Risposta dell’acciaio al rinvenimento e indurimento secondario

Cosa cambia nell’acciaio durante il rinvenimento

Definizione al di sotto della temperatura critica inferiore

ASM International definisce il rinvenimento come «il riscaldamento dell’acciaio temprato o normalizzato a una temperatura inferiore alla temperatura critica inferiore» (ASM Handbook Volume 4A, 2024). Questa definizione è più precisa della descrizione comune del rinvenimento come riscaldamento dell’acciaio per renderlo più dolce. Il rinvenimento segue un trattamento di tempra e può anche seguire una normalizzazione. L’acciaio viene nuovamente riscaldato, mantenuto per un tempo prestabilito e raffreddato in condizioni controllate, senza attraversare intenzionalmente la temperatura critica inferiore e formare una nuova struttura austenitica di massa.

La temperatura critica inferiore è comunemente associata all’intervallo della trasformazione eutettoidica, sebbene la sua posizione precisa dipenda dalla composizione e dalle condizioni di riscaldamento. Rimanere al di sotto di essa è importante perché il rinvenimento modifica la struttura prodotta dalla tempra, invece di sostituirla attraverso una completa riaustenitizzazione. Un ciclo di rinvenimento ha quindi una finalità metallurgica diversa da quella della normalizzazione, della ricottura o di una seconda operazione di tempra.

Le principali variabili sono la temperatura di rinvenimento, il tempo di mantenimento, il contenuto di carbonio, il contenuto di elementi di lega e gli elementi residui. Anche la microstruttura iniziale è importante. Lo sono inoltre la temperatura di austenitizzazione, la precedente storia di normalizzazione o di forgiatura, l’intensità della tempra, le dimensioni della sezione e la velocità di riscaldamento. Due componenti realizzati con acciai nominalmente simili possono quindi mostrare risposte diverse quando le loro storie termiche differiscono.

La temperatura generalmente accelera le reazioni più fortemente del tempo considerato da solo, ma il tempo controlla comunque il grado di avanzamento di tali reazioni. Il contenuto di carbonio influisce sulla quantità e sul grado di sovrasaturazione del carbonio intrappolato nella martensite allo stato di tempra. Cromo, molibdeno, vanadio, tungsteno e altri elementi di lega modificano la stabilità dei carburi, le velocità di diffusione e il comportamento della precipitazione. Gli elementi residui possono modificare la cinetica delle trasformazioni e la resistenza al rinvenimento anche quando non sono aggiunte intenzionali. Il rinvenimento è un trattamento dipendente dal percorso termico, non una singola impostazione di durezza.

Dalla martensite allo stato di tempra alla microstruttura rinvenuta

Martensite allo stato tempratoMartensite allo stato temprato Una fase dura e sovrasatura di carbonio, formata dal rapido raffreddamento dell’austenite, con elevata densità di dislocazioni ed energia interna immagazzinata.

La martensite allo stato di tempra è una fase sovrasatura e fortemente deformata. La sua elevata densità di dislocazioni e la sovrasaturazione di carbonio spiegano gran parte della sua durezza, ma immagazzinano anche energia elastica e chimica. Il rinvenimento consente alla struttura di ridurre tale energia attraverso diverse reazioni sovrapposte. Il U.S. Department of Energy descrive la diffusione del carbonio, la formazione di carburi, la decomposizione dell’austenite e il recupero come elementi centrali del processo (2010).

A temperature di rinvenimento relativamente basse, il carbonio percorre brevi distanze e può segregarsi in corrispondenza dei difetti o formare carburi di transizione. Le tensioni interne diminuiscono e la tetragonalità della martensite si riduce man mano che il carbonio abbandona il reticolo martensitico. L’acciaio può perdere parte della propria durezza, guadagnando al contempo stabilità dimensionale e resistenza alla fessurazione ritardata. Anche l’austenite residua, se presente, può decomporsi durante le fasi successive del rinvenimento, producendo nuovi prodotti di trasformazione che influenzano sia le dimensioni sia le proprietà meccaniche.

Con l’aumento della temperatura o del tempo di mantenimento, le particelle di carburo si ingrossano o si trasformano in composti più stabili, mentre la matrice ferritica subisce un recupero e perde parte del proprio incrudimento dovuto alle dislocazioni. Questi cambiamenti riducono comunemente la durezza e il carico di snervamento, ma aumentano tenacità e duttilità. Il risultato è la martensite rinvenuta: una matrice ferritica contenente una distribuzione di particelle di carburo, determinata dalla composizione e dalla storia del trattamento, non soltanto dalla temperatura.

Gli acciai per utensili altolegati possono sviluppare un indurimento secondario durante il rinvenimento attraverso la precipitazione fine di carburi di lega. Strong evidence

Indurimento secondarioIndurimento secondario Aumento della durezza durante il rinvenimento causato dalla precipitazione di carburi fini di lega dopo precedenti reazioni di rammollimento.

Gli acciai per utensili altolegati costituiscono un’importante eccezione al semplice rammollimento. ASM International afferma che l’indurimento secondario è prodotto dalla precipitazione di carburi fini di lega, compresi i carburi associati a molibdeno, vanadio e tungsteno (2024). Durante il rinvenimento, queste particelle possono rafforzare la matrice in misura sufficiente a produrre un aumento della durezza dopo una precedente diminuzione. L’effetto è detto indurimento secondario e una precipitazione più intensa produce generalmente una maggiore resistenza al rinvenimento.

Nel 1930, il National Institute of Standards and Technology riferì che «l’intensità del picco di indurimento secondario aumenta con il grado di austenitizzazione». Questa osservazione collega il picco non soltanto alla temperatura di rinvenimento, ma anche al precedente ciclo di tempra. Un grado più elevato di austenitizzazione può dissolvere una quantità maggiore di elementi di lega e di carbonio nell’austenite prima della tempra, modificando la composizione disponibile per la successiva precipitazione. Lo stesso ciclo nominale di rinvenimento può quindi produrre curve di durezza diverse dopo trattamenti di austenitizzazione differenti.

L’acciaio per utensili H13 illustra perché è necessario includere la storia del riscaldamento. Uno studio sottoposto a revisione paritaria ha documentato un metodo per prevedere la risposta al rinvenimento dell’H13 in condizioni di riscaldamento isotermo, lento e rapido, compreso il comportamento di indurimento secondario (University of Arizona publication record, 2013). Un componente riscaldato continuamente attraverso un intervallo di precipitazione non subisce necessariamente le stesse reazioni di uno mantenuto isotermicamente a quella temperatura. La risposta calcolata in termini di durezza può differire anche quando la temperatura nominale finale è identica.

Nel 1945, J. H. Hollomon e L. D. Jaffe affrontarono il problema tempo-temperatura formulando una relazione tra tempo di rinvenimento, temperatura e composizione per l’acciaio temprato. L’espressione di Hollomon-Jaffe è comunemente scritta come:

T(log t + c)

Qui, T è la temperatura assoluta, t è il tempo di rinvenimento e c è una costante dipendente dalla composizione e dalle condizioni. L’espressione fornisce un parametro di rinvenimento per confrontare le esposizioni e quantificare il grado di rinvenimento della martensite. È utile perché consente di combinare temperatura e tempo in un unico indice, ma un parametro equivalente non elimina le differenze nella velocità di riscaldamento, nella microstruttura precedente, nell’austenitizzazione, nelle dimensioni della sezione o nella risposta della lega.

ASM Handbook Volume 4C osserva che le correlazioni di Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman possono rappresentare condizioni tempo-temperatura equivalenti nella valutazione degli acciai temprati per induzione (ASM International, 2024). Tale concordanza riguarda la correlazione e non dimostra che ogni percorso termico produca la stessa microstruttura. La distinzione è importante nei componenti temprati superficialmente, nei quali un forte gradiente di temperatura e la variazione della temperatura nella sezione possono rendere non uniforme la storia effettiva del rinvenimento.

Perché la durezza non è l’unica variabile di risposta

La durezza è comoda da misurare, ma rappresenta soltanto uno degli effetti del rinvenimento. La resistenza può diminuire quando si riducono la deformazione martensitica e la densità di dislocazioni, per poi aumentare localmente quando precipitano carburi fini di lega. La tenacità può migliorare perché le tensioni interne vengono rilassate; tuttavia, la decomposizione dell’austenite residua, la morfologia dei carburi o gli intervalli di temperatura che favoriscono l’infragilimento possono ridurre la tenacità in determinati acciai. La stabilità dimensionale può migliorare grazie alla distensione, mentre la trasformazione dell’austenite residua può causare un’espansione misurabile.

La microstruttura fornisce la spiegazione di queste tendenze concorrenti. La diffusione del carbonio, il recupero, la precipitazione dei carburi, la decomposizione dell’austenite residua e l’ingrossamento delle particelle possono verificarsi in sequenza o sovrapporsi. La struttura finale controlla il comportamento a fatica, la resistenza all’usura, la resistenza alla frattura e la resistenza a ulteriori esposizioni termiche, non soltanto il valore di indentazione ottenuto in una prova di durezza.

Uno studio del 2013 sugli acciai per stampi di forgiatura a caldo e a tiepido ha utilizzato il parametro di rinvenimento — detto anche parametro di Hollomon-Jaffe o di Larson-Miller — per correlare l’esposizione tempo-temperatura con la variazione della durezza. Tali correlazioni sono pratiche per descrivere un determinato grado di acciaio e uno specifico intervallo di trattamento. Non sono leggi universali della durezza. Il grado di acciaio, la condizione iniziale e la storia del trattamento rimangono determinanti; per questo il rinvenimento dovrebbe essere specificato come un percorso termico e una microstruttura risultante, non semplicemente come «rammollimento».

Le variabili che controllano la risposta al rinvenimento

Il rinvenimento non è definito soltanto dal valore impostato sul forno. ASM International afferma nell’ASM Handbook Volume 4A (2024): «Il rinvenimento consiste nel riscaldamento dell’acciaio temprato o normalizzato a una temperatura inferiore alla temperatura critica inferiore». Questa definizione identifica un percorso di trasformazione, non una singola operazione. La temperatura, il tempo, il tenore di carbonio, il contenuto di elementi di lega e gli elementi residui influenzano tutti la microstruttura e le proprietà risultanti. Sono inoltre importanti la velocità di riscaldamento, la temperatura effettivamente raggiunta dall’acciaio, il precedente trattamento di austenitizzazione e la tempra.

Temperatura e durata

Durante il rinvenimento, il carbonio diffonde dalla martensite sovrasatura, i carburi si formano o modificano la propria composizione, l’austenite residua può decomporsi e la struttura martensitica è soggetta a ricupero. Il U.S. Department of Energy descrive il processo attraverso queste reazioni interconnesse di diffusione, precipitazione, decomposizione e ricupero, anziché come un semplice rammollimento indotto dal calore. A temperature relativamente basse, la segregazione del carbonio e la precipitazione di carburi di transizione possono ridurre le tensioni interne mantenendo al contempo una durezza considerevole. All’aumentare della temperatura o del tempo di mantenimento, l’ingrossamento dei carburi, il ricupero della ferrite e le ulteriori trasformazioni riducono generalmente la durezza e la resistenza.

La parola «generalmente» è importante. Negli acciai per utensili altolegati, la durezza può aumentare dopo una diminuzione iniziale. Nel 2024, ASM International ha riferito che l’indurimento secondario è prodotto dalla precipitazione di carburi fini di lega, compresi quelli associati a molibdeno, vanadio e tungsteno. Un acciaio deve contenere inizialmente una quantità sufficiente di elementi di lega e carbonio disciolti, e il precedente trattamento di austenitizzazione deve porre tali elementi in una condizione che consenta la precipitazione. Una precipitazione più intensa produce una maggiore resistenza al rinvenimento, ma il picco e la sua entità dipendono dal grado e dalla storia del materiale; non esiste una temperatura universale di indurimento secondario.

La durata modifica il risultato anche quando la temperatura nominale è identica. Un’esposizione breve può produrre una precipitazione o un ricupero incompleti, mentre un mantenimento più lungo consente alle reazioni controllate dalla diffusione di progredire ulteriormente. I rinvenimenti ripetuti aggiungono un ulteriore elemento alla storia termica: il primo passaggio può trasformare l’austenite residua o modificare la popolazione dei siti di nucleazione, per cui il secondo passaggio non agisce sulla martensite originaria.

La temperatura del forno non coincide necessariamente con quella del pezzo. Un piccolo provino può avvicinarsi rapidamente al valore impostato, mentre una matrice, un albero o una piastra di grandi dimensioni sviluppano gradienti termici attraverso la propria sezione. Un ciclo di riscaldamento rapido può esporre la superficie alla temperatura nominale di rinvenimento prima che il cuore l’abbia raggiunta. Al contrario, una rampa lenta permette alle reazioni di iniziare progressivamente a ogni temperatura intermedia. Pertanto, «540 °C per due ore» è un’indicazione incompleta se il programma non specifica come è stato riscaldato il pezzo, quando è iniziato il tempo di mantenimento e se la temperatura indicata è stata misurata nel forno o sull’acciaio.

J. H. Hollomon e L. D. Jaffe affrontarono questo problema nel loro articolo del 1945 pubblicato su Metals Technology, mettendo in relazione il tempo e la temperatura di rinvenimento, nonché la composizione, con la struttura e le proprietà dell’acciaio temprato. L’espressione di Hollomon-Jaffe è comunemente scritta come:

$$P=T(\log t+c)$$

dove $T$ è la temperatura assoluta, $t$ è il tempo e $c$ è una costante dipendente dalla composizione e dal materiale. Il U.S. Department of Energy descrive questo parametro come un modo per quantificare il grado di rinvenimento della martensite. È utile per confrontare diverse esposizioni, ma un parametro equivalente non annulla le differenze nella velocità di riscaldamento, nella microstruttura iniziale, nell’austenitizzazione, nelle dimensioni della sezione o nella risposta della lega. Due cicli possono avere lo stesso valore calcolato di $P$ e produrre comunque profili di durezza diversi.

Carbonio, elementi di lega ed elementi residui

Il carbonio controlla la quantità e la sovrasaturazione della martensite formata durante la tempra; pertanto, il tenore nominale di carbonio influisce fortemente sulla durezza iniziale e sulla quantità di carbonio disponibile per le reazioni di rinvenimento. Una maggiore quantità di carbonio può favorire la formazione di martensite più dura e di una maggiore quantità di carburi potenzialmente formabili, sebbene la risposta finale dipenda anche dalla stabilità dell’austenite e dal carbonio disciolto prima della tempra. Il carbonio legato in carburi non disciolti non è equivalente al carbonio disciolto nell’austenite.

Cromo, molibdeno, vanadio e tungsteno modificano la stabilità dei carburi, la diffusione e la cinetica di precipitazione. Il cromo può aumentare la temprabilità e contribuire alla formazione di carburi stabili; molibdeno, vanadio e tungsteno possono favorire la precipitazione di carburi fini di lega durante l’indurimento secondario. Questi elementi possono ritardare il rammollimento alle temperature di rinvenimento elevate, ma il loro effetto dipende dalla dissoluzione durante l’austenitizzazione e dalle dimensioni e dalla distribuzione dei carburi già presenti. Un’austenitizzazione eccessiva può dissolvere una quantità maggiore di carburi e arricchire l’austenite, mentre un’austenitizzazione insufficiente può lasciare gli elementi di lega indisponibili per la precipitazione successiva.

Nell’acciaio rapido studiato da NIST, l’intensità del picco di indurimento secondario aumentava con il grado di austenitizzazione. Strong evidence

Lo studio del NIST sull’acciaio rapido, pubblicato nel 1930, affermava che «l’intensità del picco di indurimento secondario aumenta con il grado di austenitizzazione». Questo risultato mette direttamente in guardia dall’attribuire un’unica curva di rinvenimento fissa a un grado nominale. Un’austenitizzazione più intensa può modificare il tenore di carbonio e di elementi di lega in soluzione, la quantità di austenite residua, la composizione della martensite e il potenziale di precipitazione. Può inoltre ingrossare i grani di austenite preesistente, influenzando il comportamento di trasformazione e la tenacità.

Gli elementi residui e la storia produttiva aggiungono variabili meno rilevanti, ma talvolta importanti. Silicio, manganese, nichel, rame, fosforo, zolfo, azoto, ossigeno e aggiunte in tracce possono influenzare le reazioni dei carburi, l’austenite residua, la segregazione e l’infragilimento da rinvenimento. Le tensioni residue e la deformazione precedente modificano i siti di nucleazione e le velocità di ricupero. Due provini certificati come appartenenti allo stesso grado nominale possono quindi differire perché appartengono a colate diverse, presentano distribuzioni dei carburi differenti o sono stati sottoposti a riduzioni di forgiatura diverse, anche prima dell’inizio del trattamento termico.

Un acciaio per utensili altolegato illustra chiaramente il punto. Il rinvenimento ordinario rammollisce la martensite non rinvenuta quando il carbonio abbandona i siti sovrasaturi e procede il ricupero. L’indurimento secondario inverte la tendenza della durezza in una parte del ciclo, poiché i carburi fini di lega forniscono un rafforzamento per precipitazione e ostacolano il ricupero. Il picco successivo non dimostra che il rinvenimento si sia arrestato; dimostra che le reazioni concorrenti hanno modificato quale di esse controlla la durezza.

Condizione iniziale, severità della tempra e dimensioni della sezione

La struttura temprata costituisce la condizione iniziale per il rinvenimento. La dimensione dei grani di austenite, il carbonio disciolto, i carburi non disciolti, l’austenite residua, la morfologia della martensite e le tensioni di tempra influenzano tutti la risposta successiva. Un provino temprato abbastanza rapidamente da formare prevalentemente martensite non subirà il rinvenimento come un provino contenente bainite o perlite. Né il cuore di una sezione spessa corrisponderà necessariamente alla superficie.

La severità della tempra determina la velocità di raffreddamento e, di conseguenza, i prodotti di trasformazione. La tempra in acqua, polimero, olio e gas produce storie di raffreddamento diverse; inoltre, anche lo stesso mezzo di tempra può dare risultati differenti al variare dell’agitazione, della temperatura e del carico. Una sezione di grandi dimensioni si raffredda lentamente nel cuore, consentendo la formazione di bainite, perlite o austenite residua laddove un piccolo provino forma martensite. Durante il rinvenimento, tali regioni subiscono quindi reazioni diverse e possono raggiungere valori di durezza differenti.

Le dimensioni della sezione modificano inoltre il ritardo nel raggiungimento della temperatura sia durante l’austenitizzazione sia durante il rinvenimento. La superficie può superare la temperatura obiettivo mentre il cuore è ancora in fase di riscaldamento, creando un gradiente radiale di rinvenimento. Se il controllore avvia il mantenimento quando il forno raggiunge il valore impostato, il cuore rimane alla temperatura prevista per un tempo inferiore a quello implicato dal programma. Se una termocoppia è collocata sulla superficie, la storia registrata può sovrastimare l’esposizione dell’interno.

L’acciaio per utensili H13 può mostrare risposte di durezza previste differenti in condizioni di rinvenimento isotermo, a riscaldamento lento e a riscaldamento rapido, compreso il comportamento di indurimento secondario. Limited evidence

Uno studio sottoposto a revisione paritaria del 2013 sull’acciaio per utensili H13 ha modellato cicli di rinvenimento isotermico, a riscaldamento lento e a riscaldamento rapido, prevedendo risposte di durezza differenti, compreso il comportamento di indurimento secondario. Questo risultato sostiene l’idea di trattare il rinvenimento come una storia termica continua. Anche l’ASM Handbook Volume 4C (2024) confronta le correlazioni di Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman per gli acciai temprati a induzione, come metodi per rappresentare condizioni equivalenti di tempo e temperatura, non come sostituti della misurazione del processo effettivo.

Uno studio del 2013 pubblicato sul Journal of Materials Processing Technology sugli acciai per matrici di forgiatura a caldo e tiepido ha utilizzato il parametro di rinvenimento, detto anche parametro di Hollomon-Jaffe o di Larson-Miller, per correlare l’esposizione tempo-temperatura alla variazione di durezza. Tali correlazioni sono utili per confrontare i processi, ma rimangono descrizioni empiriche di uno specifico acciaio e di una specifica condizione iniziale. La stessa indicazione nominale della temperatura può descrivere trattamenti metallurgici diversi quando cambiano la velocità di riscaldamento, le dimensioni della sezione, l’austenitizzazione, la tempra o il precedente rinvenimento.

Meccanismi del rinvenimento: diffusione, decomposizione e recupero

ASM International definisce il rinvenimento come «il riscaldamento dell’acciaio temprato o normalizzato a una temperatura inferiore alla temperatura critica inferiore» (ASM Handbook Volume 4A, 2024). Questa definizione individua l’intervallo del trattamento, non una singola reazione. La microstruttura e le proprietà risultanti dipendono dalla temperatura e dal tempo di rinvenimento, dal tenore di carbonio, dal contenuto di elementi di lega, dagli elementi residui, dall’austenitizzazione precedente, dalle condizioni di tempra e dalla storia termica. Un acciaio temprato può quindi rammollirsi, conservare gran parte della propria durezza oppure sviluppare un successivo aumento della durezza mentre la sua matrice martensitica sovrasatura si modifica.

Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti descrive il rinvenimento come una sequenza che comprende la diffusione del carbonio, la formazione di carburi, la decomposizione dell’austenite residua e il recupero. Questi eventi si sovrappongono, anziché verificarsi in quattro fasi perfettamente separate. La loro velocità e la loro importanza relativa variano in funzione della composizione e del percorso termico. Le espressioni «rinvenimento a bassa temperatura», «rinvenimento a media temperatura» e «rinvenimento ad alta temperatura» sono descrizioni utili del processo, ma non identificano un insieme universale di reazioni. Un acciaio per utensili altolegato e un acciaio martensitico al carbonio semplice possono reagire in modo molto diverso alla stessa temperatura nominale.

Diffusione del carbonio e rinvenimento nelle fasi iniziali

La martensite appena formata è una fase sovrasatura e fortemente deformata. Il carbonio occupa siti interstiziali che non sono in equilibrio con il reticolo martensitico tetragonale a corpo centrato, mentre la tempra ha generato un’elevata densità di dislocazioni e tensioni residue significative. Durante la prima parte del rinvenimento, il carbonio percorre brevi distanze verso siti più favorevoli: dislocazioni, bordi dei listelli, regioni autorinvenute e particelle nascenti di carburo di ferro. Questa ridistribuzione riduce la tetragonalità del reticolo e abbassa le tensioni elastiche e di distorsione associate alla condizione post-tempra.

La reazione iniziale non consiste semplicemente nella «rimozione della durezza». La segregazione del carbonio può stabilizzare configurazioni locali prima che si sviluppi una popolazione riconoscibile di carburi, e l’entità del sollievo delle tensioni dipende dalla temperatura, dal tempo e dalla velocità di riscaldamento. Un componente riscaldato lentamente inizia a modificarsi mentre il nucleo e la superficie si trovano ancora a temperature diverse. Un componente riscaldato rapidamente può attraversare lo stesso intervallo di temperatura nominale prima che la diffusione abbia prodotto la medesima distribuzione del carbonio. Per la stessa ragione, anche le dimensioni della sezione sono importanti.

Nelle martensiti al carbonio semplice e bassolegate, prima che si sviluppi la cementite possono formarsi carburi di transizione. La sequenza esatta dipende dal tenore di carbonio, dalle aggiunte di lega e dalla morfologia iniziale della martensite. Alcune martensiti a basso tenore di carbonio contengono una quantità inferiore di carbonio sovrasaturo e possono mostrare una reazione iniziale più debole; le martensiti a più alto tenore di carbonio possono presentare una tetragonalità maggiore e un sollievo iniziale delle tensioni più marcato. Queste differenze spiegano perché un’indicazione di temperatura non possa sostituire una descrizione basata sui meccanismi.

Il metodo di Hollomon-Jaffe, formulato da J. H. Hollomon e L. D. Jaffe nel 1945, mette in relazione il tempo di rinvenimento, la temperatura e la composizione con la struttura e le proprietà sviluppate nell’acciaio temprato. La sua forma consueta, $T(\log t+c)$, viene utilizzata per quantificare il grado di rinvenimento della martensite, con $T$ come temperatura assoluta, $t$ come tempo e $c$ come costante correlata alla composizione. È uno strumento utile per i confronti, non una cancellazione della storia metallurgica. Parametri uguali non garantiscono risultati uguali quando differiscono la velocità di riscaldamento, la microstruttura precedente, l’austenitizzazione, le dimensioni della sezione o la risposta della lega.

Formazione e crescita dei carburi

Quando il carbonio abbandona la martensite sovrasatura, la precipitazione dei carburi diventa una componente centrale della risposta al rinvenimento. In molti acciai, i prodotti evolvono da carburi di transizione fini verso una cementite più stabile, mentre gli elementi di lega possono ritardare, modificare o sostituire questa sequenza. La nucleazione dei carburi consuma carbonio e modifica la composizione della matrice; la crescita e l’ingrossamento riducono gli ostacoli disponibili al movimento delle dislocazioni. Il normale rammollimento da rinvenimento si verifica generalmente quando la matrice perde la propria sovrasaturazione e i precipitati diventano più grandi o più distanziati.

Gli acciai per utensili altolegati possono invertire questa tendenza. ASM International afferma che «l’indurimento secondario negli acciai per utensili altolegati è prodotto dalla precipitazione di carburi fini di lega», compresi i carburi associati a molibdeno, vanadio e tungsteno (2024). Carburi fini di lega, coerenti o semicoerenti rispetto alla matrice, possono ostacolare il movimento delle dislocazioni più efficacemente della cementite grossolana, producendo un aumento della durezza durante una fase successiva del rinvenimento. Una precipitazione più intensa conferisce generalmente una maggiore resistenza al rinvenimento, sebbene il risultato dipenda dalla quantità di lega in soluzione, dal ciclo di rinvenimento e dalla stabilità della matrice.

L’austenitizzazione controlla questa risposta perché determina quali carburi si dissolvono e quanto elemento di lega e carbonio entrano nell’austenite prima della tempra. Uno studio del 1930 del National Institute of Standards and Technology sugli acciai superrapidi riportava che «l’intensità del picco di indurimento secondario aumenta con il grado di austenitizzazione». Tale osservazione non stabilisce una singola temperatura di picco o una singola durezza per ogni acciaio superrapido. Dimostra che lo stato iniziale controlla il potenziale di precipitazione.

Lo studio sottoposto a revisione paritaria del 2013 sull’acciaio per utensili H13 è utile per la stessa ragione. Il suo metodo prevede la durezza dopo cicli di rinvenimento isotermico, a riscaldamento lento e a riscaldamento rapido, compreso il comportamento di indurimento secondario. Questi cicli possono produrre risposte di durezza previste diverse, anche quando i rispettivi intervalli nominali di esposizione si sovrappongono. Durante il riscaldamento continuo, precipitazione e recupero procedono mentre la temperatura aumenta; un trattamento isotermico concede alle reazioni più tempo a una determinata temperatura. Considerare equivalenti i due cicli solo perché condividono un parametro di rinvenimento calcolato può occultare tali differenze.

Decomposizione dell’austenite residua e recupero della matrice

La tempra può lasciare austenite residua, soprattutto quando le aggiunte di lega abbassano le temperature di trasformazione o quando la condizione di austenitizzazione dissolve quantità significative di carbonio e di elementi di lega. Durante il rinvenimento, l’austenite residua può espellere carbonio, trasformarsi in prodotti ferritici e carburi oppure diventare meno stabile prima di trasformarsi durante il raffreddamento. La sua decomposizione può modificare la stabilità dimensionale, la durezza e le tensioni residue. La tempistica dipende dal tipo di acciaio e l’austenite residua non segue lo stesso percorso in ogni acciaio.

Il recupero della matrice avviene parallelamente a queste reazioni. Le dislocazioni si riordinano o si annichilano, le tensioni nei listelli e nelle placchette diminuiscono e i campi di deformazione locali diventano meno intensi. Il recupero riduce generalmente la resistenza e la durezza, ma la precipitazione può compensare o superare tale perdita negli acciai soggetti a indurimento secondario. La proprietà finale è quindi il risultato dell’equilibrio tra rammollimento della matrice, sollievo delle tensioni, trasformazione dell’austenite residua, precipitazione dei carburi e ingrossamento dei carburi.

ASM Handbook Volume 4C confronta le correlazioni di Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman come rappresentazioni di condizioni equivalenti tempo-temperatura per la valutazione degli acciai induriti per induzione. Tali correlazioni sono metodi pratici per organizzare i dati, non la prova che due storie termiche producano microstrutture identiche. Analogamente, uno studio del 2013 su un acciaio per stampi da forgiatura a caldo o tiepida, pubblicato nel Journal of Materials Processing Technology, ha utilizzato il parametro di rinvenimento — chiamato anche parametro di Hollomon-Jaffe o di Larson-Miller — per correlare l’esposizione tempo-temperatura con la variazione della durezza. Questi strumenti descrivono le tendenze all’interno di un materiale e di un intervallo di trattamento definiti. Non forniscono valori universali di durezza né variazioni garantite delle proprietà, perché il tipo di acciaio, la condizione iniziale, l’austenitizzazione, il percorso di riscaldamento e la storia di raffreddamento restano parte del meccanismo di rinvenimento.

Indurimento secondario negli Acciai per Utensili ad Alto Contenuto di Leganti

Perché la durezza può aumentare durante il rinvenimento

Il rinvenimento non è definito semplicemente come un rammollimento. ASM International afferma in ASM Handbook Volume 4A (2024): «Il rinvenimento consiste nel riscaldamento dell’Acciaio temprato o normalizzato a una temperatura inferiore alla temperatura critica inferiore». La struttura e le proprietà risultanti dipendono dalla temperatura e dal tempo di rinvenimento, dal contenuto di carbonio, dal contenuto di elementi di lega, dagli elementi residui e dalla condizione prodotta dalla tempra o dalla normalizzazione. Queste variabili determinano quali reazioni si verificano e fino a che punto procedono.

Negli Acciai al carbonio e in molti Acciai basso-legati, il risultato usuale è una diminuzione della durezza. La martensite temprata contiene carbonio in sovrasaturazione, un’elevata densità di dislocazioni e notevoli tensioni interne. Durante il rinvenimento, il carbonio diffonde dalla martensite, si formano carburi di transizione o cementite, l’austenite residua può decomporsi e la struttura martensitica va incontro a recupero. La trattazione del rinvenimento pubblicata dal U.S. Department of Energy nel 2010 descrive questi processi interconnessi come diffusione del carbonio, formazione di carburi, decomposizione dell’austenite e recupero. Ciascuno di essi riduce in genere l’energia di deformazione immagazzinata e la resistenza alla deformazione plastica.

Gli Acciai per utensili ad alto contenuto di leganti possono seguire un percorso diverso. Con l’aumento della temperatura, gli elementi di lega rimasti disciolti durante la tempra possono diffondere su brevi distanze e formare una popolazione densa di carburi di lega estremamente piccoli. Queste particelle ostacolano il movimento delle dislocazioni. Se il loro effetto di rinforzo supera l’ammorbidimento causato dal recupero della martensite, la durezza misurata aumenta durante il rinvenimento. Questo fenomeno è detto indurimento secondario.

ASM International spiega che «l’indurimento secondario negli Acciai per utensili ad alto contenuto di leganti è prodotto dalla precipitazione di carburi di lega fini», compresi i carburi associati a molibdeno, vanadio e tungsteno. La parola fini è importante. Una popolazione di carburi grossolani non rinforza la matrice con la stessa efficacia, perché le particelle sono più distanti tra loro e offrono una minore resistenza alle dislocazioni in movimento. Precipitati molto piccoli, distribuiti nella martensite rinvenuta, generano un rinforzo per precipitazione mentre la matrice è ancora soggetta a recupero.

La risposta è quindi il risultato della competizione tra ammorbidimento e rinforzo. Il rinvenimento iniziale può ridurre la durezza quando il carbonio lascia la martensite. A una temperatura più elevata, la precipitazione di carburi di lega può invertire questa tendenza. A esposizioni ancora più elevate, i precipitati si ingrossano, la matrice perde una quota maggiore della propria resistenza martensitica e la durezza diminuisce nuovamente. Non tutti i gradi mostrano un aumento marcato e una curva di durezza può contenere reazioni sovrapposte, anziché un unico picco ben definito.

Carburi associati a molibdeno, vanadio e tungsteno

Molibdeno, vanadio e tungsteno sono fondamentali per l’indurimento secondario, poiché presentano una forte tendenza a formare carburi e, durante trattamenti di rinvenimento appropriati, diffondono dalla matrice dell’Acciaio verso i precipitati. Le fasi esatte dipendono dalla composizione e dalla storia termica. I carburi possono essere descritti mediante designazioni relative alla struttura cristallina o alla composizione, come MC, M₂C, M₆C o M₂₃C₆, dove M rappresenta uno o più elementi metallici; tali sigle non significano che ogni Acciaio formi tutte le fasi elencate.

Il vanadio contribuisce comunemente alla formazione di carburi MC molto stabili e ricchi di vanadio. La loro resistenza alla dissoluzione consente loro di rimanere efficaci a temperature che farebbero ingrossare o dissolvere particelle meno stabili. Il molibdeno può partecipare alla precipitazione fine di tipo M₂C e a popolazioni miste di carburi di lega. Il tungsteno può entrare nei carburi di tipo M₆C o in altri carburi misti, a seconda dell’Acciaio e del ciclo di rinvenimento. Negli Acciai rapidi, nei quali tungsteno, molibdeno, vanadio, cromo e carbonio sono combinati a livelli considerevoli, diverse famiglie di carburi possono formarsi in sequenza o simultaneamente.

La composizione chimica della matrice prima del rinvenimento è determinante. L’austenitizzazione dissolve alcuni carburi e arricchisce l’austenite di carbonio ed elementi di lega, mentre i carburi non dissolti trattengono altri elementi al di fuori della matrice. La tempra produce quindi martensite e, spesso, austenite residua. Una temperatura di austenitizzazione più elevata o un mantenimento più prolungato possono dissolvere una quantità maggiore di carburi, sebbene un’austenitizzazione eccessiva possa causare ingrossamento dei grani e altri danni. Il contenuto di elementi di lega disciolti disponibile per la successiva precipitazione può pertanto modificare la risposta all’indurimento secondario.

Uno studio del National Institute of Standards and Technology sugli Acciai rapidi, pubblicato nel 1930, riportava che «l’intensità del picco di indurimento secondario aumenta con il grado di austenitizzazione». Questa osservazione non deve essere trasformata in una temperatura o in un incremento di durezza universali. Una maggiore austenitizzazione può aumentare la quantità di elementi di lega disponibile per la precipitazione, ma modifica anche la dimensione dei grani, l’austenite residua, l’attività del carbonio e la quantità di carburi non dissolti. La curva finale riflette tutti questi cambiamenti.

Resistenza al rinvenimento e picco di indurimento secondario

La resistenza al rinvenimento consiste nel mantenimento della durezza, della resistenza o della stabilità dimensionale durante una determinata esposizione termica. La precipitazione fine di carburi di lega aumenta la resistenza al rinvenimento, perché i precipitati ostacolano il movimento delle dislocazioni e ritardano la perdita di resistenza martensitica. Un Acciaio con un forte indurimento secondario può mostrare un modesto ammorbidimento in un intervallo di temperatura nel quale un Acciaio al carbonio perderebbe rapidamente durezza. Ciò non significa che sia immune al rinvenimento; un’esposizione prolungata consente alla fine il recupero, l’ingrossamento dei carburi, la trasformazione dell’austenite residua e altre reazioni di ammorbidimento.

La posizione e l’entità del picco dipendono dal grado e dalla storia termica. Non possono essere indicate responsabilmente come valori fissi senza specificare l’Acciaio, la durezza iniziale, il trattamento di austenitizzazione, la tempra, il tempo di rinvenimento, la velocità di riscaldamento, il metodo di raffreddamento e la prova di durezza. Per esempio, AISI H13 può mostrare una risposta diversa da quella di un Acciaio rapido ricco di tungsteno, perché il bilanciamento degli elementi di lega e la popolazione di carburi sono differenti. Anche due provini di H13 possono produrre curve diverse dopo trattamenti differenti di austenitizzazione o di tempra.

Il metodo di J. H. Hollomon e L. D. Jaffe del 1945 mette in relazione il tempo di rinvenimento, la temperatura e la composizione con la struttura e le proprietà sviluppate nell’Acciaio temprato. La sua forma più nota è il parametro di rinvenimento:

$$P=T(\log t+c)$$

Qui, T è la temperatura assoluta, t è il tempo e c è una costante dipendente dalla composizione e dalla risposta. Il U.S. Department of Energy descrive questa espressione come una quantificazione del grado di rinvenimento della martensite. È utile per confrontare le esposizioni e adattare i dati di durezza, ma un parametro uguale non annulla le differenze nella velocità di riscaldamento, nella microstruttura precedente, nell’austenitizzazione, nelle dimensioni della sezione o nella risposta della lega.

Questa limitazione è particolarmente importante per i processi non isotermi. Lo studio sottoposto a revisione paritaria del 2013 sull’Acciaio per utensili H13 ha esaminato cicli di rinvenimento isotermi, a riscaldamento lento e a riscaldamento rapido, sviluppando un metodo in grado di prevedere risposte diverse della durezza, compreso il comportamento di indurimento secondario. Una sezione riscaldata rapidamente può attraversare gli intervalli di precipitazione prima che la diffusione e la crescita dei carburi corrispondano a un’ipotesi isotermica. I gradienti di temperatura fanno inoltre sì che la superficie e il cuore seguano percorsi termici differenti.

ASM Handbook Volume 4C (2024) confronta le correlazioni di Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman per gli Acciai induriti per induzione, trattandole come metodi per rappresentare condizioni equivalenti di tempo e temperatura ai fini della valutazione della risposta al rinvenimento. «Equivalente» significa equivalente entro i limiti della correlazione e dell’intervallo di materiali esaminati, non identico nella storia microstrutturale.

Uno studio del 2013 pubblicato sul Journal of Materials Processing Technology sugli Acciai per stampi di forgiatura a caldo e a tiepido ha analogamente utilizzato il parametro di rinvenimento — detto anche parametro di Hollomon-Jaffe o di Larson-Miller — per correlare l’esposizione tempo-temperatura alla variazione di durezza. Tali correlazioni sono strumenti di processo preziosi, ma descrivono il comportamento misurato per Acciai e trattamenti specifici. Non stabiliscono un picco universale di indurimento secondario. Negli Acciai per utensili ad alto contenuto di leganti, il rinvenimento rimane una sequenza di reazioni concorrenti di diffusione, precipitazione, trasformazione e recupero.

L’austenitizzazione come fattore determinante dell’indurimento secondario

L’austenitizzazione non è semplicemente una fase preliminare di riscaldamento prima della tempra. Essa stabilisce la condizione chimica e strutturale a partire dalla quale si forma la martensite, e tale condizione determina la risposta dell’acciaio durante il rinvenimento. L’ASM Handbook Volume 4A definisce il rinvenimento come “il riscaldamento dell’acciaio temprato o normalizzato a una temperatura inferiore alla temperatura critica inferiore”. La microstruttura risultante dipende dalla temperatura e dal tempo di rinvenimento, dal tenore di carbonio, dal contenuto di elementi di lega e dagli elementi residui. Queste variabili agiscono su una condizione preesistente stabilita dall’austenitizzazione, dalla dissoluzione, dalla crescita dei grani e dalla tempra.

Dissoluzione degli elementi di lega prima della tempra

Durante l’austenitizzazione, alcuni carburi si dissolvono nell’austenite mentre altri rimangono non disciolti. La temperatura, il tempo di mantenimento, la velocità di riscaldamento e la popolazione iniziale di carburi determinano l’equilibrio tra queste frazioni. Il carbonio e gli elementi di lega sostituzionali, quali cromo, molibdeno, tungsteno e vanadio, non entrano in soluzione a velocità identiche; pertanto, l’austenite può uscire dal forno con contenuti di soluto molto diversi anche quando due trattamenti utilizzano lo stesso grado nominale di acciaio.

Il materiale disciolto è importante dopo la tempra. Una maggiore quantità di carbonio ed elementi di lega nell’austenite può produrre una matrice martensitica più sovrasatura. Durante il rinvenimento, la diffusione del carbonio, la formazione di carburi, la decomposizione dell’austenite trattenuta e il recupero riducono progressivamente l’energia immagazzinata e l’instabilità chimica di tale struttura. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti descrive questi processi come componenti centrali del rinvenimento, ma essi non procedono alla stessa velocità in ogni acciaio né a partire da ogni condizione di austenitizzazione.

Gli acciai per utensili altolegati introducono un ulteriore meccanismo: l’indurimento secondario. ASM International afferma nella sua descrizione del 2024 che “l’indurimento secondario negli acciai per utensili altolegati è prodotto dalla precipitazione di carburi fini di lega”, compresi i carburi associati a molibdeno, vanadio e tungsteno. Se la matrice temprata contiene una quantità sufficiente di elementi di lega disciolti, il rinvenimento può produrre una densa dispersione di carburi fini e resistenti. La loro precipitazione può compensare, o temporaneamente superare, l’addolcimento causato dal rinvenimento della martensite. Per questo motivo, la durezza non deve necessariamente diminuire in modo monotono all’aumentare della temperatura di rinvenimento.

L’austenitizzazione controlla anche ciò che rimane al di fuori della matrice. I carburi primari non disciolti possono limitare la crescita dei grani di austenite e trattenere elementi di lega che altrimenti contribuirebbero alla precipitazione secondaria. L’austenite trattenuta può aumentare quando l’austenite contiene quantità maggiori di carbonio ed elementi di lega disciolti, poiché la sua temperatura di inizio della trasformazione in martensite si abbassa. Durante il successivo rinvenimento, tale austenite trattenuta può decomporsi o trasformarsi, aggiungendo una variazione separata della durezza alle reazioni di precipitazione e recupero.

Risultati del NIST negli acciai rapidi

Un articolo del National Institute of Standards and Technology pubblicato nel 1930 fornisce un collegamento diretto tra l’austenitizzazione e l’indurimento secondario negli acciai rapidi. Il risultato dichiarato è che “l’intensità del picco di indurimento secondario aumenta con il grado di austenitizzazione”. In questo contesto, il grado di austenitizzazione si riferisce a quanto il trattamento di riscaldamento abbia dissolto i costituenti carburogeni e arricchito l’austenite prima della tempra, non semplicemente a una temperatura del forno riportata in una scheda tecnica.

La logica metallurgica è chiara. Una dissoluzione più completa può introdurre una quantità maggiore di elementi formatori di carburi nella martensite sovrasatura. Durante il rinvenimento, tale matrice presenta un potenziale maggiore per la precipitazione di carburi fini ricchi di molibdeno, tungsteno o vanadio. La precipitazione risultante rinforza la matrice e aumenta la resistenza all’addolcimento da rinvenimento. L’osservazione del NIST collega quindi l’entità della risposta di indurimento secondario alla condizione iniziale del soluto nell’acciaio temprato.

Ciò non stabilisce un’indicazione universale ad aumentare la temperatura di austenitizzazione. Un riscaldamento eccessivo può ingrossare i grani di ex-austenite, aumentare l’austenite trattenuta, favorire la decarburazione o il surriscaldamento e modificare la sensibilità alla formazione di cricche di tempra. Può inoltre dissolvere carburi la cui frazione non disciolta era necessaria per il controllo dei grani. Una granulometria maggiore può modificare la temprabilità e il comportamento a frattura anche quando la durezza finale appare accettabile. Di conseguenza, la risposta può diventare meno utile nonostante una maggiore dissoluzione nominale degli elementi di lega.

Un’austenitizzazione insufficiente crea il problema opposto. I carburi di lega non disciolti possono lasciare nell’austenite una quantità troppo ridotta di carbonio e di elementi di lega per ottenere la durezza martensitica o la risposta di precipitazione secondaria previste. Una dissoluzione incompleta può inoltre produrre una segregazione chimica tra le regioni della matrice e quelle ricche di carburi. La tempra genera quindi una struttura meno uniforme, e il rinvenimento non può correggere completamente tale condizione iniziale.

Il compromesso tra austenitizzazione e risposta finale

La risposta finale è il risultato della storia del processo, non dell’effetto di una singola temperatura. Il metodo di J. H. Hollomon e L. D. Jaffe del 1945 mette in relazione il tempo di rinvenimento, la temperatura e la composizione attraverso un parametro di rinvenimento comunemente scritto come T(log t + c), utilizzato per quantificare il grado di rinvenimento della martensite. Il parametro è utile per confrontare diverse esposizioni, ma un valore equivalente non elimina le differenze nella velocità di riscaldamento, nella microstruttura preesistente, nell’austenitizzazione, nelle dimensioni della sezione, nell’austenite trattenuta o nella precipitazione specifica della lega.

Uno studio sottoposto a revisione paritaria del 2013 sull’acciaio per utensili H13 ha dimostrato questo limite trattando separatamente cicli isotermi, a riscaldamento lento e a riscaldamento rapido. Le risposte di durezza previste erano diverse e i calcoli includevano il comportamento di indurimento secondario. Una sezione riscaldata rapidamente non trascorre lo stesso tempo attraversando gli intervalli di trasformazione e precipitazione di una sezione rinvenuta isotermicamente; pertanto, descrizioni caratterizzate dalla stessa temperatura massima nominale e dallo stesso tempo di mantenimento possono celare reazioni differenti.[1][1] Tempering of Induction-Hardened Steels. ASM International. ASM Handbook Volume 4C, 2024.

Anche l’ASM Handbook Volume 4C confronta le correlazioni di Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman per gli acciai temprati per induzione. Entrambe rappresentano condizioni equivalenti tempo-temperatura per valutare la risposta al rinvenimento, ma la loro utilità dipende dal ciclo termico e dalla condizione del materiale utilizzati per stabilire la correlazione. Lo studio sugli acciai per stampi da forgiatura a caldo e tiepida pubblicato nel Journal of Materials Processing Technology nel 2013 ha utilizzato il parametro di rinvenimento — chiamato anche parametro di Hollomon-Jaffe o di Larson-Miller — per correlare l’esposizione tempo-temperatura alla variazione della durezza. Tali correlazioni organizzano i dati; non forniscono valori fissi di durezza né variazioni garantite delle proprietà tra diversi gradi di acciaio.

L’austenitizzazione dovrebbe quindi essere selezionata bilanciando la dissoluzione, il controllo dei grani, la gestione dell’austenite trattenuta, la risposta alla tempra e la sequenza di precipitazione desiderata. Il risultato del NIST supporta un picco di indurimento secondario più elevato con un grado maggiore di austenitizzazione nell’acciaio rapido studiato. Ciò non fa della dissoluzione massima l’obiettivo generale. L’obiettivo utile è la struttura iniziale che garantisce la risposta finale richiesta dopo l’intera storia di tempra e rinvenimento.

Equivalenza tempo-temperatura e parametro di Hollomon-Jaffe

La formulazione di Hollomon e Jaffe del 1945

Il rinvenimento non è definito semplicemente come «rammollimento dopo la tempra». L’ASM Handbook Volume 4A lo definisce come «il riscaldamento dell’acciaio temprato o normalizzato a una temperatura inferiore alla temperatura critica inferiore» (ASM International, 2024). Durante questo trattamento, il carbonio diffonde dalla martensite sovrasatura, possono formarsi carburi di transizione e cementite, l’austenite residua può decomporsi e la struttura martensitica subisce un recupero. La durezza e la tenacità finali dipendono dalla temperatura e dal tempo, ma anche dal tenore di carbonio, dalle aggiunte di lega, dagli elementi residui, dall’austenitizzazione precedente e dalla struttura prodotta dalla tempra.[2][2] Transformation of Austenite: Time-Temperature Relations in Tempering Steel. J. H. Hollomon, L. D. Jaffe. Metals Technology, 1945.

J. H. Hollomon e L. D. Jaffe affrontarono la necessità di confrontare i trattamenti di rinvenimento nel loro articolo del 1945, «Transformation of Austenite: Time-Temperature Relations in Tempering Steel», pubblicato in Metals Technology. Il loro metodo correlava il tempo e la temperatura di rinvenimento, nonché la composizione, con la struttura e le proprietà sviluppate nell’acciaio temprato. Il problema pratico era semplice: un acciaio rinvenuto per un breve periodo a temperatura elevata poteva raggiungere una condizione simile a quella di un acciaio mantenuto molto più a lungo a temperatura inferiore. Una singola temperatura di rinvenimento non poteva descrivere entrambi i trattamenti.

La loro relazione empirica è comunemente espressa come

$$P=T({\log }_{10}t+C)$$

dove $P$ è il parametro di rinvenimento di Hollomon-Jaffe, $T$ è la temperatura assoluta in kelvin, $t$ è il tempo di rinvenimento e $C$ è una costante dipendente dalla composizione e dalla reazione. In molti calcoli ingegneristici, a $C$ viene assegnato un valore vicino a 20, ma tale numero è una convenzione e non una costante del materiale condivisa da ogni qualità e da ogni reazione. Occorre inoltre specificare l’unità di tempo, poiché il passaggio dalle ore ai secondi modifica il termine logaritmico e quindi il valore numerico del parametro.

La relazione è empirica. Hollomon e Jaffe non stabilirono una legge termodinamica universale che rendesse intercambiabili tutti i trattamenti di rinvenimento. Fornirono una correlazione utile per insiemi di dati nei quali vengono confrontati lo stesso acciaio, la stessa condizione iniziale e lo stesso meccanismo di rinvenimento dominante. Il parametro comprime due variabili in un unico indice, così che la durezza, la resistenza a trazione o un’altra proprietà misurata possano essere rappresentate in funzione di una misura comune dell’esposizione termica.

Significato di $T(\log t+c)$

Il termine relativo alla temperatura conferisce al parametro la sua forte sensibilità all’esposizione termica. Deve essere espresso su una scala assoluta, normalmente in kelvin, poiché la relazione è destinata a riflettere la dipendenza dalla temperatura delle reazioni controllate dalla diffusione. Il logaritmo del tempo rappresenta i rendimenti decrescenti derivanti dal prolungamento della permanenza: aumentare un trattamento da 1 a 10 ore modifica ${\log }_{10}t$ di un’unità, mentre aumentarlo da 100 a 110 ore produce soltanto una variazione modesta.

La costante $c$, spesso indicata con $C$, adatta la relazione all’acciaio e alla risposta al rinvenimento oggetto dell’interpolazione. Talvolta viene descritta come una costante correlata alla composizione, poiché il carbonio e il contenuto di elementi di lega modificano la diffusione, la stabilità dei carburi, la cinetica di precipitazione e la resistenza al recupero. In pratica, tuttavia, il valore determinato mediante interpolazione può assorbire anche convenzioni sperimentali, tra cui l’intervallo di proprietà selezionato, le unità di tempo e il meccanismo di reazione rappresentato dai dati. Trattare $C=20$ come una legge universale può creare una percezione fuorviante di precisione.

Per gli acciai al carbonio ordinari e gli acciai bassolegati, il parametro spesso correla in modo ragionevole con il progressivo rammollimento al rinvenimento entro un intervallo limitato di temperature e tempi. La sequenza fisica può comprendere la ridistribuzione del carbonio, la formazione di carburi di ferro, la decomposizione dell’austenite residua e il recupero della struttura delle dislocazioni. Il U.S. Department of Energy descrive $T(\log t+c)$ come una misura del grado di rinvenimento della martensite, ma tale interpretazione non significa che ogni evento microstrutturale proceda alla stessa velocità.

Lo stesso parametro può anche descrivere un aumento della durezza. Negli acciai per utensili altolegati, il rinvenimento può provocare un indurimento secondario anziché un rammollimento continuo. ASM International attribuisce l’indurimento secondario alla precipitazione di carburi fini di lega, compresi i carburi associati a molibdeno, vanadio e tungsteno. Una precipitazione più intensa può aumentare la resistenza al rinvenimento. Il National Institute of Standards and Technology ha riportato, per l’acciaio rapido, che «l’intensità del picco di indurimento secondario aumenta con il grado di austenitizzazione». Questa osservazione è importante perché l’austenitizzazione modifica la quantità di elementi di lega e di carbonio disciolti nell’austenite prima della tempra. Due provini della stessa qualità nominale possono quindi raggiungere picchi di indurimento secondario diversi se i loro trattamenti di austenitizzazione sono differenti.

Un aumento della durezza a un determinato parametro di Hollomon-Jaffe non costituisce, per definizione, un errore. Può indicare un indurimento per precipitazione, mentre una diminuzione può indicare il rinvenimento della martensite e il recupero. Il parametro registra un’esposizione calcolata; non identifica la reazione responsabile della proprietà misurata.

Cosa può e non può prevedere un parametro di rinvenimento equivalente

Un parametro equivalente è più utile quando confronta trattamenti appartenenti a una famiglia controllata: stessa qualità, stessa dimensione della sezione, stessa struttura dopo tempra, stesso ciclo di austenitizzazione, stessa atmosfera e stessa modalità di misurazione della proprietà. Entro questi limiti, può aiutare a stimare se una combinazione modificata di temperatura e tempo di permanenza dovrebbe produrre un andamento della durezza simile. L’ASM Handbook Volume 4C presenta le correlazioni di Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman come metodi tempo-temperatura equivalenti per valutare la risposta al rinvenimento degli acciai induriti per induzione. Tali correlazioni sono strumenti ingegneristici per organizzare i risultati, non la prova che le storie termiche siano fisicamente identiche.

La velocità di riscaldamento costituisce una limitazione importante. Un provino portato rapidamente alla temperatura di rinvenimento trascorre poco tempo nell’intervallo delle temperature inferiori, mentre un provino riscaldato lentamente può iniziare la ridistribuzione del carbonio, la formazione dei carburi o la decomposizione dell’austenite residua prima di raggiungere la temperatura nominale di mantenimento. Uno studio sottoposto a revisione paritaria del 2013 sull’acciaio per utensili H13 ha sviluppato previsioni per cicli isotermi, a riscaldamento lento e a riscaldamento rapido, includendo il comportamento di indurimento secondario. La sua importanza consiste nel fatto che cicli con valori nominali comparabili del parametro possono comunque produrre risposte di durezza previste differenti quando cambia il percorso di riscaldamento.

Il rinvenimento interrotto crea un ulteriore problema. Il raffreddamento tra due stadi di rinvenimento può modificare la precipitazione, la decomposizione dell’austenite residua e la popolazione dei carburi di transizione. Il riscaldamento successivo non riprende necessariamente la stessa reazione alla medesima velocità. Anche la dimensione della sezione è importante: la superficie e il centro di una grande matrice possono essere sottoposti a storie di riscaldamento e raffreddamento diverse, anche quando la temperatura del forno viene registrata come un unico valore.

Anche la microstruttura precedente è altrettanto importante. La dimensione dei grani di austenite, il tenore di carbonio della martensite, l’austenite residua, la segregazione e i carburi non disciolti influenzano tutti le reazioni successive. L’austenitizzazione è particolarmente determinante negli acciai rapidi e negli acciai per utensili da lavorazione a caldo, poiché controlla la disponibilità degli elementi in soluzione per la precipitazione dei carburi secondari. Un parametro nominalmente equivalente non può ricostruire tale condizione iniziale.

La limitazione diventa più netta in prossimità dei picchi di trasformazione o di precipitazione. Una singola curva monotona di rammollimento non può rappresentare un acciaio che prima si rammollisce, poi si indurisce quando precipitano carburi fini ricchi di molibdeno, vanadio o tungsteno e infine si rammollisce nuovamente dopo il sovrainvecchiamento. Lo studio sugli acciai per matrici da forgiatura a caldo e a tiepido, pubblicato nel Journal of Materials Processing Technology nel 2013, ha utilizzato il parametro di rinvenimento — chiamato anche parametro di Hollomon-Jaffe o di Larson-Miller — per correlare l’esposizione tempo-temperatura con le variazioni di durezza. Questo approccio è utile per mappare il comportamento degli acciai per matrici, ma la relazione interpolata rimane legata all’acciaio e all’intervallo di trattamento esaminati.

Pertanto, $T(\log t+c)$ è un indice di confronto, non un sostituto della storia termica o delle evidenze microstrutturali. Può organizzare i dati di rinvenimento e supportare l’interpolazione tra condizioni sperimentate. Non può garantire la stessa durezza, la stessa tenacità, la stessa popolazione di carburi o lo stesso contenuto di austenite residua quando differiscono la velocità di riscaldamento, le interruzioni, l’austenitizzazione, la struttura precedente o la risposta della lega.

Rinvenimento non isotermico e cicli reali di riscaldamento

Il rinvenimento non è definito soltanto dal setpoint del forno. ASM International afferma nell’ASM Handbook Volume 4A (2024): «Il rinvenimento consiste nel riscaldamento dell’acciaio temprato o normalizzato a una temperatura inferiore alla temperatura critica inferiore». La condizione risultante dipende dalla temperatura e dal tempo di rinvenimento, ma anche dal tenore di carbonio, dagli elementi di lega, dagli elementi residui, dalla precedente austenitizzazione e dal percorso termico utilizzato per raggiungere la temperatura di mantenimento.

Questa distinzione è importante perché, raramente, i componenti industriali si riscaldano ovunque alla stessa velocità. Una matrice, un inserto o un albero di grandi dimensioni possono avere la superficie calda mentre il nucleo si trova ancora al di sotto dell’intervallo di rinvenimento previsto. Durante tale intervallo, regioni diverse sono sottoposte a reazioni diverse.

Mantenimento isotermico e riscaldamento continuo

In una prova di rinvenimento isotermico, un provino viene riscaldato a una temperatura selezionata e mantenuto a tale temperatura. Questo metodo è utile per separare l’effetto del tempo di mantenimento, ma non riproduce la storia completa di un componente reale. Il riscaldamento continuo espone l’acciaio a una successione di temperature, e ciascuna temperatura consente una diversa combinazione di diffusione del carbonio, formazione di carburi, decomposizione dell’austenite e ricupero.

Il U.S. Department of Energy descrive il rinvenimento in termini di diffusione del carbonio e della conseguente formazione di carburi, della decomposizione dell’austenite trattenuta e del ricupero della struttura martensitica. Queste reazioni non iniziano, non procedono e non terminano tutte alla stessa velocità. Un provino riscaldato lentamente può trascorrere un tempo considerevole negli intervalli di temperatura più bassi, dove il carbonio si ridistribuisce e si formano carburi di transizione prima del raggiungimento della temperatura nominale di rinvenimento. Un provino riscaldato rapidamente vi trascorre meno tempo; pertanto, la precipitazione e il ricupero iniziano secondo una sequenza di condizioni diversa.

La differenza non consiste semplicemente nell’aggiungere il tempo trascorso al di sopra di una determinata temperatura. La diffusione è sensibile alla temperatura, mentre la precipitazione dipende sia dalla disponibilità del soluto sia dalla storia di nucleazione e crescita delle particelle. Una reazione che inizia durante il riscaldamento lento può modificare la matrice e, di conseguenza, cambiare ciò che avviene durante il mantenimento finale. Al contrario, il riscaldamento rapido può portare l’acciaio in un regime di temperatura più elevato prima che le stesse reazioni intermedie abbiano raggiunto un grado di avanzamento comparabile.

Il metodo di Hollomon-Jaffe, formulato da J. H. Hollomon e L. D. Jaffe nel 1945, esprime una relazione tempo-temperatura-composizione per l’acciaio temprato. La forma comunemente presentata è:

$$P=T(\log t+c)$$

dove $T$ è la temperatura assoluta, $t$ è il tempo di rinvenimento e $c$ è una costante dipendente dalla composizione e dalla risposta del materiale. Il U.S. Department of Energy descrive questa espressione come un metodo per quantificare il grado di rinvenimento della martensite. È un parametro utile per il confronto, non un cancellatore fisico. Due cicli con lo stesso valore calcolato possono differire a causa della velocità di riscaldamento, della microstruttura precedente, dell’austenitizzazione, delle dimensioni della sezione e delle reazioni di precipitazione specifiche della lega.

L’ASM Handbook Volume 4C (2024) evidenzia un aspetto pratico analogo per gli acciai temprati per induzione: le correlazioni di Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman possono rappresentare condizioni equivalenti tempo-temperatura per valutare la risposta al rinvenimento, ma la loro concordanza vale entro l’intervallo di materiali e processi sottoposto a prova. Una correlazione non dimostra che ogni percorso termico produca la stessa microstruttura.

L’acciaio per utensili H13 come caso di studio[3][3] Hardness of H13 Tool Steel After Non-Isothermal Tempering. University of Arizona publication record. Peer-reviewed publication record, 2013.

Uno studio sottoposto a revisione paritaria e registrato nella banca dati delle pubblicazioni della University of Arizona, Durezza dell’acciaio per utensili H13 dopo rinvenimento non isotermico (2013), è particolarmente utile perché confronta le risposte previste per l’AISI H13 sottoposto a cicli isotermici, a riscaldamento lento e a riscaldamento rapido. Lo studio include il comportamento di indurimento secondario, invece di trattare la durezza come una grandezza destinata a diminuire monotonicamente.

L’AISI H13 è un acciaio per utensili da lavoro a caldo contenente cromo, molibdeno e vanadio. Negli acciai per utensili altolegati, ASM International identifica l’indurimento secondario come la precipitazione di carburi fini di lega, compresi i carburi associati a molibdeno, vanadio e tungsteno. La precipitazione può compensare o superare l’addolcimento causato dal ricupero della martensite in una parte dell’intervallo di rinvenimento. La risposta esatta dipende dalla composizione chimica e dalla condizione iniziale dell’acciaio; lo studio sull’H13 non deve essere interpretato come l’assegnazione di un unico valore universale di durezza o di una temperatura fissa di indurimento secondario a tutti i prodotti in H13.

Il confronto tra i cicli di riscaldamento dimostra il punto centrale: i trattamenti isotermici, a riscaldamento lento e a riscaldamento rapido possono generare storie di durezza previste diverse, comprese diverse manifestazioni del picco di indurimento secondario. Durante il riscaldamento lento, il materiale inizia a rinvenire prima di raggiungere la temperatura nominale obiettivo. Durante il riscaldamento rapido, il tempo disponibile per la diffusione a bassa temperatura e per la precipitazione iniziale è ridotto. La durezza finale riflette quindi il percorso seguito per raggiungere il mantenimento, non soltanto il mantenimento stesso.

L’indurimento secondario dipende inoltre in modo significativo dall’austenitizzazione. Uno studio del National Institute of Standards and Technology (1930) riportò che «l’intensità del picco di indurimento secondario aumenta con il grado di austenitizzazione». Un’austenitizzazione più completa può modificare la quantità di lega disciolta nell’austenite e la condizione della matrice temprata, modificando quindi la risposta alla precipitazione durante il rinvenimento. Questa osservazione è un ulteriore motivo per evitare di trasferire una curva di rinvenimento da una storia di trattamento termico a un’altra senza una verifica.

La conseguenza pratica è diretta: un ciclo di rinvenimento nominalmente identico per l’H13 può produrre risultati diversi se cambiano la rampa di riscaldamento, il precedente trattamento di austenitizzazione, le dimensioni del provino o del componente, oppure la storia di raffreddamento. La previsione è utile, ma deve essere calibrata rispetto alla qualità dell’acciaio e al processo.

Perché i diagrammi del forno non descrivono completamente il componente

Un diagramma del forno riporta generalmente la temperatura dell’aria oppure la temperatura misurata da una termocoppia in una posizione selezionata. Tale valore non corrisponde automaticamente alla temperatura della superficie dell’acciaio e fornisce informazioni ancora meno precise sul centro di una matrice di grande spessore. Il carico del forno, il contatto con gli attrezzaggi, l’irraggiamento, la convezione e la geometria del componente influenzano tutti il gradiente termico.

Si consideri una grande matrice per forgiatura. Gli spigoli esposti possono raggiungere l’intervallo di rinvenimento mentre una sezione incassata rimane più fredda. La superficie accumula quindi un tempo di reazione maggiore a temperatura elevata, mentre l’interno può essere ancora in fase di riscaldamento attraverso la parte inferiore dell’intervallo di rinvenimento. Se la matrice viene estratta quando il diagramma del forno raggiunge il tempo di mantenimento programmato, la superficie e il nucleo non hanno subito un’esposizione termica equivalente.

La posizione di misurazione può inoltre nascondere sovraelongazioni e ritardi. Una termocoppia di controllo può rispondere rapidamente all’aria del forno, mentre una termocoppia inserita vicino al centro del componente registra un aumento più lento. Per la qualificazione del processo, entrambe le posizioni possono essere importanti: la misurazione nel forno stabilisce il comportamento dell’apparecchiatura, mentre le termocoppie sul componente rivelano l’esposizione effettiva che governa la trasformazione e la precipitazione.

Lo studio sugli acciai per matrici da forgiatura a caldo e tiepido pubblicato nel Journal of Materials Processing Technology (2013) utilizza il parametro di rinvenimento — chiamato anche parametro di Hollomon-Jaffe o di Larson-Miller — per correlare l’esposizione tempo-temperatura alla variazione di durezza. Tale parametro aiuta a organizzare i dati relativi a diversi cicli, ma rimane una relazione adattata ai dati sperimentali. Per convalidarla sono necessari provini specifici per la qualità dell’acciaio, dimensioni rappresentative delle sezioni, temperature misurate sul componente e controlli della durezza o della microstruttura. Un diagramma del forno è una registrazione dell’ambiente di riscaldamento. Di per sé, non costituisce una descrizione completa della storia di rinvenimento dell’acciaio.

Rinvenimento degli Acciai Induriti per Induzione

Uno strato superficiale indurito e un nucleo a minor tenore di carbonio

ASM International definisce il rinvenimento come «il riscaldamento dell’acciaio temprato o normalizzato a una temperatura inferiore alla temperatura critica inferiore» (ASM Handbook Volume 4A, 2024). La definizione è semplice; una sezione indurita per induzione non lo è. Il riscaldamento per induzione produce austenite principalmente in prossimità della superficie, seguito da una tempra rapida. Il risultato è generalmente uno strato martensitico ad alto tenore di carbonio sopra un nucleo più tenero e a minor tenore di carbonio, che può rimanere ferritico-perlitico, bainitico, rinvenuto o parzialmente trasformato, a seconda della condizione iniziale e della profondità raggiunta dal ciclo termico.

Lo strato superficiale e il nucleo non iniziano quindi il rinvenimento partendo dalla stessa microstruttura. In prossimità della superficie, il tenore di carbonio può riflettere la qualità di base, la cementazione o la carbonitrurazione, la decarburazione, la segregazione oppure la dissoluzione incompleta dei carburi durante l’austenitizzazione. Il materiale più profondo può contenere una quantità inferiore di carbonio disciolto e potrebbe non aver mai superato l’intervallo di austenitizzazione. Anche all’interno dello strato indurito, la dimensione dei grani di austenite preesistente, il tenore di carbonio della martensite, l’austenite residua, la dissoluzione dei carburi di lega e la velocità di tempra possono variare con la profondità.

Il rinvenimento determina quindi diverse reazioni sovrapposte. Il U.S. Department of Energy descrive la diffusione del carbonio, la formazione di carburi, la decomposizione dell’austenite residua e il recupero come componenti importanti del processo. Le loro velocità dipendono dalla temperatura e dal tempo, ma anche dalla struttura locale disponibile a reagire. Una zona superficiale riscaldata rapidamente fino alla temperatura di rinvenimento non subisce la stessa sequenza di reazioni di un nucleo che si riscalda lentamente per conduzione. Durante il rinvenimento per induzione, la superficie può raggiungere la temperatura target mentre il materiale subsuperficiale è ancora in fase di riscaldamento; durante un rinvenimento separato in forno, l’intero componente può avvicinarsi a una temperatura più uniforme, sebbene le dimensioni della sezione determinino ancora il tempo necessario.

Il rinvenimento ordinario riduce spesso la durezza della martensite allo stato temprato, poiché il carbonio abbandona la martensite sovrasatura e forma carburi di transizione o cementite. Questa tendenza non è universale. ASM International afferma che l’indurimento secondario negli acciai per utensili altolegati è prodotto dalla precipitazione di fini carburi di lega, compresi i carburi associati a molibdeno, vanadio e tungsteno. Una precipitazione più intensa aumenta la resistenza all’addolcimento da rinvenimento e può incrementare la durezza dopo una diminuzione iniziale. Il National Institute of Standards and Technology riferì nel 1930 che «l’intensità del picco di indurimento secondario aumenta con il grado di austenitizzazione». Un’austenitizzazione più spinta può dissolvere una quantità maggiore di elementi di lega, ma può anche aumentare l’austenite residua e modificare la dimensione dei grani; pertanto, il picco non può essere associato a una singola temperatura fissa per ogni qualità o trattamento.

Applicazione delle correlazioni di Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman

J. H. Hollomon e L. D. Jaffe svilupparono il loro metodo nel 1945 come relazione tempo-temperatura-composizione per l’acciaio temprato. La sua forma più nota è il parametro di rinvenimento

$$P=T({\log }_{10}t+c),$$

dove $T$ è la temperatura assoluta, $t$ è il tempo e $c$ è una costante dipendente dalla composizione e dalla reazione. L’espressione $T(\log t+c)$ rappresenta il grado di rinvenimento della martensite collocando diverse esposizioni tempo-temperatura su una scala equivalente. Un’esposizione prolungata a una temperatura inferiore può quindi essere confrontata con un’esposizione più breve a una temperatura superiore, purché la correlazione sia appropriata per il materiale e per l’intervallo di reazione considerato.

ASM Handbook Volume 4C applica questo tipo di analisi agli acciai induriti per induzione e confronta Hollomon-Jaffe con la correlazione di Grange-Baughman per rappresentare condizioni equivalenti di tempo e temperatura. Queste relazioni sono utili per convertire un ciclo termico misurato o calcolato in un parametro che possa essere correlato alla variazione di durezza. Non sostituiscono la metallografia o le misurazioni della durezza su sezioni trasversali. Un parametro equivalente non elimina le differenze nella velocità di riscaldamento, nell’austenitizzazione, nella microstruttura preesistente, nelle dimensioni della sezione, nell’austenite residua o nella risposta della lega.

Questa limitazione è particolarmente importante quando si verifica un indurimento secondario. Una correlazione adattata all’addolcimento monotono da rinvenimento può rappresentare in modo errato un aumento della durezza causato dalla precipitazione di carburi di lega. Uno studio sottoposto a revisione paritaria del 2013 sull’acciaio per utensili H13 ha illustrato previsioni relative a cicli di rinvenimento isotermo, a riscaldamento lento e a riscaldamento rapido, compreso il comportamento di indurimento secondario. I diversi cicli potevano produrre risposte di durezza previste differenti, anche quando le loro esposizioni termiche nominali apparivano comparabili. H13, contenente quantità significative di cromo, molibdeno e vanadio, non costituisce un modello per ogni qualità di acciaio indurito per induzione.

Risposta dipendente dalla profondità e interpretazione del processo

Un’interpretazione utile inizia dalla storia temperatura-tempo a ogni profondità, non da un unico setpoint del forno. La superficie può subire un rapido ciclo di austenitizzazione, trasformarsi in martensite durante la tempra e ricevere quindi un breve rinvenimento. A una profondità prossima al limite di indurimento, la temperatura di picco può essere inferiore a quella necessaria per una completa austenitizzazione, ma sufficientemente elevata da rinvenire la struttura esistente. Il nucleo può essere sottoposto soltanto al riscaldamento per conduzione e conservare proprietà determinate in larga misura dalla precedente normalizzazione, ricottura o rinvenimento.

I profili di durezza devono pertanto essere rilevati su una sezione trasversale adeguatamente preparata, registrando l’origine della misurazione, la spaziatura, il carico e le condizioni della superficie. La durezza dello strato superficiale, la profondità efficace dello strato indurito, il comportamento della zona di transizione e la durezza del nucleo devono essere riportati separatamente. La metallografia, la misurazione dell’austenite residua e, quando necessario, l’analisi dei carburi o della composizione aiutano a spiegare gli scostamenti rispetto a un profilo calcolato.

Lo studio del 2013 sugli acciai per stampi destinati alla forgiatura a caldo e a temperatura intermedia evidenzia lo stesso aspetto in un altro contesto: un parametro di rinvenimento, chiamato anche parametro di Hollomon-Jaffe o di Larson-Miller, può correlare l’esposizione tempo-temperatura con la variazione di durezza, ma la correlazione rimane legata all’acciaio e all’intervallo di trattamento sottoposti a prova. Per i componenti induriti per induzione, i valori di Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman sono utilizzati al meglio come strumenti di confronto tra processi. La validazione richiede comunque registrazioni termiche risolte in profondità e misurazioni su sezioni trasversali sia dello strato superficiale indurito sia del nucleo a minor tenore di carbonio.

Utilizzo dei Parametri di Rinvenimento per gli Acciai da Stampo e il Controllo del Processo

Acciai da stampo per la forgiatura a caldo e a tiepido

Il rinvenimento non consiste semplicemente in una riduzione programmata della durezza. ASM International lo definisce come “il riscaldamento di un acciaio temprato o normalizzato a una temperatura inferiore alla temperatura critica inferiore” (ASM Handbook Volume 4A, 2024). Durante questo trattamento, il carbonio diffonde dalla martensite sovrasatura, si formano o si ingrossano i carburi, l’austenite residua può decomporsi e la matrice subisce un recupero. Il U.S. Department of Energy descrive questi processi come cambiamenti accoppiati, anziché come un’unica reazione di rammollimento.

Questa distinzione è importante per gli acciai da stampo destinati alla forgiatura a caldo e a tiepido. Qualità come ASTM A681 H13 vengono comunemente temprate a partire da un trattamento di austenitizzazione e sottoposte a rinvenimento per stabilire un equilibrio controllato tra durezza, tenacità e resistenza ai cicli termici. Altre qualità per lavorazioni a caldo, tra cui H11 e H10, rispondono in funzione dei rispettivi tenori di carbonio, cromo, molibdeno e vanadio, della condizione dei grani precedente al trattamento e della storia di tempra. Un ciclo di rinvenimento che produce una determinata durezza in H13 non può essere trasferito direttamente a un’altra qualità soltanto perché le temperature nominali di rinvenimento sono simili.

Gli acciai per utensili altolegati possono indurirsi durante il rinvenimento. ASM International attribuisce l’indurimento secondario alla precipitazione di carburi fini di lega, compresi i carburi associati a molibdeno, vanadio e tungsteno. Quanto più intensa è la reazione di precipitazione, tanto maggiore può essere la resistenza al rammollimento da rinvenimento. Nel 1930 il National Institute of Standards and Technology riferì che “l’intensità del picco di indurimento secondario aumenta con il grado di austenitizzazione”. Una temperatura di austenitizzazione più elevata può dissolvere una quantità maggiore di carburi di lega e aumentare il contenuto di elementi di lega nell’austenite, ma può anche ingrossare i grani di austenite preesistenti e modificare il contenuto di austenite residua. Il conseguente picco di durezza è quindi il risultato dell’intera storia del trattamento, non della sola temperatura di rinvenimento.

Per gli stampi di forgiatura, il controllo del processo dovrebbe registrare la designazione dell’acciaio, il numero di colata o il lotto, la durezza iniziale, la temperatura e il tempo di mantenimento di austenitizzazione, il tempo di trasferimento, il mezzo di tempra, la velocità di raffreddamento, la temperatura di rinvenimento, la velocità di riscaldamento, il tempo di mantenimento e il metodo di raffreddamento. Anche l’uniformità del forno è importante. La superficie dello stampo e il suo nucleo possono essere sottoposti a cicli termici diversi, soprattutto nel caso di sezioni di grandi dimensioni.

Correlazione della durezza mediante i parametri di rinvenimento

Nel 1945 J. H. Hollomon e L. D. Jaffe proposero una relazione tempo-temperatura-composizione per l’acciaio temprato. Il loro metodo esprime il grado di rinvenimento della martensite mediante:

$$P=T(\log t+c)$$

dove $T$ è la temperatura assoluta, $t$ è il tempo e $c$ è una costante legata al materiale. A seconda della fonte e dell’applicazione, questa grandezza viene chiamata parametro di Hollomon-Jaffe o parametro di Larson-Miller. Il tempo deve essere espresso nelle unità utilizzate per stabilire la correlazione e la temperatura deve essere assoluta, non espressa in gradi Celsius.

Il parametro è utile perché combina il tempo di esposizione e la temperatura in un unico valore di confronto. Un ingegnere di processo può riportare la durezza misurata in funzione di $P$, quindi determinare se un ciclo di produzione rientra nell’intervallo sottoposto a prova. Lo studio del 2013 sugli acciai da stampo per forgiatura pubblicato nel Journal of Materials Processing Technology ha utilizzato questo parametro di rinvenimento — chiamato anche parametro di Hollomon-Jaffe o di Larson-Miller — per correlare l’esposizione tempo-temperatura con la variazione di durezza negli acciai da stampo per la forgiatura a caldo e a tiepido.

La correlazione non equivale alla causalità. Due cicli con lo stesso valore di $P$ non devono necessariamente produrre microstrutture identiche se uno utilizza un riscaldamento rapido e l’altro una lunga rampa di riscaldamento in forno. La morfologia della martensite iniziale, l’austenite residua, le dimensioni della sezione, il trattamento di austenitizzazione, l’intensità della tempra e la popolazione di carburi di lega possono modificare la risposta. Il parametro, inoltre, non fornisce una previsione diretta della durezza per qualità non correlate. La sua costante $c$, la curva interpolata e il relativo intervallo di validità devono essere supportati da evidenze riferite all’acciaio e alla condizione oggetto di valutazione.

Uno studio sottoposto a revisione paritaria sull’H13 ha registrato risposte di durezza previste differenti per cicli di rinvenimento isotermico, a riscaldamento lento e a riscaldamento rapido, compreso il comportamento di indurimento secondario (University of Arizona publication record, 2013). Questo risultato limita direttamente l’utilizzo di un singolo parametro equivalente per cicli di produzione non isotermici. Anche l’ASM Handbook Volume 4C mette a confronto le correlazioni di Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman per gli acciai induriti per induzione, descrivendole come condizioni tempo-temperatura equivalenti per valutare la risposta al rinvenimento, non come equazioni universali delle proprietà.

Verifica mediante durezza e microstruttura

La verifica inizia con l’identificazione precisa del materiale: designazione della qualità, specifica applicabile, numero di colata, condizione di fornitura, trattamento di austenitizzazione e condizione di tempra. L’ispettore dovrebbe quindi conservare la registrazione termica completa, compresi la taratura del forno, la temperatura del carico, se disponibile, la velocità di rampa, il mantenimento, i ritardi di trasferimento e il raffreddamento tra più rinvenimenti. “Due rinvenimenti a 550 °C” è un’informazione incompleta se non sono noti anche la durata e la storia di riscaldamento.

La prova di durezza deve specificare il metodo. Per una sezione dello stampo sufficientemente spessa, può essere appropriata una prova Rockwell C secondo ASTM E18; il rapporto dovrebbe includere la preparazione della superficie, le posizioni delle prove, il numero di impronte e la verifica dello strumento. La prova Vickers secondo ASTM E384 è più adatta a sezioni sottili, gradienti, strati decarburati o indagini locali. Quando le dimensioni della sezione lo consentono, le misurazioni dovrebbero comprendere la superficie di lavoro, la zona subsuperficiale e il nucleo. Un valore di durezza privo di posizione e metodo costituisce un’evidenza debole del processo.

Un rammollimento inatteso, una durezza insolitamente elevata o un aumento della durezza nell’intervallo in cui ci si aspetta un rammollimento da rinvenimento richiedono un esame metallografico. Una sezione lucidata e opportunamente attaccata può evidenziare martensite rinvenuta, distribuzione dei carburi, prodotti derivanti dall’austenite residua, ingrossamento dei grani e decarburazione. La microscopia ottica può stabilire la condizione generale; la microscopia elettronica a scansione può risolvere i fini carburi secondari, mentre i profili di durezza possono mettere in evidenza i gradienti termici. Quando si sospettano variazioni dimensionali o trasformazioni ritardate, possono essere necessarie la diffrazione a raggi X o altre misurazioni dell’austenite residua.

La decisione di accettazione dovrebbe confrontare sia la durezza sia la struttura con una condizione di riferimento qualificata. Un valore di Hollomon-Jaffe corrispondente costituisce un’evidenza utile, ma non dimostra che lo stampo abbia ricevuto lo stesso trattamento metallurgico. In caso di indurimento secondario, il picco di durezza misurato e lo stato dei carburi devono essere coerenti con l’intervallo di processo convalidato e specifico per la qualità.

Come leggere una curva di rinvenimento senza interpretarla erroneamente

Una curva di rinvenimento rappresenta normalmente la durezza in funzione della temperatura di rinvenimento, del tempo di rinvenimento o di un parametro combinato tempo–temperatura. Non è una mappa universale della “durezza persa con il calore”. L’ASM Handbook Volume 4A definisce il rinvenimento come “il riscaldamento dell’acciaio temprato o normalizzato a una temperatura inferiore alla temperatura critica inferiore”. La struttura risultante dipende dalla temperatura e dal tempo, ma anche dal tenore di carbonio, dal contenuto di elementi di lega, dagli elementi residui, dal trattamento di austenitizzazione, dalla tempra e dalle condizioni dell’acciaio prima del rinvenimento.

La curva va letta come la registrazione di reazioni concorrenti. Il carbonio diffonde dalla martensite sovrasatura; possono formarsi carburi di transizione o cementite; l’austenite residua può decomporsi; possono precipitare carburi di lega; e la matrice può subire un recupero. Il U.S. Department of Energy individua nella diffusione del carbonio, nella formazione dei carburi, nella decomposizione dell’austenite e nel recupero i processi centrali del rinvenimento. La loro sequenza e velocità variano in funzione del grado di acciaio e dei cicli di riscaldamento.

Regioni di rammollimento e picchi di indurimento secondario

La prima porzione discendente di una curva riflette comunemente il normale rammollimento da rinvenimento. Quando la martensite allo stato temprato perde carbonio sovrasaturo e tensioni interne, la sua durezza generalmente diminuisce. Una diminuzione può quindi indicare la formazione di carburi e il recupero della matrice, ma può anche comprendere la trasformazione dell’austenite residua o una variazione della frazione volumica delle fasi dure. Una regione quasi piatta non dimostra che “non stia accadendo nulla”. Possono verificarsi diverse reazioni mentre i loro effetti sulla durezza misurata si compensano parzialmente.

Un successivo aumento è il caratteristico avvertimento contro l’interpretazione del rinvenimento come un rammollimento continuo. Negli acciai per utensili altolegati, ASM International afferma che l’indurimento secondario è prodotto dalla precipitazione di carburi fini di lega, compresi i carburi associati a molibdeno, vanadio e tungsteno. Queste particelle rafforzano la matrice rinvenuta, mentre una precipitazione più intensa generalmente aumenta la resistenza a un ulteriore rinvenimento. L’aumento può essere particolarmente importante negli acciai superrapidi e negli acciai per stampi da lavorazione a caldo, sebbene il suo intervallo di temperatura e la sua entità siano specifici del grado di acciaio e non proprietà fisse della categoria di acciaio.

Uno studio del 1930 del National Institute of Standards and Technology sugli acciai superrapidi riportava che “l’intensità del picco di indurimento secondario aumenta con il grado di austenitizzazione”. Questo risultato ha una conseguenza diretta per l’interpretazione: due curve relative ad acciai nominalmente identici possono mostrare picchi diversi se un provino è stato austenitizzato più severamente, ha dissolto una quantità maggiore di carburi di lega o ha conservato una quantità diversa di austenite. Non trasferire un picco dell’acciaio superrapido AISI M2 a un altro acciaio superrapido, né quello dell’AISI H13 a un altro grado per lavorazione a caldo, senza verificare la corrispondenza della storia termica.

Il tempo è importante quanto la temperatura. Il metodo di J. H. Hollomon e L. D. Jaffe del 1945 mette in relazione il tempo di rinvenimento, la temperatura e la composizione con la struttura e le proprietà sviluppate nell’acciaio temprato. Il parametro comunemente scritto T(log t + c) quantifica il grado di rinvenimento della martensite; la temperatura è normalmente la temperatura assoluta, il tempo è il tempo di esposizione e c rappresenta una costante dipendente dalla composizione e dalla risposta del materiale. Questo parametro può collocare cicli diversi in una condizione nominale equivalente di rinvenimento, ma non elimina le differenze nella velocità di riscaldamento, nella microstruttura preesistente, nell’austenitizzazione, nelle dimensioni della sezione o nella risposta della lega.

Uno studio sottoposto a revisione paritaria del 2013 sull’acciaio per utensili H13 ribadisce tale limitazione. Il suo metodo prevedeva risposte di durezza diverse per cicli isotermi, a riscaldamento lento e a riscaldamento rapido, compreso il comportamento di indurimento secondario. Un ciclo in forno che impiega alcuni minuti per attraversare un intervallo di precipitazione non è necessariamente equivalente a un passaggio istantaneo alla temperatura finale.

Durezza di picco rispetto alle proprietà utili in esercizio

Il punto più alto del grafico rappresenta soltanto la durezza massima misurata secondo quella procedura di prova. Non corrisponde automaticamente alla condizione di rinvenimento migliore. La durezza secondaria di picco può essere accompagnata da una tenacità ridotta, da una maggiore sensibilità alla fessurazione, da tensioni residue o da variazioni dimensionali dovute alla trasformazione dell’austenite residua. La resistenza all’usura può migliorare in una determinata condizione di contatto mentre diminuiscono la resistenza alla fatica termica o le prestazioni all’urto.

Un acciaio per stampi può richiedere una durezza inferiore al suo massimo di indurimento secondario per ottenere una tenacità e una stabilità dimensionale accettabili. Al contrario, un utensile che opera a caldo può trarre vantaggio dalla resistenza al rammollimento anche quando la sua durezza a temperatura ambiente non è la massima disponibile. La sola durezza dice inoltre poco sulla tenacità a frattura, sulla duttilità a trazione, sulla fatica termica, sulle deformazioni o sul rammollimento indotto dall’esercizio. La curva deve quindi essere interpretata insieme ai dati relativi a urto, trazione, tenacità, dimensioni e applicazione specifica.

Per gli acciai temprati per induzione, l’ASM Handbook Volume 4C confronta le correlazioni di Hollomon–Jaffe e Grange–Baughman come rappresentazioni di condizioni equivalenti di tempo–temperatura. “Equivalente” significa equivalente nell’ambito del materiale sottoposto a prova e dell’intervallo del modello, non intercambiabile per ogni acciaio o percorso di riscaldamento. Analogamente, uno studio del 2013 pubblicato nel Journal of Materials Processing Technology ha utilizzato il parametro di rinvenimento — detto anche parametro di Hollomon–Jaffe o di Larson–Miller — per correlare l’esposizione con la variazione di durezza negli acciai per stampi da forgiatura a caldo e a tiepido. Tali correlazioni organizzano i dati; non forniscono valori di durezza garantiti né temperature di picco fisse.

Indicazione del grado di acciaio, delle condizioni e del metodo di prova

Una curva utile deve indicare la designazione esatta dell’acciaio e la norma di riferimento, come AISI H13 o AISI M2, insieme alla specifica applicabile, come ASTM A681 ove pertinente. Indicare la composizione chimica quando è nota, compresi il carbonio e i principali elementi formatori di carburi. Specificare se il materiale era ricotto, normalizzato, temprato e rinvenuto o sottoposto ad altri trattamenti prima dell’esperimento.

Il verbale del trattamento termico dovrebbe riportare la temperatura di austenitizzazione, il tempo di permanenza, l’atmosfera, le dimensioni del provino, la velocità di riscaldamento, il mezzo di tempra e il ritardo prima della tempra. Indicare la temperatura di rinvenimento, il tempo alla temperatura, la velocità di riscaldamento, il metodo di raffreddamento e il numero di cicli di rinvenimento. Specificare la posizione del provino — superficie, centro, sezione trasversale, sezione longitudinale o altra posizione definita — poiché le dimensioni della sezione e i gradienti termici possono modificare il risultato.

Infine, identificare il metodo e la scala di durezza: per esempio HRC, HV o HBW; penetratore e carico, ove applicabile; preparazione della superficie; temperatura di prova; numero e dispersione delle letture. In assenza di questi dettagli, una curva può descrivere un esperimento reale, ma rimanere non idonea a un confronto sicuro. Un picco di durezza costituisce una prova relativa a un determinato acciaio, a una determinata condizione e a un determinato metodo di misurazione, non una regola generale per tutti i trattamenti di rinvenimento.

Quadro di riferimento: una specifica di rinvenimento difendibile

Definire il materiale e la condizione iniziale

Una specifica di rinvenimento non è difendibile a meno che non identifichi con precisione l’acciaio. Indicare esattamente, ove applicabile, il grado, la norma di prodotto, la norma di trattamento termico e la designazione: per esempio, ASTM A681 H13, UNS T20813 o un’altra designazione richiesta dalla specifica applicabile. Non scrivere soltanto “acciaio per utensili” o “acciaio temprato”. La composizione chimica determina il carbonio disponibile, gli elementi di lega formatori di carburi e gli elementi residui, mentre le dimensioni della sezione e le lavorazioni precedenti influenzano la struttura che risponderà al rinvenimento.

È necessario registrare anche la condizione metallurgica iniziale. Indicare se il materiale è ricotto, normalizzato, temprato e non rinvenuto oppure già rinvenuto, includendo la durezza precedente quando nota. Per una condizione temprata, documentare la temperatura di austenitizzazione, il tempo di permanenza, l’atmosfera del forno, il tempo di trasferimento e il mezzo di tempra. L’agitazione del mezzo di tempra, l’interruzione della tempra e l’intensità del raffreddamento possono modificare l’austenite trattenuta, la morfologia della martensite, le tensioni residue e il potenziale di precipitazione. Un secondo rinvenimento applicato a un acciaio già rinvenuto non è equivalente al primo, anche quando la temperatura del forno e il tempo di permanenza coincidono.

ASM Handbook Volume 4A definisce il rinvenimento come “il riscaldamento dell’acciaio temprato o normalizzato a una temperatura inferiore alla temperatura critica inferiore”. Questa definizione stabilisce il limite del processo, non una ricetta universale. La stessa fonte identifica la temperatura di rinvenimento, il tempo, il tenore di carbonio, il tenore degli elementi di lega e gli elementi residui come fattori che controllano la microstruttura e le proprietà risultanti.

Specificare il ciclo termico

Descrivere il ciclo come una sequenza, non come una singola temperatura nominale. La specifica deve indicare la temperatura obiettivo e l’intervallo ammissibile, la velocità di riscaldamento o la rampa del forno, il metodo utilizzato per misurare la temperatura del carico, il tempo alla temperatura, il numero di cicli di rinvenimento e il metodo di raffreddamento. “Rinvenire a 550 °C per due ore” lascia senza risposta questioni importanti se il pezzo raggiunge lentamente i 550 °C, se la termocoppia misura l’aria del forno anziché il carico o se il raffreddamento avviene in aria calma, in aria forzata o in un altro mezzo controllato.

Il rinvenimento è un processo accoppiato. Il U.S. Department of Energy descrive la diffusione del carbonio, la formazione di carburi, la decomposizione dell’austenite e il recupero come parti concorrenti o sequenziali della risposta. Il rinvenimento ordinario degli acciai al carbonio produce spesso una riduzione della durezza, mentre la martensite sovrasatura si decompone e il recupero procede. Gli acciai per utensili altolegati possono comportarsi diversamente: ASM International afferma che l’indurimento secondario è prodotto dalla precipitazione di carburi fini di lega, compresi i carburi associati a molibdeno, vanadio e tungsteno. Una precipitazione più intensa può aumentare la resistenza al rammollimento da rinvenimento e produrre un picco di durezza.

Tale picco deve essere considerato una normale risposta metallurgica, non un risultato anomalo della prova. Uno studio del National Institute of Standards and Technology pubblicato nel 1930 riportava che “l’intensità del picco di indurimento secondario aumenta con il grado di austenitizzazione”. Il risultato non stabilisce un’unica temperatura di picco per ogni grado. Un’austenitizzazione più estesa può modificare la dissoluzione degli elementi di lega, l’austenite trattenuta e la quantità di soluto disponibile per la precipitazione successiva.

I parametri tempo-temperatura aiutano a confrontare i cicli, ma non sostituiscono la specificazione di un ciclo. Il metodo del 1945 di J. H. Hollomon e L. D. Jaffe mette in relazione il tempo di rinvenimento, la temperatura e la composizione con la struttura e le proprietà sviluppate nell’acciaio temprato. Nella forma comunemente utilizzata, il parametro è espresso come T(log t + c), dove la temperatura assoluta, il tempo e una costante correlata alla composizione vengono utilizzati per quantificare il grado di rinvenimento della martensite. Un parametro equivalente non elimina le differenze nella velocità di riscaldamento, nella microstruttura iniziale, nella pratica di austenitizzazione, nelle dimensioni della sezione o nella risposta della lega.

Questa limitazione è particolarmente importante per il riscaldamento non isotermo. Uno studio sottoposto a revisione paritaria del 2013 sull’acciaio per utensili H13 ha confrontato cicli isotermi, a riscaldamento lento e a riscaldamento rapido, prevedendo risposte di durezza differenti, compreso il comportamento di indurimento secondario. Anche ASM Handbook Volume 4C confronta le correlazioni di Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman per gli acciai induriti per induzione; entrambe possono rappresentare condizioni tempo-temperatura equivalenti, ma la correlazione non dimostra che due cicli fisici producano microstrutture identiche. Uno studio del 2013 sugli acciai per stampi per forgiatura a caldo e a tiepido ha utilizzato il parametro di rinvenimento — chiamato anche parametro di Hollomon-Jaffe o di Larson-Miller — per mettere in relazione il tempo di esposizione e la temperatura con la variazione di durezza. Tale parametro è uno strumento di confronto, non un’autorizzazione a omettere la storia del riscaldamento.

Convalidare il risultato rispetto all’insieme di proprietà previsto

La specifica deve definire il significato dell’accettazione. Indicare la scala di durezza richiesta, il metodo di prova, il carico, i punti di misurazione e l’intervallo ammissibile. Per un componente di grandi dimensioni o indurito con gradiente, specificare i punti superficiali, interni e intermedi, anziché riportare una sola lettura conveniente. Registrare il diagramma effettivo di rinvenimento e la temperatura del carico, poiché il solo setpoint del forno non può dimostrare la conformità.

La verifica della durezza dovrebbe essere abbinata all’esame microstrutturale quando il grado, il rischio di esercizio o la risposta di indurimento secondario lo giustifichino. L’esame può valutare la martensite rinvenuta, la precipitazione di carburi di lega, l’austenite trattenuta, la bainite, la decarburazione e le cricche da tempra. Le evidenze metallografiche non consentono di identificare ogni composizione dei carburi mediante microscopia ottica; pertanto, quando le prestazioni dipendono da questo aspetto, la composizione o la distribuzione dei carburi può richiedere metodi a maggiore risoluzione. Anche le variazioni dimensionali, la tenacità o le prove delle tensioni residue possono rientrare nell’insieme di proprietà; la sola durezza non può stabilire che un rinvenimento sia idoneo.

Un quadro di riesame conciso è quindi il seguente: identificare il grado esatto e la designazione applicabile; indicare la condizione metallurgica iniziale; documentare l’austenitizzazione e la tempra; definire la temperatura di rinvenimento, il tempo, la velocità di riscaldamento, il numero di cicli e il metodo di raffreddamento; quindi verificare la durezza e, ove richiesto, la microstruttura rispetto ai criteri di accettazione dichiarati. La specifica dovrebbe riconoscere che diffusione, precipitazione, decomposizione e recupero interagiscono. Il rammollimento continuo è uno degli esiti possibili, non la regola determinante per ogni acciaio.

Riferimenti

1. [1]ASM International. Tempering of Induction-Hardened Steels. ASM Handbook Volume 4C, 2024. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/11/chapter-abstract/127400/Tempering-of-Induction-Hardened-Steels
2. [2]J. H. Hollomon, L. D. Jaffe. Transformation of Austenite: Time-Temperature Relations in Tempering Steel. Metals Technology, 1945. https://onetunnel.org/documents/transformation-of-austenite-time-temperature-relations-in-tempering-steel-metals-technology-september-1945-with-discussion-
3. [3]University of Arizona publication record. Hardness of H13 Tool Steel After Non-Isothermal Tempering. Peer-reviewed publication record, 2013. https://experts.arizona.edu/en/publications/hardness-of-h13-tool-steel-after-non-isothermal-tempering/