Issue 18

D. Firrao et alii, Frattura ed Integrità Strutturale, 18 (2011) 54-68; DOI: 10.3221/IGF-ESIS.18.06 55 I NTRODUZIONE e norme di impiego degli acciai si susseguono a ritmo serrato in questi primi anni 2000. Non sempre esse riflettono il progresso scientifico e le regole di buona tecnica. Anche quando esse sono sufficientemente aggiornate per quanto concerne le prescrizioni, può apparire non chiaro il complesso di ragioni che ne sono alla base. Ad esempio, è stata recentemente pubblicata la Norma ISO 898 -1 EDIZIONE 2009 “Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel”. Rispetto a norme precedenti (UNI EN ISO 898-1 . Edizione 2001), essa prescrive per gli elementi di collegamento di classe 8.8 la possibilità di utilizzare acciai legati allo stato bonificato (temprato e rinvenuto). Viene indicato che per gli acciai utilizzati per tale classe la temprabilità deve essere sufficiente per assicurare il 90% di martensite a cuore della parte filettata dell’elemento di collegamento nella condizione di piena tempra, prima del rinvenimento. Per comprendere le motivazioni tecniche di tale prescrizione e le implicazioni sulle prestazioni e l’affidabilità dei manufatti conviene riprendere le conoscenze che sono alla base dell’ottenimento di diverse strutture durante la tempra degli acciai. Strutture metallografiche derivanti dal processo di tempra classico E’ noto dallo studio delle curve CCT che il processo di tempra degli acciai porta alla formazione di martensite in una determinata zona di un pezzo di dimensioni ingegneristiche solo se la velocità di raffreddamento di tale zona è superiore alla velocità critica di tempra. Per velocità inferiori non si ha più la formazione di una struttura completamente martensitica, ma si ottengono percentuali progressivamente inferiori di tale costituente metallografico. Se, infine, la velocità di raffreddamento è più bassa della velocità critica inferiore non si ha più la possibilità di ottenere martensite, ma solo ferrite proeutettoidica e perlite. Per velocità intermedie fra la velocità critica di tempra e la velocità critica inferiore si hanno zone a struttura mista. Negli acciai al solo carbonio si hanno quantitativi variabili di martensite e bainite oltre che ferrite proeutettoidica e perlite; di solito i 4 costituenti metallografici sono contemporaneamente tutti presenti; solo per acciai con un tenore di carbonio fra lo 0,45% e lo 0,70% vi è infatti un campo ristretto di velocità di raffreddamento appena inferiori alla velocità critica di tempra che genera zone con compresenza solo di martensite, prevalente, e bainite in quantità molto limitata. Nel campo degli acciai legati invece, passando da velocità di raffreddamento uguali alla velocità critica di tempra a velocità più basse e fino alla velocità critiche inferiori, si ha dapprima un campo di velocità che genera martensite e bainite, poi un campo seguente nel quale si origina compresenza di martensite, bainite e ferrite proeutettoidica e poi un ultimo campo nel quale la struttura finale del processo di tempra presenta tutti e quattro i costituenti metallografici sopra riportati. Quanto sopra si riferisce ad acciai di composizione ipoeutettoidica. Per quelli di composizione eutettoidica o quasi eutettoidica (C=0,75-0,85% negli acciai al solo carbonio, tenori inferiori negli acciai legati) ovviamente viene a mancare la ferrite proeutettoidica. Per gli acciai ipereutettoidici il processo di tempra classico genera anche altri costituenti, tipo carburi. In un componente a simmetria cilindrica fabbricato con acciaio, sottoposto al processo di tempra, le teorie della diffusione del calore indicano che passando dalla superficie verso l’interno si ha una progressiva diminuzione della velocità di raffreddamento. 1 La velocità di raffreddamento in superficie può essere superiore alla velocità critica di tempra se il pezzo non è di grandi dimensioni e se la capacità raffreddante del fluido di tempra utilizzato è adeguata. Se ci si trova in tali condizioni, il corretto processo di tempra di acciai di composizione ipoeutettoidica porta ad uno strato superficiale costituito per il 100% da martensite, seguito, a seconda dei casi sopra riportati, da zone a struttura mista con due, tre, quattro costituenti metallografici, fino a che martensite e bainite scompaiono lasciando il campo solo a ferrite proeutettoidica e perlite o a solo perlite se ci si avvicina alla composizione eutettoidica. L’estensione relativa delle zone sopra descritte deriva dalle dimensioni complessive del pezzo, dalla capacità raffreddante del fluido di tempra e dalla temprabilità dell’acciaio, cioè dalla sua attitudine a prendere tempra. La temprabilità aumenta quanto più sono bassi i valori specifici della velocità critica di tempra e della velocità critica inferiore, valori che dipendono a loro volta dalla composizione. Se in un acciaio di composizione eutettoidica al solo carbonio i due valori valgono rispettivamente 100 °C/s e 22 °C/s, essi salgono a valori di 175 °C/s e 28 °C/s per un acciaio con lo 0,45% di carbonio. Invece per un acciaio legato tipo 40NiCrMo7 (norma UNI EN 10083) la velocità critica di tempra vale 8,4 °C/s e quella critica inferiore 0,0062 °C/s. E’ immediatamente evidente che aumentando il contenuto di carbonio e utilizzando acciai legati è possibile diminuire la velocità di raffreddamento critica di tempra e quindi riuscire a temprare completamente componenti meccanici di 1 Nella trattazione si trascura quanto succede nelle sezioni circolari terminali del componente fino alla distanza di almeno un diametro dalla estremità. L