lamiere alto spessore

Lamiere di alto spessore
•
•
Renzo Valentini
Dip. Ing. Chimica, Chim. Ind. e Scienza dei Mat.
Generalità
Gli acciai HSLA devono possedere, come requisiti, un’alta resistenza meccanica, una buona
tenacità e una saldabilità superiore.
Queste tre caratteristiche sono, molto spesso, contraddittorie e vengono ottenute l’una alle
spese dell’altra. Comunque, per soddisfare le specifiche richieste, l’acciaio deve avere una
somma accuratamente bilanciata di tali proprietà, che dipendono sia da fattori metallurgici, sia
dai processi di produzione impiegati
Resistenza (σy σr)
Rafforzamento per
soluzione solida
Rafforzamento per
precipitazione
Caratteristiche
del metallo base
Tenacità (FATT)
Rafforzamento per
trasformazione
Rafforzamento per
affinamento del grano
Minimizzazione delle
impurezze
Rafforzamento per
incrudimento
Saldabilità
Suscettibilità alle
cricche in saldatura
Composizion
e chimica
Decremento del Pcm
Laminazione
controllata
Raffreddamento
accelerato
Evoluzione del mercato
Occorre considerare come l’evoluzione del mercato richieda sempre più acciai ad alte caratteristiche
meccaniche preservando, nello stesso tempo, tenacità e saldabilità:
Indurimento per affinamento del grano ferritico.
In un materiale policristallino, i bordi di grano (bdg) sono descrivibili come delle superfici irregolari di
esiguo spessore (pochi passi atomici) ed elevata distorsione reticolare, grazie a cui si realizza la necessaria
continuità del materiale. I bdg risultano più resistenti alla deformazione dell’interno del grano e
costituiscono pertanto delle vere e proprie barriere al movimento delle dislocazioni, e quindi alla
deformazione plastica, presenti nel cristallo
Lo scorrimento plastico all’interno di un materiale policristallino non si propaga da un grano all’altro
forzando le dislocazioni a passare attraverso l’ostacolo del bdg ; si suppone invece che la concentrazione
degli sforzi agente all’apice di un impilamento di dislocazioni.
Il limite elastico di un policristallo può risultare molto maggiore di quello di un monocristallo dello stesso
metallo, così come incrementano entità e tasso di incrudimento durante la deformazione plastica e tale
resistenza è tanto maggiore quanto più è piccola la dimensione del grano.
Legge di Hall-Petch
σ y = σi + Kd
1 
− .
2 
700
0.005%
0.05%
0.09%
0.13%
0.15%
0.20%
)
280
-2
(Nmm)
420
σ
560
140
C
C
C
C
C
C
0
0
4
8
12
16
d
-0.5
-0.5
(mm
20
)
24
28
Il friction stress, o l’intercetta positiva sull’asse delle ordinate delle rette in Figura, rappresenta
in pratica l’effetto di tutti gli ostacoli capaci di frenare la singola dislocazione nel suo moto
attraverso un reticolo infinito. Questo termine può essere espresso come sommatoria di diversi
contributi.
σi = σir + σis + σip + σid
dove σir rappresenta la resistenza intrinseca del reticolo (o forza di Pierls-Nabarro, pari a circa
20 Mpa per il ferro a temperatura ambiente), σis è il contributo all’indurimento degli atomi in
soluzione solida, σip è l’effetto dovuto alle particelle di fasi secondarie eventualmente presenti e
σid il contributo dovuto alle dislocazioni già presenti nel materiale indeformato (lunghezza
totale circa 104÷106 mm per mm3). Il contributo di σir è modesto, così come di modesta entità
risulta σid. Per il caso di interesse, verranno quindi analizzati solo i restanti addendi.
Indurimento per soluzione solida (σ
σis)
La presenza di atomi di soluto disciolto in soluzione solida sostituzionale o interstiziale induce distorsioni
reticolari e quindi campi tensionali capaci di interagire con il movimento delle dislocazioni.
• Negli acciai microlegati si impiega sempre il manganese come elemento di rinforzo (aumenta anche la
temprabilità dell’acciaio), sono spesso presenti anche rame, molibdeno e nichel.
Il contributo al rafforzamento per soluzione solida relativo a diversi elementi di lega in soluzione di ferrite,
può essere stimato da una correlazione generale di questo tipo (valida per concentrazioni estremamente
diluite):
σ s = A ⋅ (% dell' elemento di lega in soluzione solida)
Elemen
to
Mn
Si
Ni
Cr
P
Cu
Mo
Sn
CeN
A
(MPa)
37
83
33
-30
680
38
11
120
5000
Indurimento per precipitazione (σ
σip)
La presenza di una fine dispersione di precipitati all’interno della lega può determinare un sensibile
incremento del relativo limite elastico.
In riferimento ad acciai microlegati contenenti niobio e vanadio viene riportata, in Tabella, una
classificazione indicativa dei precipitati formati durante la fase di laminazione a caldo ed i conseguenti
effetti sulle proprietà meccaniche.
Comportamento e morfologia dei precipitati
Effetto sulle proprietà meccaniche
To
Siti
Coerenza4
Dimensione
Rafforzamento
Infragilimento
note
Non dissolti
alla To
Matrice
No
≥1000 A
No
No
regione γ
(alta T)
Bordi di
grano
No
≅ 1000 A
No
No
regione γ
(bassa T)
Dislocazioni
No
100 A
Debole
No
Raff. per
dispersione
regione α
(alta T)
Dislocazioni
No
100 A
Debole
No
Raff. per
dispersione
regione α
(bassa T)
Matrice α
Forte
≤ 100 A
Forte
Forte
Indurimento
secondario
L’effetto indurente è significativo quando la dimensione delle particelle è dell’ordine di alcuni nanometri
(≅ 10-6 mm), il loro numero è elevato e la separazione tra le particelle molto contenuta. Queste particelle si
oppongono al moto delle dislocazioni in modo tanto più efficace tanto più sono vicine tra loro.
La Fig. mostra le differenti tappe dell’interazione tra dislocazioni avanzanti e precipitati, questi ultimi
supposti indeformabili.
•
Quando la dislocazione ha attraversato l’ostacolo MN aggirandolo, lascia intorno a quest’ultimo un
anello di dislocazione situato sul piano di scorrimento; ciascun anello esercita una retrotensione e,
pertanto, aggiunge una difficoltà complementare per le altre dislocazioni che tentano di superare
l’ostacolo sullo stesso piano di scorrimento.
In tal modo vengono lasciati altri anelli che aumentano gradualmente la difficoltà di superare
l’ostacolo, determinando un indurimento denominato strutturale o per precipitazione.
Le piccole aggiunte di elementi di lega quali Nb, Ti, V, N, C negli acciai microlegati portano alla
formazione di carburi e nitruri. Questi precipitati sono solubilizzati alle alte temperature di
omogeneizzazione, almeno in parte, e precipitano durante il raffreddamento e la deformazione
imposti durante la fase di laminazione a caldo e raffreddamento accelerato.
Indurimento per trasformazione microstrutturale
I limiti resistenziali caratteristici della ferrite poligonale possono essere incrementati nel caso in cui, durante il
raffreddamento dal campo austenitico, si formi una struttura bainitica a basso contenuto di carbonio, comunemente
denominata ferrite aciculare.
•
Questa consiste in una fine dispersione di grani ferritici non equiassiali con piccole isole di cementite e
martensite; la ferrite presenta una morfologia a bastoncini con dimensioni trasversali dell’ordine di 0.5 µm,
separati l’uno dall’altro da bordi di grano a piccolo angolo e aggregati in pacchetti bainitici separati da bordi di
grano a grande angolo.
Per comprendere da quale fattore dipenda la resistenza meccanica della ferrite aciculare, è necessario considerare il
meccanismo della trasformazione di fase austenite→bainite. Al contrario della trasformazione austenite→ferrite,
nella quale gli atomi di ferro si muovono in modo disordinato e su grandi distanze per andare a costituire la nuova
struttura cristallina, la trasformazione austenite→bainite (come quella austenite→martensite) è considerata,
almeno parzialmente, come appartenente alle trasformazioni dette a scatto, in cui gli atomi della fase madre
passano ordinatamente e contemporaneamente, compiendo un piccolo spostamento su scala atomica, nella nuova
struttura cristallina della fase risultante.
· Per non creare soluzioni di continuità nel materiale, la trasformazione a scatto deve essere accompagnata da una
forte deformazione plastica che può avvenire per geminazione (come nel caso della martensite geminata) o per
slittamento (come nel caso della martensite dislocata e della ferrite aciculare), ciò implica un forte aumento della
densità di dislocazioni, come se il materiale avesse subito, durante la trasformazione, un’intensa lavorazione
plastica.
La presenza di substrutture ad alta densità di dislocazioni rende questo tipo di microstruttura più resistente della
ferrite a spese però della tenacità, che pur essendo di norma discreta è inferiore a quella della struttura di
equilibrio.
La conseguenza è che in genere si preferisce cercare di ottenere una microstruttura mista, in modo da ottimizzare le
proprietà (≅15% di ferrite acculare).
Rapporto tra carico di snervamento e temperatura di
transizione duttile-fragile
La trattazione di Petch sull’influenza delle dimensioni del grano ferritico sulle caratteristiche
resistenziali dell’acciaio è stata estesa anche alla temperatura di transizione duttile-fragile.
•
Tra i diversi meccanismi d’indurimento dell’acciaio, l’affinamento del grano ferritico è l’unico che
assicuri allo stesso tempo una benefica riduzione di tale variabile. In tal senso possono anche agire
incrementi del tenore di elementi in soluzione solida, ad esempio Cu, ma anche in questi casi si è
dimostrato dipendere da un contemporaneo effetto di affinamento del grano ferritico.
La relazione tra il limite di snervamento e la dimensione del grano ferritico per acciai che utilizzano
diversi meccanismi di rafforzamento è evidenziata nel grafico:
600
M2
M4
Yield stenght (MPa)
550
i
Cu
500
g
d
h
c
450
f
b
a
400
M1
350
300
9,5
11,5
13,5
15,5
17,5
-0.5
19,5
21,5
-0.5
Dalfa (mm )
Per Cu : a) 1% Cu-b)1.2-c)1.4-d)1.7-e)2.1 Per M4 : condizioni TMCP f) condizioni base-g)
raffreddamento accelerato-h) riduzione forte-i) g e h combinati
Analisi chimiche degli acciai riportati in Fig.
C (%)
Cu
(%)
Mo
(%)
Nb (%)
Ti (%)
M1
0.11
-
-
0.04
-
M2
0.1
-
0.3
0.04
-
M4
0.08
-
-
0.02
0.04
Cu
0.05
1÷1.7
-
0.04
0.02
Una figura che evidenzia le correlazioni tra tutti i meccanismi citati e le caratteristiche meccaniche è:
Combinando i meccanismi di rafforzamento con resistenza e tenacità del materiale otteniamo la
seguente figura che conferma come l’affinamento del grano sia l’unico meccanismo che migliora
resistenza e tenacità:
Il carbonio equivalente
E’ evidente come l’abbassamento del C, e del tenore degli altri elementi di lega, renda l’acciaio più tenace e
più saldabile come espresso da alcune formule empiriche. La definizione di CE, in particolare, dà un’idea
dell’attitudine dell’acciaio, sottoposto ai cicli termici di saldatura, di originare strutture fragili di tempra
(martensitiche).
Laminazione in controllo: generalità
I trattamenti termomeccanici imposti agli acciai HSLA consistono nell’esecuzione di precisi programmi
deformazione-temperatura al fine di migliorare in modo mirato le caratteristiche meccaniche e
microstrutturali finali.
S
sbozzatore
F
finitore
Tipici trattamenti termomeccanici sono la laminazione e il raffreddamento in controllo. Questi processi
permettono un notevole risparmio di energia per ciò che riguarda il trattamento globale dell’acciaio, in quanto
minimizzano o addirittura eliminano gli onerosi trattamenti di tempra e rinvenimento a cui erano destinati gli
acciai da bonifica.
In generale richiedono una progettazione apposita della composizione chimica della lega e treni di
laminazione più potenti, a causa della diminuzione della temperatura durante la deformazione; rendono però
possibile il decremento del tenore totale degli elementi di lega, il che permette di realizzare un ulteriore
risparmio in termini di costo.
Da un punto di vista generale, un trattamento di laminazione a caldo (T > 0.5 Tf) permette di migliorare le
caratteristiche microstrutturali dell’acciaio dopo solidificazione, favorendo l’omogeneizzazione della struttura
dendritica, riducendo la segregazione degli elementi di lega ed eliminando le discontinuità interne
IIl modo migliore per incrementare sia la resistenza meccanica che la tenacità degli acciai
microlegati, è quello di ridurre il più possibile le dimensioni finali del grano ferritico.
· Per ottenere il rafforzamento del materiale si può quindi agire sulla dimensione del grano
ferritico finale, che sul termine di rafforzamento per effetto della precipitazione di carburi e
carbonitruri di dimensioni inferiori a 10 nm.
·
Anche se i due meccanismi di rafforzamento sono competitivi, si preferisce la strada
dell’affinamento del grano ferritico, perché oltre ad accrescere la resistenza del materiale, ne
migliora anche la tenacità.
· Per ottenere un grano ferritico molto fine è necessario controllare la dimensione del grano
austenitico, che ad esso dà luogo durante la trasformazione γ→α. A tal fine servono gli
stessi precipitati (carburi e carbonitruri), considerati precedentemente, ma fatti crescere fino
a dimensioni di 40÷80 nm. In questo modo essi perdono la capacità di indurimento da
precipitazione, che viene convertita nella funzione di contenimento del grano austenitico.
NNasce dunque l’esigenza di mettere a punto trattamenti termomeccanici particolari, che consistono
nell’esecuzione di precisi programmi deformazione-temperatura, al fine di migliorare in modo mirato le
caratteristiche meccaniche e microstrutturali dell'acciaio dopo solidificazione, favorendo
l'omogeneizzazione della struttura dendritica, riducendo la segregazione degli elementi di lega ed
eliminando le discontinuità interne.
•In generale, essi consistono in un riscaldamento in fase austenitica (fase γ), a temperature che
variano tra 800°C e 1300°C, una lavorazione a tale temperatura, a cui segue un raffreddamento a
velocità che dipende dalla struttura finale che si vuole ottenere, e che comporta la trasformazione
in ferrite (fase α), (più altri costituenti).
CCome riferimento vengono normalmente prese in considerazione le tre temperature critiche
dell’austenite, cioè quella di accrescimento del grano TGC, quella di blocco della ricristallizzazione TRXN
e infine la temperatura Ar3 di trasformazione γ→α in raffreddamento.
·
La temperatura di accrescimento del grano TGC è definita come la temperatura al di sopra della quale
comincia un accrescimento del grano per ricristallizzazione secondaria (fenomeno durante il quale si ha
un accrescimento incontrollato del grano iniziale), o più precisamente, quella temperatura al di sopra
della quale le particelle indisciolte di precipitato non possono più impedire l’accrescimento del grano
austenitico. In corrispondenza di tale temperatura si ha in pratica una condizione di equilibrio fra la
forza motrice per la crescita del grano e la forza di pinning che ostacola il movimento dei bordi.
•Un altro parametro importante è la temperatura di non ricristallizzazione TRXN che viene fortemente
influenzata dall’aggiunta di elementi di lega. In particolare il Nb ha l’effetto di innalzare il suo valore, molto
più marcatamente che gli altri elementi normalmente usati come microleganti. Essa può essere definita come
quella temperatura al di sopra della quale si ha una ricristallizzazione dell’austenite, tra due passaggi
consecutivi nel laminatoio. Il risultato è quello di ottenere un grano più fine, e l’eliminazione
dell’incrudimento accumulato con la laminazione.
·
Al di sotto della temperatura TRXN, tra due passate consecutive di laminazione, la ricristallizzazione dell’austenite non
ha tempo di avvenire: iniziano nettamente ad aumentare la resistenza o il carico di laminazione, come mostrato in
Fig..
andamento dello tensione media in funzione della temperatura
· Infine, la terza temperatura importante nel definire i parametri di laminazione è la temperatura
di trasformazione Ar3 definita come la temperatura in corrispondenza della quale, durante
raffreddamento, inizia la trasformazione da austenite a ferrite (γ → α). In realtà un ruolo
importante è affidato anche alla temperatura Ar1, di fine trasformazione γ → α + perlite. La loro
influenza è essenzialmente legata alla microstruttura finale e a fenomeni di natura termodinamica,
(nucleazione, accrescimento…).
Laminazione in controllo: definizioni
A: Laminazione a caldo convenzionale (CHR); B: Laminazione in controllo convenzionale (CCR); C:
Laminazione in controllo intensificata (ICR); D: Laminazione con controllo della ricristallizzazione
(RCR); E: processo Sumitomo High Toughness (SHT).
· Il primo processo presentato, contrassegnato con A, è quello della laminazione a caldo (CHR)
durante la quale il riscaldamento e entrambe le fasi di laminazione (sbozzatura e finitura),
avvengono alle più alte temperature possibili.
Ø L’obbiettivo della laminazione a caldo è quello di ottimizzare la produttività a prescindere delle
proprietà meccaniche del laminato. In questo caso non è richiesta l’aggiunta nel materiale di
elementi di lega.
·
La curva B, invece, rappresenta la laminazione in controllo (CCR), il cui obbiettivo è
l’ottenimento di ferrite a grana fine attraverso un controllo delle dimensioni del grano
austenitico, effettuando la laminazione di finitura nella zona di non ricristallizzazione
dell’austenite stessa.
Ø In questo caso è fondamentale l’aggiunta di elementi microleganti (Ti, Nb, V) che precipitando
per effetto della laminazione, sotto forma di carburi o carbonitruri finemente dispersi,
controllano l’accrescimento e la ricristallizzazione del grano austenitico che risulta fortemente
allungato.
·
Un variazione alla laminazione in controllo convenzionale è rappresentata dalla curva C che indica
la laminazione in controllo intensificata (icr). La laminazione di finitura non soltanto avviene al di
sotto di TRXN, ma anche al di sotto di Ar3, con l’obbiettivo di ottenere una maggiore resistenza e
tenacità degli acciai microlegati.
•Curva D, o laminazione con controllo della ricristallizzazione (RCR). L’obbiettivo del
processo di laminazione con controllo della ricristallizzazione è di ottenere una struttura
ferritica partendo da austenite finissima e pienamente ricristallizzata. Mentre si può notare,
osservando la figura, la netta differenza di questo processo con il CCR, non è altrettanto ovvia
quella con Chr, dato che entrambi i processi sono eseguiti con alte temperature di
deformazione.
In realtà, la deformazione nel processo RCR è completata nella zona di piena ricristallizzazione mentre
nel caso di CHR una porzione di deformazione ha luogo nella zona di parziale ricristallizzazione.
Inoltre gli acciai generalmente processati con RCR presentano un comportamento particolare
caratterizzato dalla capacità di inibizione dell’accrescimento del grano.
È chiaro a questo punto che in tutti i vari processi di laminazione sopra riportati, i diversi obbiettivi
vengono raggiunti scegliendo di controllare o meno la ricristallizzazione, che può essere di tipo
statico o dinamico.