Sotto sforzo, gli acciai fragili e quelli tenaci si comportano assaidiversamente in presenza di intagli, anche se il loro carico disnervamento è pressoché uguale. Un normale acciaio commer.

ciale si allunga di poco e poi subisce una rottura (a sinistra).Uno dei nuovi acciai sviluppati in laboratorio dagli autori (adestra), si comporta molto meglio in quanto è molto più tenace.

Acciai duttili ma resistenti

Migliorare la resistenza meccanica di un acciaio tradizionale significaaumentarne contemporaneamente la fragilità. Le attuali conoscenze sullostato solido consentono oggi di ottenere leghe dalle proprietà eccezionali.

di Earl R. Parker e Victor F. Zackay

Nell'effettuare le prove meccanicheche danno le caratteristiche di resisten-za a trazione e di duttilità degli acciai,si riportano in diagramma il valore delcarico di snervamento convenzionale infunzione dell'allungamento di un provi-no sottoposto a trazione (si vedano leillustrazioni in basso a pag. 76). Il ca-rico di snervamento convenzionale èuna grandezza correlafa alla capacitàdi sopportare un carico utile e è ugua-le al numero di chilogrammi necessaria indurre in un tondo di sezione notauna piccola deformazione permanente(in genere corrispondente allo 0,2 %della lunghezza iniziale del provino);

l'unità di misura del carico di snerva-mento è il chilogrammo al millimetroquadrato (kg/mm2).

L'allungamento, a sua volta, è cor-relato alla duttilità e in questo caso rap-presenta il valore dello stiramento di unprovino prima che intervenga la rottu-ra. L'allungamento è determinato sotto-ponendo a trazione un provino, fino aprovocarne la rottura, e il suo valore èdato dalla distanza intercorrente, dopola prova, tra due tacche che, sul provi-no originale, erano a una distanza nota.Nella barra sottoposta a trazione le duetacche di misura tendono evidentemen-te ad allontanarsi, e appunto il valore

dell'entità dello spostamento (W) divi-so per la distanza (lo) dà il valore del-l'allungamento (Al/le), espresso in va-lore percentuale.

Come si è detto, quando la resistenzameccanica dell'acciaio è accresciuta,grazie all'aggiunta di opportuni alligantie a trattamento termico, la duttilità ten-de a scemare all'aumentare della resi-stenza. Questo spiega la riluttanza dimolti progettisti a impiegare materialiche abbiano allungamenti più bassi del10 %, in quanto molto spesso materialicon queste caratteristiche si rompono inmaniera imprevedibile. Pertanto il limi-te superiore del carico di snervamento

I

materiali dotati di alta resistenzameccanica sono, di norma, moltofragili, e anche gli acciai non si sot-

traggono a questa dura legge. Cosí nor-malmente abbiamo a disposizione siaacciai molto resistenti ma difficilmenteimpiegabili per la loro fragilità sia ac-ciai molto ben lavorabili ma irrimedia-bilmente a bassa resistenza meccanica.Solo il notevolissimo progresso nellaconoscenza dell'intima natura dei soli-di, verificatosi negli ultimi anni, ha per-messo il recente sviluppo di acciai conun'alta resistenza accoppiata a una buo-na duttilità. Nel gergo d'oltre oceanoqueste leghe vengono chiamate tripsteels, da transformation-induced plasti-city steels, cioè acciai la cui plasticitàè dovuta a una trasformazione.

La nuova classe di acciai è il risul-tato tangibile dei tentativi dei metallur-gisti di dare una risposta positiva alquesito : t possibile far coesistere in unmateriale tenacità e duttilità? I primitentativi per risolvere questo problemanon portarono a risultati incoraggianti,forse perché fino a pochi anni fa si sa-peva ben poco sui fenomeni fondamen-tali che governano il comportamentomeccanico dei solidi. Ma via via che,nel corso degli ultimi vent'anni, si pro-grediva in questo campo, divenne pos-sibile applicare teorie quantitative peranalizzare il comportamento dei solidiin corrispondenza di variazioni control-late della loro struttura interna.

Tipico è quanto si è verificato per lafrattura, fenomeno che incombe peren-nemente sulle realizzazioni degli inge-gneri e sul lavoro dei metallurgisti. Ba-sta pensare alla vastità dei problemi chela frattura coinvolge, a partire dalle ca-tastrofiche rotture di ponti, serbatoi,condotte, parti di macchine, per capirel'utilità di conoscere dettagliatamente iprocessi che presiedono alla rottura deilegami tra gli atomi del metallo prece-dentemente organizzati nei cristalli.

D'altra parte, sia con il calcolo, sia conopportuni esperimenti, si sa da tempoche i metalli impiegati correntementepotrebbero avere resistenza meccanicaanche dieci volte superiore a quella chein realtà possiedono. La speranza di da-re un significato pratico a questo risul-tato sembrava tuttavia remota, in quan-to l'esperienza mostrava che ogniqual-volta un materiale raggiungeva alte pre-stazioni, grazie alla formazione di legheo a opportune lavorazioni, parallela-mente diveniva cosí fragile da compro-mettere il suo impiego pratico.

È quindi naturale che si imponesserodomande di fondo sul perché i materialiacquistando in tenacità diventino fragi-li, oppure sulla possibilità di migliorarele proprietà meccaniche dei materialicorrenti, senza renderli inutilizzabili perla loro fragilità. Come abbiamo già ac-cennato, solo l'applicazione delle cono-scenze teoriche accumulate sullo scor-rimento e la frattura può dare le rispo-ste desiderate. La storia dei trip steelsè un esempio del tipo di indagine da ap-plicare ai materiali, e è auspicabile cheun simile modo di procedere sia in gra-do di definire, in un prossimo futuro, lereali possibilità (resistenza meccanica eduttilità) di tutti i materiali.

Gli acciai sono stati scelti come ogget-to di studio per una serie di motivi.

Innanzitutto essi sono, tra i materialimetallici, i meno costosi e i più larga-mente impiegati, e inoltre sono anchei più versatili. Il termine acciai designaleghe di ferro e carbonio (contenentispesso altri elementi quali il nichel, ilcromo e il molibdeno) la cui strutturacristallina è diversa secondo l'intervallodi temperature considerato. A bassatemperatura gli atomi di ferro sono di-sposti secondo lo schema noto come re-ticolo cristallino cubico a corpo centra-to, mentre alle alte temperature la di-sposizione degli atomi muta e assume

la struttura cubica a facce centrate (siveda la figura in alto a pagina 76).

Gli atomi di carbonio sono abbastan-za piccoli per collocarsi negli interstizitra gli atomi di ferro, nel caso del reti-colo cubico a facce centrate; se la legasi trova invece a bassa temperatura, lastruttura cristallina cubica a corpo cen-trato, che le compete, non lascia inter-stizi abbastanza larghi per il carbonio.Tutto questo porta a una solubilità delcarbonio nel ferro ad alta temperatura,mentre a temperature basse il carbonioviene segregato fuori dal reticolo. Quan-do la lega si raffredda il carbonio pre-cipita non come elemento ma comecarburo di ferro, Fe3C (chiamato ce-mentite). Quest'ultimo è un compostomolto duro e, quando è presente nellalega, ostacola notevolmente i movimen-ti dei piani di atomi, che tendono ap-punto a scivolare l'uno sull'altro quan-do il materiale viene sollecitato; in as-senza di carbonio invece il movimentodei piani è molto più libero.

Appare evidente come sia possibile,intervenendo sulla composizione, rego-lare la quantità di carburo presente nel-la lega e, parallelamente, come sia age-vole ottenere il precipitato di carburoin dimensioni opportune, operando trat-tamenti termici in condizioni control-late. Per questa via si riesce a interve-nire sulla durezza e sulla tenacità di unacciaio, variandole anche di un fattorequattro o cinque. Con questo modo diprocedere classico non si ovvia però alsolito inconveniente, cioè la perdita diduttilità, o infragilimento, che va di pa-ri passo con l'aumento della resistenzameccanica. Il primo passo per aggirarel'ostacolo è legato alla conoscenza, a li-vello microscopico, del meccanismo cheporta alla fragilità; supponendo di ac-quisire tale nozione, è necessario poistudiare come si possa intervenire peraumentare la duttilità dell'acciaio ad al-ta resistenza meccanica.

74 75

La disposizione degli atomi di ferro negli acciai può essere didue tipi. A temperature tra 910 e 1400°C è stabile la strutturacubica a facce centrate (a sinistra), mentre a bassa temperatura

si ha un reticolo cubico a corpo centrato (a destra). Gli atomi dicarbonio possono dissolversi ad alta temperatura in una strutturaa facce centrate che è meno compatta di quella a corpo centrato.

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Le placche di carburo di ferro (Fe 3 C) presenti in questo acciaio hanno l'aspetto di bandedisposte parallelamente le une alle altre e intervallate da una matrice (aree scure) diferro. Questa microstruttura è ottenibile con un raffreddamento lento dell'acciaio, pre-cedentemente portato al rosso, in modo che gli atomi di carbonio siano sciolti nelferro. Il carburo è un composto duro e fragile, per cui l'acciaio che lo contiene informa di bande tende facilmente a fratturarsi. L'ingrandimento è di 2000 diametri.

In questo acciaio, il carburo di ferro ha la forma di particelle sferiche, ottenute graziea una tempra in acqua fredda a partire da alta temperatura, e a un ulteriore tratta-mento a 300-400°C. Il carbonio, in soluzione ad alta temperatura, non ha il tempo diprecipitare a causa della tempra (soprassaturazione l; la ricottura successiva favoriscela precipitazione di particelle sferiche di carburo di ferro. Questa forma del carburorende l'acciaio meno fragile di quanto non sia quando il carburo ha la forma di placche.

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La resistenza e la duttilità degli acciai commerciali hanno il limite superiore nella zonacolorata. Il carico di snervamento è una misura convenzionale della resistenza valutatasu provini di sezione unitaria; l'allungamento è invece una misura della duttilità.

Provini per prove di trazione. Nel provinodi destra, rotto per trazione, è evidente lastrozzatura prodottasi prima della rottura.

10 20 30

ALLUNGAMENTO TOTALE (PERCENTUALE)

degli acciai viene in pratica considerato140 chilogrammi al millimetro quadra-to. I metallurgisti hanno a lungo dibat-tuto quale fosse da ritenere il limite su-periore della duttilità, cioè di una pro-prietà influenzabile in maniera determi-nante da mutamenti della struttura in-terna del materiale. Una teoria mate-matica, nota come meccanica dei con-tinui, fornisce un utile approccio al pro-blema, molto più di quanto non lo pos-sa una teoria basata sul legame atomicoe la struttura cristallina. La meccanicadei continui, che può essere applicataa qualsiasi materiale omogeneo le cuiproprietà siano le stesse in tutte le dire-zioni, può essere impiegata nel predireil comportamento complessivo di un ac-ciaio o di un altro metallo.

L'andamento della duttilità di un me-tallo è condizionato in maniera deter-minante dalla microstruttura del mate-riale più che dalla sua struttura, consi-derata a livello atomico. Va subito pre-cisato che il termine microstruttura in-dica tutte quelle particolarità strutturalirilevabili in un materiale con l'ausiliodi un microscopio ottico, vale a dire vi-sibili a ingrandimenti compresi tra cen-to e tremila circa. Alcuni esempi tipicidi fenomeni classificati nel campo dellamicrostruttura sono riportati nelle duemicrofotografie in questa pagina; in en-trambe si può notare la presenza di car-buro di ferro entro una matrice costitui-ta essenzialmente da atomi di ferro. Èpiù che evidente come uno stesso feno-meno, cioè la presenza di un precipita-to, possa manifestarsi in forme diverse;mentre in un caso il carburo forma del-le placche, nell'altro forma piccole par-ticelle sferoidali. La cosa più sorpren-dente è però il fatto che uno stesso ac-ciaio può, a seconda del trattamentotermico subito, presentare ambedue lemicrostrutture. Un raffreddamento len-to, a partire da alta temperatura, portaalla formazione delle placche, mentreun brusco raffreddamento seguito da unriscaldamento a bassa temperatura per-mette la formazione di sfere.

Il carburo di ferro è un composto in-termetallico, cioè appartiene a una clas-se di composti molto duri, ma anchemolto fragili; è intuitivo allora che leplacche di carburo si rompono facil-mente in un acciaio sollecitato a trazio-ne o piegatura. Sottoponendo dunque ilmateriale a tensioni continuate se ne ot-tiene la rottura, in quanto il ferro com-preso tra le due placche, per quantoduttile, tende a lacerarsi sotto l'azionedelle microscopiche crepe, proprio co-me un foglio di carta forata si lacera incorrispondenza dei fori. Ben diverso sipresenta il comportamento dello stessoacciaio, contenente però il carburo informa di sfere disperse; per capirlo ba-

sta ricordare come una piccola pallinadi vetro, o di un qualsiasi altro mate-riale fragile, possa impunemente cadereda una finestra su un marciapiede, rim-balzando e restando intatta, mentre unalastrina di vetro dello stesso peso, sotto-posta al medesimo trattamento, andreb-

be in mille pezzi. Un metodo, seppureparziale, per controllare la duttilità cipuò dunque venire dall'esame metallo-grafico della microstruttura. Come con-ferma basta dire che tutti gli acciai adalta resistenza hanno una microstrut-tura del tipo a carburi sferoidali. D'al-

76 77

DEFORMAZIONE AL CARICO MASSIMO

CARICO DI SNERVAMENTO

DEFORMAZIONEPLASTICA

>r< LOCALEDEFORMAZIONE PLASTICA UNIFORME

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DISTANZA TRA I RIFERIMENTI (cm)

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PROVINOORIGINALE

CARICOAPPLICATO

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DEFORMAZIONE E (VARIAZIONE DI LUNGHEZZA/LUNGHEZZA ORIGINALE)

La curva che riporta la deformazione in funzione della sollecitazione dà un indice dimolte caratteristiche dell'acciaio. Per ottenerla si impone un carico crescente a un pro-vino, fino a provocarne la rottura. In ordinata è riportata la sollecitazione cr, in ascissala deformazione E. Dapprima il metallo ha un comportamento elastico e la relazione trasforzo e deformazione è lineare, ma raggiunto il carico di snervamento si hanno le con-dizioni perché interi piani di atomi scorrano gli uni sugli altri, provocando una defor-mazione permanente. Contemporaneamente si verifica l'incrudimento che aumenta finoal carico massimo. Nel campione si forma allora una strozzatura che porta alla rottura.

DEFORMAZIONE DEFORMAZIONE DEFORMAZIONEUNIFORME NON UNIFORME UNIFORME

Il valore della deformazione dipende dalla distanza iniziale tra le tacche di riferimento;la deformazione non è quindi una misura fedele della duttilità del metallo. La curvamostra come la deformazione, alla frattura, varia in funzione della distanza tra letacche; minore è questa distanza, maggiore è l'allungamento e quindi la deformazione.

tra parte la taglia delle particelle e illoro volume totale hanno una grandeinfluenza sul carico di snervamento,mentre altri elementi alliganti quali ni-chel, cromo, molibdeno, non hanno ef-fetti significativi sulla curva carico disnervamento-allungamento. Questo fa siche tutti gli acciai commerciali, dopoun trattamento termico per ottenereuno stesso tipo di microstruttura, abbia-no proprietà meccaniche molto simili.

A questo punto può forse sembrareche non siamo in grado di influire sullarelazione intercorrente tra carico disnervamento e allungamento. Un esamepiù attento può, tuttavia, rivelare che laduttilità misurata attraverso l'allunga-mento porta a conclusioni errate. Infat-ti, quando un provino è portato a rot-tura per trazione, non si allunga unifor-memente entro lo spazio compreso trale tacche (riferimento per la misura del-l'allungamento), anzi la deformazione ènotevolmente non uniforme.

Guardiamo ora più da vicino le va-riazioni di diametro e lunghezza che siingenerano in un provino cilindricomentre viene gradualmente sottoposto atrazione (si veda la figura qui accan-to). La forma della barra cambia viavia che aumenta la sollecitazione, e pa-rallelamente si può costruire una curvache riporta la deformazione (s, in ascis-sa) in funzione delle sollecitazioni (a,in ordinata). Queste ultime sono espres-se come carico specifico, cioè medianteil carico applicato (la cui unità è nor-malmente il chilogrammo) diviso per lasezione della superficie trasversale delprovino prima di qualsiasi deformazio-ne (normalmente riportata in mm 2); ledeformazioni sono al solito determinatedividendo l'aumento di distanza tra letacche di riferimento (Al) per la lorodistanza iniziale (1.). La curva sollecita-zione-deformazione è in grado di rive-lare interessantissime proprietà del ma-teriale. Il primo tratto (partendo dalpunto O), rettilineo e molto inclinato,rappresenta un comportamento elasticodel materiale, cioè la deformazione in-dotta dal carico non è permanente e ilprovino riacquisterebbe la forma origi-nale qualora il carico venisse allontana-to. Il tratto elastico termina nel puntocorrispondente al carico di snervamen-to, e, al di là di questo, qualsiasi defor-mazione indotta nel materiale divienepermanente; usualmente essa viene chia-mata deformazione plastica. La curva,entrando nel campo plastico, sale rapi-damente fino a un punto di massimocorrispondente a un valore del carico,chiamato carico massimo, oltre il qualecala rapidamente, in corrispondenza diun'incipiente rottura del provino. Du-rante la deformazione oltre il punto cor-rispondente al carico di snervamento, si

verificano due importantissimi fenome-ni: il primo viene chiamato incrudi-mento e corrisponde a un aumento diresistenza meccanica del materiale alprocedere della deformazione; il secon-do, chiamato strizione e illustrato nellaparte superiore della figura, si verificaquando il carico supera il valore mas-simo; esso è costituito dalla formazionedi una strozzatura nel provino, in quan-to non si ha più una deformazione uni-forme su tutta la sua lunghezza. Com-parendo la strizione, lo scorrimento pla-stico viene localizzato in una piccolaregione del provino, in cui l'area dellasezione si è rimpicciolita e la fratturafinale si va appunto a localizzare in cor-rispondenza della strozzatura.

Enaturale chiedersi perché si verifi-chi la strizione che, come abbiamo

detto, costituisce un arresto dell'allun-gamento uniforme e la formazione diuna strozzatura. Anche qui la meccani-ca dei continui ci dà una risposta :quando il carico aumenta, il provino,grazie allo scorrimento plastico, si al-lunga e contemporaneamente vede ri-dursi la sua sezione. Lo scorrimento nonriesce mai del tutto uniforme e qualchepiccola zona, lungo il campione, risen-te in maggior misura delle sollecitazio-ni. È evidente che questo avviene perun addensamento delle tensioni, per cuisubito la piccola zona diverrebbe piùvulnerabile alla frattura, se non inter-venisse il fenomeno dell'incrudimento arinforzare proprio questa zona. In so-stanza, nelle piccole zone, l'incrudimen-to raggiunge livelli cosí alti da bloccar-ne lo scorrimento plastico fino a quan-do tutte le altre zone, nella lunghezzadel provino, non l'hanno raggiunto co-me entità di deformazione. All'aumen-tare del carico questo processo elemen-tare si verifica continuamente, durantela prova, or qua or là, garantendo l'uni-formità dell'allungamento. L'incrudi-mento però non è costante, ma la sua« velocità » decresce con l'aumentaredel carico, fino a che, in prossimità delcarico di rottura, non riesce più a bloc-care lo scorrimento plastico nelle zonea tensione maggiore. Queste zone allorasi allungano, e quindi si restringono insezione, dando luogo alla zona di stri-zione; per il provino, visto nel suo in-sieme, l'effetto è quello di aver raggiun-to il massimo del carico specifico e inseguito, come si vede dalla curva, que-sto decresce all'aumentare della defor-mazione. Quanto sopra ci permette dicapire come il termine « allungamen-to », cosí come è usato di solito, nonabbia in origine un significato fisico;non è una costante del materiale, ma èuna grandezza di comodo per una mi-sura empirica della duttilità. Basta pen-

Lo scorrimento plastico si verifica nell'acciaio quando i piani degli atomi di ferroscorrono gli uni sugli altri. Lo scorrimento avviene su piani inclinati di circa 45°rispetto all'asse del carico, come dimostra l'esame metallografico (microfotografia adestra). Lo scorrimento non è uniforme e accanto a bande di piani che si sono mossitroviamo zone non perturbate. La deformazione plastica è causa di disordine in vastezone del reticolo cristallino e nuovi scorrimenti trovano un ostacolo alla loro propaga«zione attraverso le bande già esistenti, per cui spesso si arrestano nel punto di incrocio.

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DEFORMAZIONE REALE

Per avere un indice più fedele delle caratteristiche di un acciaio, alla curva sforzo'.deformazione (figura in alto nella pagina a fronte) si preferisce la curva sforzo reale'.deformazione reale; la pendenza di questa curva rappresenta la « velocità » di incru•dimento. Le grandezze sugli assi sono, per lo sforzo reale, il carico diviso per l'area dellasezione trasversale reale del provino in trazione (il provino, infatti, diminuisce di sezionedurante la prova e lo sforzo reale tiene conto di ciò); per la deformazione reale viene h-portato l'integrale dell'incremento istantaneo di lunghezza diviso per la lunghezza stessa.I punti mostrano l'inizio della strizione, le crocette individuano il punto di rottura.

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79

La posizione degli atomi di carbonio nel reticolo permette diinterpretare sia i fenomeni di fragilità che quelli di resistenzameccanica. Quando il materiale è scaldato al rosso, gli atomi diferro sono disposti secondo il reticolo a struttura cubica a faccecentrate (a) che ha degli « interstizi » tra gli atomi, sufficientiper l'inserimento degli atomi di carbonio (sfere scure). A bassatemperatura e a quella ambiente gli atomi di ferro si dispongononel reticolo secondo la struttura cubica a corpo centrato (b)che non presenta grossi « interstizi » e non permette la presenzadi carbonio disciolto. Se l'acciaio viene raffreddato bruscamentea partire dal color rosso, il carbonio non ha il tempo di segre-garsi e resta intrappolato nella struttura cubica a corpo centrato,che ne risulta distorta e trasformata in tetragonale (c); ne sca-turisce un composto 'duro ma fragile chiamato martensite, chespiega la fragilità degli acciai temprati. L'aggiunta di nichel ecromo allarga, in modo metastabile, fino a temperatura ambienteil campo di esistenza della struttura cubica a facce centrate;qualora il materiale sia deformato plasticamente, la strutturaprecedente, metastabile, si trasforma in martensitica, localizzan-dosi sulle bande di scorrimento. Queste ultime divengono bar-riere efficientissime contro ulteriori scorrimenti, sortendo uneffetto di rafforzamento del materiale ed escludendo un aumentodi fragilità. Questo è il principio su cui si basano gli acciaidescritti in questo articolo, che sono chiamati trip steels.

C

sare che, fissando in maniera diversa ladistanza tra le tacche di riferimento, siottengono valori diversi dell'allunga-mento, come appare dalla figura in bas-so a pag. 78. In essa, ad esempio, sivede che uno stesso materiale, alla frat-tura, denuncia un allungamento del45 %, se le tacche distano 5 cm, e del30 % se le tacche distano poco più di20 cm. Non ci si può più stupire, dun-que, se affermiamo che per tassi di al-lungamento bassi (abbiamo detto in pre-cedenza che gli acciai ad alta resisten-za non devono allungarsi più del 10 %)l'allungamento stesso è un indice troppogrossolano della plasticità del materialeprima della frattura.

Come indice della plasticità, è sicu-ramente più aderente alla realtà la mi-sura della diminuzione di sezione tra-sversale durante la strizione e primadella frattura. Un esame dei dati ripor-tati in letteratura sugli acciai ad alta

resistenza, cioè con carichi di snerva-mento tra 140 e 210 kg/mm2, mostrache al momento della frattura la se-zione trasversale ha una riduzione del50 %, pari a un allungamento localedel 100 %. Infatti se l'area (laterale)di un cilindro si dimezza e il volumeresta costante, vuol dire che l'altezzadel cilindro si è raddoppiata e il suoraggio dimezzato. Ci sembra quindi di-mostrato che gli acciai ad alta resisten-za sono sufficientemente duttili, cioènon fragili, visto che sopportano defor-mazioni altissime prima di frantumarsilocalmente. Non si tratta quindi di ren-derli più duttili, dato che lo sono giàabbondantemente, ma di fare in modoche il loro allungamento sia uniforme etocchi i valori che esso raggiunge local-mente nella zona di strizione.

Come si è visto, le deformazioni lo-cali persistono allorché l'incremento diincrudimento è insufficiente a rendere il

materiale abbastanza a forte » per con-trapporsi allo scorrimento plastico. Ba-sterebbe quindi riuscire a incrementare« artificialmente » l'incrudimento, al dilà di quanto non faccia il processo na-turale, e il pericolo della strizione sa-rebbe allontanato, conseguendo cosí undeterminante aumento della duttilità.

Vediamo dunque qual è, nei metalli,il processo che provoca l'incrudimentodurante la deformazione plastica. In-nanzitutto è opportuno ricordare in bre-ve qualche concetto sul meccanismodella deformazione plastica, visto chealla base dell'incrudimento stanno fe-nomeni introdotti da questo tipo di de-formazione. Il materiale si deforma pla-sticamente grazie allo scorrimento dipiani di atomi gli uni sugli altri, scorri-mento che possiamo immaginare sul ti-po di quello delle carte da gioco estrat-te da un mazzo. Quando sollecitiamo atrazione un provino metallico, questo si

allunga perché dei piani atomici sonoforzati a scorrere l'uno sull'altro. Loscorrimento si verifica lungo piani in-clinati di 45° rispetto alla direzione lun-go cui è applicata la trazione; poiché visono due direzioni, saranno in giocodue distinti piani di scorrimento, che siintersecheranno.

Un simile meccanismo porta, eviden-temente, una notevole perturbazione nelreticolo cristallino, introducendovi deidifetti; in certe zone del reticolo, infat-ti, ci sarà un numero di piani atomicisuperiore alla norma, mentre in altre vene sarà un numero anormalmente bas-so. È. intuitivo, poi, come il movimentodei piani atomici sia agevole in un reti-colo cristallino perfetto e come divengadifficoltoso nel reticolo perturbato. Sipuò arrivare al punto che il disordinenei piani ne blocchi del tutto il movi-mento, cosí che in quella zona divie-ne impossibile lo scorrimento plastico.Quando aumenta la sollecitazione sulprovino, lo scorrimento riprende, ma inzone del cristallo ancora non troppocoinvolte con il movimento dei piani(si veda la figura in alto a pag. 79).Quando si sono gi create nel cristallometallico bande di piani di scorrimentoe le sollecitazioni successive tendono acrearne di nuove, queste ultime trovanomolte difficoltà nell'incrociare quellegià esistenti. Uno dei principali mecca-nismi di incrudimento è quindi il gene-rarsi e l'accavallarsi dei piani di scor-rimento.

I difetti reticolari provocati dalloscorrimento plastico rafforzano effetti-vamente i metalli con bassa resistenzaallo snervamento, ma sono molto menoefficaci qualora quest'ultima venga mi-gliorata dall'aggiunta di elementi alli-ganti e da opportuni trattamenti termi-ci. Infatti, in questi casi, tensioni suffi-cientemente forti possono far muoverepiani_ di scorrimento inizialmente bloc-cati e forzarli a passare attraverso re-gioni con reticolo perturbato, incrocian-do altri piani di scorrimento. t il casodegli acciai ad alta resistenza nei quali,sebbene si verifichi un normale proces-so di incrudimento, non si creano bar-riere con forza sufficiente a prevenirel'intersezione con altri piani di scorri-mento. L'incrudimento è allora insuffi-ciente a prevenire fenomeni di strizionegià per basse deformazioni. Volendoesprimere il concetto in maniera piùquantitativa, si può dire che la velocitàdi incrudimento dovrebbe potersi accre-scere in proporzione diretta con la resi-stenza allo snervamento, se la deforma-zione uniforme che precede la strizio-ne resta inalterata. Il modo migliore permisurare la velocità di incrudimento èquello di ricorrere a una curva sforzoreale-deformazione reale, che è del tut-

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0,2 04 06

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DEFORMAZIONE REALE

L'incrudimento, rappresentato dall'inclinazione delle curve, è molto più « veloce » neitrip steels (curve in colore) che negli acciai commerciali di pari resistenza mecca-nica (curve in nero). Nei primi infatti le bande di martensite, generate dalla deforma-zione plastica, si presentano come un serio ostacolo per le bande di scorrimento chedebbano attraversarle; quindi il carico applicato, rappresentato dallo sforzo reale, au-menta più rapidamente, a parità di deformazione, rispetto al caso delle normali bandedi scorrimento. Ne consegue inoltre un ritardo nella comparsa della strizione (cerchietti).

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150

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50 60

DEFORMAZIONE (%)

Il contenuto in martensite dei trip steels aumenta rapidamente applicando un carico alprovino. Questa variazione può essere seguita perché la martensite tetragonale èferromagnetica, mentre quella metastabile cubica a facce centrate non è magnetica.

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Merc 500:un motore"double face"L'abbiamo definito così per non far torto a nessuno: ipescatori dicono che è il migliore motore per andare apesca, gli appassionati di sci nautico assicurano che nonc'è niente di meglio per farsi trainare sulle onde... E tuttihanno ragione: l'accensione elettronica Thunderbolt ga-rantisce un perfetto rendimento sia al regime minimo dirotazione anche per lunghi periodi, sia quando al motorechiediamo uno "strappo" bruciante. Ed è economico almassimo. Non per niente è "double face": tranquillo esportivo, parsimonioso e potente. Merc 500. AccensioneThunderbold - 4 cilindri in linea - 718 cmc. 50 HP.

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I carburi, nei trip steels, precipitano di preferenza lungo lebande di scorrimento (linee scure), che si producono quandogli acciai vengono deformati plasticamente ad alta temperatura.Il contenuto in carburi deve essere alto per dare una lega adalte prestazioni meccaniche, ma bisogna evitare che i precipitatisi localizzino al bordo dei grani, rendendo fragile il materiale.Nei trip steels questo carico è evitato dalla presenza di sitifavorevoli alla precipitazione, distribuiti in tutto il volume deicristalli. La microfotografia è stata eseguita a 600 ingrandimenti.

Le bande di martensite, presenti nel campione di trip steelrappresentato in figura, sono attraversate da linee di scorrimentoparallele formatesi durante una prova di trazione fino a rot-tura. La diversa inclinazione delle linee indica dove lo scorri-mento plastico ha mutato la struttura cristallina da cubica afacce centrate, metastabile, a tetragonale martensitica. Le ban-de di martensite, oltre a essere resistenti di per sé, frappon-gono anche un ostacolo efficiente contro ulteriori scorrimenti.L'ingrandimento della microfotografia è anche in questo caso 600.

to simile alla curva convenzionale sfor-zo-deformazione, prima descritta e ri-portata nella figura in alto a pag. 78.In questo caso, però, lo sforzo è rap-presentato dal carico diviso per l'areadella sezione trasversale reale del pro-vino nel momento della trazione (ricor-diamo che nella curva convenzionale losforzo era dato dal carico diviso perl'area della sezione trasversale del pro-vino prima dell'inizio della trazione).Quanto alla deformazione reale, essa èriportata come l'integrale della funzio-ne d1/1 tra i limiti 1, e I; dl è la varia-zione istantanea, sotto carico, della lun-ghezza, lo è la lunghezza iniziale e I lalunghezza finale.

Quando gli acciai basso legati ven-gono trattati termicamente per raggiun-gere una migliore resistenza allo sner-vamento, si ottengono curve sollecita-zione reale-deformazione reale parallele(si veda la figura in basso a pag. 79)e la velocità d'incrudimento è data dal-la pendenza della curva. È evidente nel-la figura che l'incrudimento provocatodalla interazione delle dislocazioni hauna velocità indipendente dalla resisten-za allo snervamento. Infatti i circolettiche indicano l'inizio della strizione mo-strano che questa si genera a deforma-zione tanto più piccola quanto più altaè la resistenza allo snervamento. Si de-ve dunque concludere che per ritardarel'inizio della strizione è necessario in-trodurre nel materiale barriere allo scor-rimento, ben più efficaci di quanto sia-no i grovigli di dislocazioni associati aipiani di scorrimento.

Esaminiamo dunque quali possono es-sere i cambiamenti della struttura

interna, oltre a quelli associati alle di-slocazioni, che possono verificarsi inconseguenza dello scorrimento plastico.

Per esempio, le proprietà meccanichevengono influenzate in notevolissimamisura dalla trasformazione della strut-tura cristallina, che muta da cubica afacce centrate a tetragonale a corpocentrato. Nell'acciaio una simile trasfor-mazione è nota come trasformazionemartensitica, dal termine martensite cheviene attribuito alla struttura tetragona-le. Una trasformazione martensitica puòanche realizzarsi, in leghe speciali, du-rante la deformazione.

Come si è visto, il reticolo del ferropuò esistere in due diversi aspetti strut-turali: cubico a corpo centrato a bassatemperatura, cubico a facce centratestabilite solo ad alta temperatura. Inquest'ultima struttura si può realizzareuna buona solubilità del carbonio, men-tre questo è irrimediabilmente poco so-lubile, a bassa temperatura, nel ferro areticolo cubico a corpo centrato. Oraun brusco raffreddamento costringe ilcarbonio a rimanere intrappolato nelreticolo cubico a corpo centrato, provo-candone la deformazione a struttura te-tragonale (si veda la figura a pag. 80),propria della martensite, che ingenerafragilità nell'acciaio. Questa trasforma-zione martensitica non può essere impe-dita nelle leghe ferro-carbonio, mentrel'aggiunta di alliganti permette di trat-tenere la struttura a facce centrate finoa temperatura ambiente.

La martensite tetragonale che si for-ma nei piani di scorrimento è molto piùresistente del resto del materiale, cubi-co a facce centrate, e anche del mate-riale dei piani di scorrimento normali.Le bande di martensite non possonoquindi essere attraversate dai normalipiani di scorrimento e il carico appli-cato deve essere aumentato molto piùrapidamente per ottenere una deforma-zione pari a quella che si verifica quan-

do sono presenti solo normali piani discorrimento. Gli acciai nei quali si puòformare la martensite hanno dunqueuna comparsa differita della strizione ela pendenza della curva sforzo reale--deformazione reale è molto più accen-tuata di quella degli acciai normali (siveda la figura in alto a pag. 81). Si hacioè una maggiore velocità dell'incrudi-mento, associata alla comparsa dellamartensite, che favorisce la deformazio-ne plastica uniforme, in quanto ritardala comparsa della strizione. Questi ac-ciai, che raggiungono alti valori dell'al-lungamento grazie alla trasformazionemartensitica, sono un materiale tipicocon plasticità favorita da una trasfor-mazione, cioè trip steels.

La trasformazione martensitica è og-getto di studio da molti anni, ma ulti-mamente è stata limitata a materiali abassa resistenza allo snervamento. Permigliorare quest'ultima è necessaria lapresenza di una maggior quantità dicarbonio, in modo da avere una grandedispersione di particelle piccole di car-buro di ferro, precipitate durante i trat-tamenti termici programmati per otte-nere migliori caratteristiche meccaniche(carichi di snervamento superiori a 105kg/mm2). Tentativi analoghi in acciaia struttura cubica a facce centrate, mi-ranti a migliorarne la resistenza conl'aggiunta di carbonio, hanno invaria-bilmente portato a materiali troppo fra-gili. Infatti i carburi si localizzano tut-t'attorno ai cristalli (detti grani), checostituiscono l'acciaio, formando unarete di materiale fragile che influenzanegativamente l'acciaio stesso. Né sipuò sperare di impedire questa precipi-tazione localizzata, in quanto il contor-no dei grani è, per sua natura, una zo-na a reticolo cristallino imperfetto. In-fatti, quando vengono a contatto due

cristalli con diversa orientazione e checrescono dal metallo fuso (oppure quan-do due cristalli sono a contatto in unmateriale deformato e portato a unatemperatura abbastanza alta perché gliatomi possano muoversi con sufficientelibertà), sulle superfici di contatto chefungono da raccordo tra le due diverseorientazioni del reticolo si trova unazona a più bassa densità atomica. Que-sta zona offre condizioni molto favore-voli per la precipitazione, e in essa siaddensano i carburi fragili. Per avereacciai di questo tipo, tenaci e in gradodi fornire notevoli allungamenti, è ov-viamente necessario trovare un artificioche permetta di evitare l'infragilimento.La soluzione sta pertanto nel riuscire adistribuire la precipitazione in tutto ilvolume di ogni grano. A questo fine sipuò sfruttare la presenza dei difetti re-ticolari, indotti dalla deformazione pla-stica, che, perturbando il reticolo, crea-no ottimi siti preferenziali alla precipi-tazione dei carburi, in concorrenza coni bordi dei grani. Per i trip steels ilprocesso adottato prevede una lavora-zione a caldo del materiale, a una tem-peratura che risponda a due requisiti :sia compresa nel campo di stabilità delferro cubico a facce centrate e permet-ta un'alta mobilità degli atomi, sinoni-mo di condizione ottimale per la preci-pitazione dei carburi. Usualmente siprocede a laminazione, in diverse pas-sate, di una barra già riscaldata e si ot-tengono materiali con un alto carico disnervamento a temperatura ambiente.La microfoto a sinistra nella pagina afronte mostra, nel materiale cubico afacce centrate, la distribuzione dei car-buri, precipitati con gli accorgimenti ci-tati, mentre in quella a destra appaiono,in un trip steel, bande di martensite, lacui comparsa è legata alla messa sottocarico e alla rottura dell'acciaio.

Il processo di trasformazione può es-sere seguito, con molta precisione esemplicità, nei trip steels, in quanto icristalli di martensite, tetragonali a cor-po centrato, che si formano durantela deformazione, sono ferromagnetici,mentre i cristalli cubici a facce centratenon sono magnetici. Attraverso misuremagnetiche è dunque possibile calcolareil volume di martensite che si formadurante una prova di trazione a tempe-ratura ambiente, in funzione della de-formazione (si veda la figura in basso apag. 81); inoltre è possibile cogliere ilmomento della trasformazione. Que-st'ultima è poi accompagnata da un no-tevole sforzo di taglio, per cui in unprovino sotto tensione si genera unoscorrimento lungo piani inclinati di 45°rispetto alla superficie laterale. Questofenomeno produce delle sfaccettature

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MACCHINA FOTOGRAFICA

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SORGENTE DI LUCE

Le bande di deformazione che si generano sulla superficie di un provino di trip steelsottoposto a trazione sono fotografabili usando gli accorgimenti illustrati a sinistra.Lo scorrimento produce una sfaccettatura della superficie che riflette la luce entrol'apparato fotografico, mentre le zone rimaste non perturbate deviano la luce in altromodo. Perciò nella fotografia di destra le bande appaiono luminose su un fondo scuro.

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LIMITE SUPERIORE TEORICODELLA RESISTENZA MECCANICAE DELLA DUTTILITÀ

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ALLUNGAMENTO TOTALE (%)

Il limite superiore della duttilità e della resistenza meccanica è stato ben localizzato.Entro un vasto campo del carico di snervamento i trip steels (punti in colore) hannoallungamenti più alti degli acciai convenzionali, ma la zona inesplorata è ancora enorme.

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ACCIAI COMMERCIALI

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sulla superficie che riflettono la luce chele colpisce dal basso all'alto. Con unamacchina fotografica posta di fronte alcampione (si veda la figura in alto asinistra) si può documentare agevol-mente il fenomeno e analogamente èpossibile rivelare le zone in cui si è ve-rificato scorrimento plastico, in corri-spondenza di intagli o crepe.

I I comportamento degli acciai ad altaresistenza, in presenza di intagli o

crepe, è molto significativo. Difetti diquesto genere, infatti, indeboliscono erendono fragili questi acciai proprio co-me succede per il vetro. Con questonon vogliamo certo dire che l'acciaiodiventa fragile come il vetro, anche sevi sono grandi differenze nella fragilitàdegli acciai quando questi sono solleci-tati in presenza di fessure. Va detto su-bito che i trip steels si comportano mol-to bene anche in queste condizioni sfa-vorevoli e, paragonati ai normali acciaiad alta resistenza, si dimostrano moltomeno fragili (si veda la figura a pag.75). Infatti la loro alta velocità di in-crudimento favorisce la deformazionedi un maggior volume di materiale,mentre negli acciai normali la deforma-zione è molto più localizzata, ed essiraggiungono più rapidamente le condi-zioni di rottura.

Proseguendo nel confronto tra acciaiconvenzionali e trip steels, è interessan-te rilevare che, mentre nei primi un al-lungamento del 15 9/o è il massimo del-le prestazioni in un materiale con ca-rico di snervamento compreso tra 140e 210 kg/mm 2 , nei secondi, a parità dicarico di snervamento, si possono age-volmente ottenere allungamenti del 20--40 %. Si arriva poi al caso limite ditrip steel, rappresentato nella figura inbasso a sinistra, con bassa resistenzaallo snervamento (70 kg/mm 2), ma ca-pace di allungamenti dell'80 %. t dasegnalare che acciai normali, con carat-teristiche di carico analoghe, toccano amalapena il 30 % di allungamento.

È dunque fuor di dubbio che ultima-mente siano stati compiuti progressi so-stanziali nel risolvere il problema di mi-gliorare la duttilità e la tenacità degliacciai ad alta resistenza allo snervamen-to. La molla di questo progresso è na-turalmente dovuta all'interesse che mol-te industrie ripongono nell'applicazionedi materiali a grande duttilità e ad altaresistenza. Non siamo però in presenzadi materiali nuovi in tutti i sensi, bensídi materiali nei quali è stata megliosfruttata qualche particolarità. I tripsteels che conosciamo sono dunque so-lamente un primo passo verso una pro-mettentissima ricerca in campi inesplo-rati.

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