valore Charpy a −20 °C non può essere confrontato con un valore di resilienza non qualificato misurato a temperatura ambiente.

Separare i dati meccanici dalle proprietà fisiche. Il Nickel Institute organizza la composizione chimica, le proprietà meccaniche, le proprietà fisiche e le specifiche come classi di dati distinte. Tale organizzazione impedisce che densità, modulo, dilatazione termica, resistività elettrica e conducibilità termica vengano scambiati per requisiti di resistenza. I valori di progetto meritano una quarta tabella. Essi dipendono da una norma di progettazione di riferimento, dal formato dei coefficienti di sicurezza, dalle ipotesi relative all’esposizione, dalle regole di instabilità e talvolta dalla temperatura.

Una scheda delle proprietà meccaniche dovrebbe contenere: grado; forma del prodotto; norma ed edizione; stato; dimensioni o spessore; definizione della proprietà; valore e unità; stato specificato o tipico; direzione di prova; temperatura di prova; metodo di prova ed edizione; dettagli del provino; e collegamento alla fonte. Aggiungere un’avvertenza esplicita ogni volta che un valore è convertito, mediato, arrotondato o ricavato da una fonte secondaria.

Prassi per citazioni, revisioni e tracciabilità

Ogni riga o blocco strettamente raggruppato dovrebbe collegarsi alla propria fonte, non limitarsi a citare una pagina iniziale. Registrare il titolo del documento, il numero della clausola o della tabella, l’edizione, la data di accesso e il riferimento alla pagina o alla sezione. Un redattore wiki dovrebbe poter ricondurre “S355, 355 MPa” all’esatto intervallo di spessore e alla clausola da cui deriva.

Mantenere visibile la cronologia delle revisioni. Quando ASTM, EN, JIS, SAE o il manuale di un’organizzazione cambia, conservare il valore precedente insieme alla relativa edizione, anziché sovrascriverlo senza spiegazioni. Indicare se una fonte è vigente, superata, informativa o una riproduzione secondaria. Le tabelle degli acciai inossidabili austenitici di SSINA, per esempio, forniscono composizioni in percentuale in massa e proprietà meccaniche specificate per i gradi disciplinati dalle specifiche di prodotto ASTM; la tabella dovrebbe comunque identificare quale specifica ASTM governa ciascuna voce.

Non dedurre la resistenza dalla sola composizione chimica. ASM International afferma che le proprietà degli acciai al carbonio e degli acciai legati derivano dagli effetti combinati della composizione, della lavorazione e della microstruttura. Un contenuto maggiore di carbonio può aumentare la durezza in determinati trattamenti termici, riducendo però la saldabilità o la tenacità all’urto; anche gli effetti di cromo e nichel dipendono dall’equilibrio delle fasi e dalla storia di lavorazione.

Il modello editoriale e ingegneristico ripetibile è:

Designazione del grado | Forma del prodotto | Norma di riferimento ed edizione | Stato | Intervallo di dimensioni o spessori | Classe di composizione o proprietà | Elemento o proprietà definita | Valore e unità | Tipo di limite o stato specificato/tipico | Direzione di prova | Metodo di prova ed edizione | Temperatura o condizione del provino | Fonte, clausola e nota sulla revisione.

Pubblicare tabelle separate per la composizione chimica, le proprietà meccaniche, le proprietà fisiche e i valori di progetto. Inserire i collegamenti alle fonti e le avvertenze esplicite accanto a ciascuna tabella e contrassegnare ogni confronto tra norme diverse come non cogente, salvo che la norma citata lo renda espressamente cogente.

Riferimenti

1. [1]ASTM International. Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties. ASTM standard. https://store.astm.org/a0400-69r12.html
2. [2]ASM International. Mechanical Properties of Carbon and Alloy Steels. ASM Metals Handbook. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/49/chapter-abstract/613530/Mechanical-Properties-of-Carbon-and-Alloy-Steels
3. [3]American Institute of Steel Construction. General Content and Format of ASTM Standard Specifications for Steel Products. AISC Engineering FAQ. https://www.aisc.org/aisc/solutions-center/engineering-faqs/10-general-content-and-format-of-astm-standard-specifications-for-steel-products/
4. [4]Specialty Steel Industry of North America. Composition and Properties. SSINA technical resources. https://www.ssina.com/education/technical-resources/composition-properties/
5. [5]Nickel Institute. Properties of Some Metals and Alloys. Nickel Institute technical guide. https://nickelinstitute.org/en/resources/technical-guides/properties-of-some-metals-and-alloys-297/