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L'arrivo all'immortalità degli esseri viventi ...

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Tutto sui metalli: utilità, danni, i più usati e preferiti :
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Mett smocheh

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MessaggioInviato: Mer Dic 31, 2008 4:59 pm    Oggetto:  Tutto sui metalli: utilità, danni, i più usati e preferiti :
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Il metallo è un materiale che riflette la luce conferendole una particolare tonalità (detta appunto metallica), un ottimo conduttore di calore e di elettricità, generalmente intaccato dagli acidi (con sviluppo di idrogeno) ma non dalle basi, spesso con buone caratteristiche di resistenza meccanica. In base alle proprietà chimiche i metalli danno luogo ad ossidi basici (es: Na2O, CaO).

Caratteristiche :
Caratteristica essenziale del metallo è la sua struttura regolare basata sulla ripetizione di una cella elementare. Le più comuni celle sono la c.c.c (cubica corpo centrato), c.f.c (cubica facce centrate; esempi: rame e alcune sue leghe, acciaio austenitico, leghe di alluminio o di nichel) ed e.c. (esagonale compatta).

Sottoraffreddato dallo stato liquido un metallo si solidifica in grani, le cui dimensioni sono immagine della temperatura a cui avviene il processo e i cui bordi rappresentano un'importante zona di discontinuità della struttura metallica. Maggiore è il sottoraffreddamento, minore sarà il raggio critico al di sotto del quale si decostruiscono gli embrioni dallo stato solido; inoltre per un maggior numero di embrioni che diventano grani risulterà minore la dimensione del grano metallico. Quest'ultimo aspetto ha fondamentale importanza nello studio della resistenza a deformazione: a temperatura ambiente la frattura a trazione avviene per rottura dei grani e non per distacco tra essi, a causa del maggior contenuto energetico, e quindi migliore coesione, associato alla distorsione dei giunti cristallini. Per contro all'aumentare della temperatura la maggiore mobilità dei difetti, concentrati nei giunti, ne abbassa notevolmente la coesione (frattura intercristallina).

I metalli tendono a cedere con facilità i propri elettroni di valenza a non tenersi quelli in eccesso per raggiungere la configurazione elettronica dei gas nobili: hanno cioè una bassa energia di ionizzazione e una scarsa affinità elettronica. Il contrario accade per i semimetalli ed a maggior ragione per i non metalli. Quando più atomi metallici si aggregano a formare una struttura cristallina quindi, gli elettroni di legame vengono condivisi tra tutti i partecipanti dando luogo ad orbitali molecolari delocalizzati in tutto il solido. La delocalizzazione elettronica e l'elevato numero di oggetti presenti contribuisce a tenere insieme gli ioni costituenti, anche se l'energia di legame per atomo non è molto elevata; nel contempo, essa dà luogo alla sovrapposizione delle bande di energia, permettendo di conseguenza alle cariche di muoversi liberamente all'interno del metallo. Si parla per questo di gas di elettroni. La disponibilità di tante cariche libere spiega bene l'ottima conducibilità elettrica e termica, insieme alla proprietà di assorbire e/o riflettere la luce totalmente anche in strati sottilissimi, di poche decine di atomi.

Generalmente gli elementi chimici metallici sono quasi tutti nella zona di transizione centrale della tavola periodica, fra i alcalino-terrosi e gli alogeni; sono quasi tutti di peso atomico medio o medio-alto; gli elementi metallici più leggeri possono essere portati allo stato metallico solo con difficoltà.

I metalli (nome esteso minuscolo secondo IUPAC) e le loro leghe più comuni sono:
l'argento (Ag)
il ferro (Fe)
il rame (Cu)
l'oro (Au)
il platino (Pt)
il piombo (Pb)
lo stagno (Sn)
il titanio (Ti)
il mercurio (Hg)
il bronzo (lega rame-stagno, ma anche -alluminio, -nichel, -berillio)
l'ottone (lega rame-zinco, con aggiunta di Fe, As, Sn, Sb, Al, ed altri metalli e semimetalli)
gli acciaii (leghe ferro-cromo-nichel-molibdeno ed altri metalli cobalto, vanadio)

Metalli pesanti :
Vengono generalmente (ma impropriamente secondo IUPAC) definiti metalli pesanti tutti quei metalli con alta massa atomica ed elevata densità (indicativamente > 4 000 kg/m3). Ad esempio rame, piombo, mercurio e zinco sono considerati metalli pesanti, così come in generale metalli del blocco d, i lantanoidi e gli attinoidi (fra cui uranio e plutonio). Gli organismi viventi sono molto sensibili ai metalli pesanti, per i quali normalmente non esistono sistemi enzimatici di controllo omeostatico (es: Pb, Hg, W, U), che oltre ad una soglia di concentrazione IC50 molto bassa (a seconda dell'elemento) sono tossici.

Difetti del cristallo :
La ripetitività della struttura cristallina è interrotta localmente da difetti che possono essere di vario genere.
Difetti di punto: sono le occasionali vacanze (la cui concentrazione dipende dalla temperatura secondo un legame esponenziale), gli atomi sostituzionali o interstiziali (specie quando nelle soluzioni solide è notevole la differenza nelle dimensioni degli elementi componenti), gli atomi autointerstiziali (nel caso di atomi uguali a quelli del reticolo), i difetti di Frenkel (uno ione positivo lascia la sua posizione reticolare, creando così una vacanza cationica, per andare a formare uno ione interstiziale) e di Schottky (coppia di una vacanza anionica e cationica in un solido ionico).
Difetti di linea: separano parti che hanno subito lo slittamento da altre che non lo hanno subito. Accumulano tensione e per effetto dell'applicazione di sforzi tendono a moltiplicarsi. Sono detti dislocazioni.
Difetti di superficie: ovvero i bordi di grano presso i quali cambia interamente l'orientamento dei piani di reticolo da un grano all'altro.
Difetti di volume: le irregolarità nella sequenza ordinata dei piani cristallini nel metallo.
Poiché questi difetti influenzano enormemente il comportamento metallico sono estremamente importanti per la metallurgia.

Elasticità e plasticità del metallo :
Sottoposto ad uno sforzo crescente, il metallo in un primo tempo si deformerà linearmente secondo la legge di Hooke in maniera elastica, e reversibile una volta cessato il carico.

L'aumentare dello sforzo oltre un certo limite imporrà in seguito una irreversibile deformazione plastica accompagnata dall'incrudimento, cioè un aumento progressivo del limite elastico del materiale e del valore della tensione di rottura. Se il valore teorico di energia necessario per deformare plasticamente un campione è notevolmente maggiore rispetto a quello in effetti necessario, ciò è dovuto alla presenza di dislocazioni, ossia discontinuità di linea nella struttura cristallina che a seconda della forma sono dette a vite, a spigolo o mista.

La frattura si distingue a seconda della natura del metallo in duttile o fragile. Nel primo caso il metallo si deforma sensibilmente nel campo plastico, si verifica uno strizzamento a causa dei microvuoti venutisi a creare e la superficie di frattura ha la caratteristica forma di coppa cono. Nel secondo caso la frattura è improvvisa, subito oltrepassato il limite elastico e la superficie è perpendicolare alla direzione dello sforzo, di aspetto brillante e cristallino.

Fenomeni degenerativi :
Un particolare tipo di frattura fragile è il cosiddetto clivaggio (tipico della struttura c.c.c, e.c più raramente), frutto di sforzi elevati condotti a bassa temperatura. Il clivaggio è in genere transgranulare ma può essere anche intergranulare se a bordo grano sono presenti particolari precipitati o impurezze.

Il creep è invece un fenomeno che avviene ad alte temperature che in funzione del tempo vede prima l'aumento delle dislocazioni e l'incrudimento, fenomeno non attivato termicamente (creep primario) quindi il disancoramento delle dislocazioni (fenomeno questo si attivato termicamente) che comporterà la rottura dopo aver pareggiato l'intensità dell'incrudimento (nel creep secondario la velocità di creep diventa stazionaria) la supera, accelera la velocità di deformazione ( creep Terziario) e induce la rottura.

Creep dei metalli: Deformazione plastica dipendente dal tempo detta anche scorrimento viscoso a caldo che avviene quando un materiale metallico è sottoposto ad una sollecitazione costante a temperatura elevata. Il meccanismo del creep viene illustrato da curve che riportano la deformazione in funzione del tempo e si può suddividere in varie fasi:

Allungamento elastico istantaneo :
Creep primario: La velocità di deformazione decresce con il tempo, a causa del blocco delle dislocazione e conseguente incrudimento.
Creep secondario: A tempi maggiori, la diffusione degli atomi, permette un parziale sblocco delle dislocazioni rendendo nuovamente possibile il loro scorrimento. Il blocco e lo sblocco si equilibrano e la velocità di deformazione rimane pressoché costante.
Creep terziario: La velocità di deformazione aumenta rapidamente e in breve il materiale arriva a rottura, in seguito alla formazione di microvuoti al bordo grano ed il successivo scorrimento dei grani tra di loro.
Nota: L'aumento della temperatura provoca l'innalzamento della curva di creep e la diminuzione della durata delle varie fasi (il materiale si rompe più velocemente).

La fatica è quel fenomeno per il quale un metallo sottoposto ad uno sforzo ciclico può pervenire a rottura anche per valori dello sforzo molto al di sotto del suo limite di snervamento. Ad una prima fase di incrudimento (hardering) segue l'assestamento microstrutturale (softering), l'orientarsi delle dislocazioni presso precise bande di slittamento, il presentarsi presso la superficie di caratteristiche microintrusioni e microestrusioni. È lungo le bande di slittamento, che si presentano dopo appena il 5% della vita utile del campione, che avrà luogo la rottura il cui punto di innesco è appena al di sotto della superficie. La rugosità superficiale è un parametro importantissimo per quel che riguarda la resistenza a fatica di un metallo.

Fatica dei metalli: I materiali vengono sottoposti a sollecitazioni cicliche che possono portare a rottura il componente anche per carichi inferiori al carico di rottura; queste prove avvengono in prevalenza su componenti in movimento e si articolano in 3 fasi:

Innesco della cricca: in un punto in cui la geometria del componente permette una concentrazione degli sforzi oppure in corrispondenza di difetti.
Propagazione della cricca: avviene per effetto dell'applicazione ciclica dello sforzo e provoca una riduzione della sezione resistente.
Rottura finale: Avviene in corrispondenza del raggiungimento delle dimensioni critiche da parte della cricca.
Lo studio della resistenza a fatica dei materiali viene effettuato con prove accelerate su provini già dotati di intaglio (pre – ciccati) e i risultati vengono riportati in grafici “sforzo-numero di cicli a rottura” [σ-N]. Alcuni materiali presentano un limite di fatica, ovvero un asintoto della curva [σ-N], al di sotto del quale non si ha più diminuzione della resistenza a fatica all'aumentare di N (es. Acciaio 1047). su provini già dotati di intagli (pre – ciccati)

La corrosione nasce dalle iterazioni di ossidoriduzione con l'ambiente e naturalmente è particolarmente dannosa per i metalli. Si cercano espedienti per prevenire come un rivestimento in PVC, la verniciatura o utilizzare un anodo sacrificale. Variegata la casistica: la corrosione può avvenire in fessura o per aerazione differenziata, intergranulare, per 'pitting (superato in un punto il film protettivo), esaltata da un ambiente galvanico o dalle forti tensioni cui il pezzo è soggetto.

L'usura infine distrugge il metallo in presenza di un ambiente tribologico dove cioè vi è attrito tra il pezzo e altre componenti. L'usura può essere dovuta alle forze fluidodinamiche, è detta tribossidazione in un ambiente particolarmente aggressivo, si dice adesiva, quando è determinata da microgiunzioni venutesi a creare tra le creste di rugosità di due corpi in mutuo slittamento l'uno sull'altro, o erosiva quando semplicemente una superficie è in moto relativo contro particelle particolarmente dure. Un caso particolare risulta la corrosione-erosione, in cui un'usura superficiale non eccessiva è però sufficiente ad asportare lo strato superficiale passivato, ripresentando quindi metallo vivo agli agenti corrosivi.


IL FERRO: Il ferro è l'elemento chimico di numero atomico 26.
Estremamente importante nella tecnologia per le sue caratteristiche meccaniche, la sua lavorabilità e in tempi recenti per le leghe da esso derivate, la ghisa e l'acciaio: in passato fu tanto importante da dare il nome ad un intero periodo storico, l'età del ferro.
In alchimia, durante il medioevo, il ferro era associato a Marte.

Caratteristiche:
Un normale atomo di ferro ha 56 volte la massa di un normale atomo di idrogeno. Il ferro è il metallo più abbondante sulla Terra (costituisce il 34,6% della massa del nostro pianeta) e si stima che sia il decimo elemento per abbondanza nell'intero universo. La concentrazione di ferro nei vari strati della Terra varia con la profondità: è massima nel nucleo, che è costituito probabilmente da una lega di ferro e nichel (o forse addirittura di un unico cristallo di ferro) e decresce fino al 4,75% nella crosta terrestre. La grande quantità di ferro presente al centro della Terra non può essere tuttavia causa del suo campo magnetico, poiché tale elemento si trova con ogni probabilità ad una temperatura elevata, ove non esiste ordinamento magnetico nel proprio reticolo cristallino (tale temperatura è detta temperatura di Curie). Il suo simbolo Fe è una abbreviazione della parola ferrum, il nome latino del metallo.

Il ferro è un metallo estratto da minerali: quasi mai si rinviene ferro puro in natura (nativo). Per estrarre il ferro dai suoi minerali, all'interno dei quali si trova nello stato ossidato, è necessario rimuovere le impurità per riduzione chimica del minerale. Il ferro si usa solitamente per produrre acciaio, che è una lega a base di ferro, carbonio ed altri elementi.

Il nucleo di ferro ha la più alta energia di legame per nucleone, perciò è l'elemento più pesante che è possibile produrre mediante fusione nucleare di nuclei atomici più leggeri e il più leggero che è possibile ottenere per fissione: quando una stella esaurisce tutti gli altri nuclei leggeri e arriva ad essere composta in gran parte di ferro, la reazione nucleare di fusione nel suo nucleo si ferma, provocando il collasso della stella su sé stessa e dando origine ad una supernova.

Secondo alcuni modelli cosmologici che teorizzano un universo aperto, vi sarà una fase dove, a seguito di lente reazioni di fusione e fissione nucleare, tutta la materia sarà convertita in ferro.

Applicazioni :
Il ferro è il metallo in assoluto più usato dall'umanità, rappresenta da solo il 95% della produzione di metalli del mondo. Il suo basso costo e la sua resistenza (nella forma detta acciaio) ne fanno un materiale da costruzione indispensabile, specialmente nella realizzazione di automobili , di scafi di navi e di elementi portanti di edifici. I composti del ferro più utilizzati comprendono:

la ghisa di prima fusione, contenente tra il 4% ed 5% di carbonio e quantità variabili di diverse impurezze quali lo zolfo, il silicio ed il fosforo. Il suo principale impiego è quello di intermedio nella produzione di ghisa di seconda fusione (la ghisa propriamente detta) e di acciaio;
la ghisa di seconda fusione, cioè la ghisa vera e propria, che contiene tra il 2% ed 3,5% di carbonio e livelli inferiori delle impurezze sopra menzionate, tali da non incidere negativamente sulle proprietà reologiche del materiale. Ha un punto di fusione compreso tra 1150°C e 1200°C, inferiore a quello di ferro e carbonio presi singolarmente, ed è, quindi, il primo prodotto a fondere quando ferro e carbonio sono scaldati insieme. È un materiale estremamente duro e fragile, si spezza facilmente, persino quando viene scaldato al calor bianco;
l'acciaio al carbonio, che contiene tra lo 0,5% e l'1% di carbonio;
il ferro comune (tecnicamente detto battuto o dolce), contenente meno dello 0,5% di carbonio. È un materiale duro e malleabile;
un ferro particolarmente puro, noto come "ferro Armco" viene prodotto dal 1927 con particolari procedimenti ed è impiegato dove si richiede una elevatissima permeabilità magnetica ed una isteresi magnetica trascurabile.
gli acciai speciali, addizionati oltre al carbonio di altri metalli quali il cromo, il vanadio, il molibdeno, il nichel e il manganese per conferire alla lega particolari caratteristiche di resistenza fisica o chimica;
l'ossido di ferro(III) (Fe2O3), nelle varietà magnetite e maghemite usato per le sue proprietà magnetiche come materiale per la produzione di supporti di memorizzazione - ad esempio supportato sui polimeri nei nastri magnetici.

Storia :
Ferro fuso durante la lavorazione dell'acciaioLe prime prove di uso del ferro vengono dai Sumeri e dagli Egiziani, che già 4000 anni prima di Cristo lo usavano per piccoli oggetti come punte di lancia e gioielli ricavati dal ferro recuperato da meteoriti. Poiché i meteoriti cadono dal cielo, alcuni linguisti hanno ipotizzato che la parola inglese iron (ferro), copiata in molte altre lingue dell'Europa nordoccidentale, derivi dall'etrusco aisar, che significa "gli dei".

La storia dell'impiego e della produzione del ferro è comune a quella delle sue leghe ghisa e acciaio.

L'ACCIAIO :
Acciaio è il nome dato ad una lega composta principalmente da ferro e carbonio, quest'ultimo in percentuale non superiore al 2,1%: oltre tale limite, le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa.

Oltre al carbonio possono essere presenti degli ulteriori elementi alliganti. Si parla allora di "acciai legati".
Il carbonio si presenta esclusivamente sotto forma di cementite o carburo di ferro. Le particelle di cementite presenti nella microstruttura dell'acciaio, in determinate condizioni, bloccano gli scorrimenti delle dislocazioni, conferendo all'acciaio caratteristiche meccaniche migliori di quelle del ferro puro.
Gli acciai sono leghe sempre plastiche a caldo, cioè fucinabili, a differenza delle ghise.

Cenni storici :
L'importanza dell'acciaio è enorme, i suoi usi sono innumerevoli, come anche le varietà in cui esso viene prodotto: senza la disponibilità di acciaio in quantità e a basso costo, la rivoluzione industriale non sarebbe stata possibile. Col passare del tempo le tecniche di produzione dell'acciaio si sono andate perfezionando e settorializzando, per cui ai nostri giorni esistono molteplici tipologie di acciai, ciascuna relativa a diverse esigenze progettuali e di mercato.

Produzione dell'acciaio :Produzione dell'acciaio.Attualmente nel mondo si producono ogni anno oltre 1 miliardo di tonnellate di acciaio [1], successivamente lavorato tramite diversi processi di produzione industriale, quali ad esempio la fusione, la forgiatura e lo stampaggio.

Estrazione e preparazione dei minerali di ferro :
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L'estrazione dei minerali metalliferi, necessari per la produzione del ferro, avviene in cave a cielo aperto o sotterranee in siti che presentino una loro concentrazione rilevante. Come per molti metalli, si effettua la frantumazione dei minerali estratti ed una successiva macinazione. Questi vengono lavati da polveri ed impurità e categorizzati a seconda della concentrazione dei metalli contenuti mediante separazione magnetica o gravitazionale. Seguono poi le operazioni di flottazione, vagliatura, calibratura, essiccazione, calcinazione e arrostimento dei minerali. A questo punto i minerali di ferro sono stati ripuliti dalla maggior parte delle impurità e sono pronti per essere fusi negli altiforni.

Produzione della ghisa grezza :
Affinazione della ghisa grezza per la produzione degli acciai di base e di qualità (convertitori)

All'uscita dall'altoforno la ghisa presenta un tasso di carbonio ancora elevato, che la rende particolarmente dura e fragile, ovvero di scarso interesse industriale. Viene quindi trattata in appositi convertitori, dove viene investita da un getto d'aria continuo, grazie al quale il carbonio presente nella ghisa si combina con l'ossigeno dell'aria, formando anidride carbonica, che viene smaltita attraverso i fumi, insieme ad altre impurezze presenti nella ghisa.

Durante tutto il processo, che avviene a temperature prossime ai 1000°C, non è necessario fornire ingenti quantità di calore per mantenere la ghisa allo stato fuso, infatti la reazione di formazione dell'anidride carbonica, essendo fortemente esotermica, consente al processo di autoalimentarsi.

Nel tempo convertitori più sofisticati, come i cosiddetti LD, che al posto dell'aria utilizzano ossigeno, aumentando di misura il rendimento del processo.

Procedimento al forno elettrico (produzione degli acciai speciali dai rottami) :
La nascita dei primi forni elettrici risale all'inizio del 1900. Il funzionamento consisteva nella fusione dei rottami ferrosi nel forno fusorio, grazie al calore sprigionato da un arco voltaico generato tra un elettrodo ed il rottame sottostante.

Colata dell'acciaio :
Colata in lingotti :
Per approfondire, vedi la voce Colata in lingottiera.
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Colata continua :
Colata continua in una acciaieria.La colata continua è un procedimento più recente della colata in lingotti, che abbina il processo di solidificazione alla laminazione primaria [2].

Dopo la fabbricazione dell'acciaio liquido, esso viene portato con recipienti, detti siviere, alla macchina di colaggio; le siviere sono in acciaio rivestite di adeguato materiale refrattario. A seconda della capacità del forno, le siviere hanno una capacità di 60÷300 t. L'acciaio viene passato dalla siviera in un recipiente detto paniera, e da questo colato tramite un tubo, detto tuffante (o scaricatore), ad una lingottiera in rame raffreddata, che può avere varie forme (rettangolare, quadrata o tonda). A seconda della forma del prodotto grezzo colato il processo di colaggio si differenzia in forma di prodotti piani o lunghi. I prodotti piani hanno solitamente dimensioni comprese fra 1 e 2 metri e spessore di 150÷250 mm. I prodotti lunghi possono essere tondi con diametri fra 180 e 700 mm, oppure a sezione quadrata o rettangolare, di dimensioni 140÷160 mm o infine con dimensioni fra 200 e 400 mm.

Nella lingottiera l'acciaio inizia a solidificare e forma un guscio solido che costituisce la parte esterna del prodotto finale. La solidificazione si completa nella fase immediatamente successiva, attraverso il raffreddamento secondario. Questo viene svolto da una serie di ugelli che spruzzano acqua sulla superficie del prodotto in fase di solidificazione. A solidificazione ultimata, il prodotto grezzo viene sezionato nella macchina di taglio in parti di lunghezza definita ed è quindi pronto per la fase successiva di laminazione, eventualmente preceduta da trattamenti termici.

La colata continua ha portato a fine anni '70 all'introduzione di un nuovo tipo di impianto siderurgico, chiamato mini-mill. L'acciaio è prodotto dalla fusione tramite fornace ad arco elettrico (vedi sezione precedente) di rottami ferrosi e successivamente colato in modo continuo in billette di piccola sezione per essere lavorato in coils, funi o altri semilavorati. Rispetto alla produzione tradizionale (cokeria - altoforno) questo approccio ha il vantaggio di essere estremamente più flessibile, dal momento che la produzione può essere rallentata o fermata spegnendo la fornace ad arco elettrico, in accordo alle fluttuazioni correnti del mercato dell'acciaio.

Designazione alfanumerica degli acciai :
Esistono moltissimi tipi di acciaio, le cui composizioni e denominazioni sono stabilite da apposite norme tecniche: in Europa le Euronorme (EN) emesse dal Comitato Europeo di Normazione (CEN) e in America l'ASTM (America Society Testing Materials), in collaborazione con l'AISI (American Iron and Steel Institute) ed internazionalmente le ISO (International Standard Institute).

Gli acciai possono essere classificati in:
Gruppo I (UNI EN 10027-2): acciai di base e di qualità.
Gruppo II: acciai speciali (differiscono dgli altri acciai per la loro composizione chimica).

Gruppo I (UNI EN 10027-2)
Costituiscono il tipo più comune e meno costoso. Comprendono gli acciai di base e di qualità, anche detti acciai da costruzione di uso generale.

Hanno caratteristiche meccaniche inferiori rispetto agli acciai speciali. In particolare, sono adatti a resistere a sollecitazioni soprattutto statiche (come nel caso delle costruzioni civili).
Attualmente, sono di solito posti in opera mediante saldatura, da cui la necessità di un'adeguata saldabilità. Sono generalmente impiegati allo stato grezzo di laminazione (non hanno quindi bisogno di essere sottoposti a trattamento termico), anche se in qualche caso sono sottoposti a normalizzazione.
A temperature molto basse possono perdere resilienza, diventando fragili (fenomeno della transizione duttile fragile).

La designazione deve comprendere i seguenti simboli:
TA = ricottura di distensione
TB = ricottura di coalescenza
TC = ricottura completa
TD = normalizzazione
TE = normalizzazione e rinvenimento di distensione
TF = bonifica
TG = austenizzazione.
Requisiti particolari:

KD = acciaio adatto alla deformazione plastica a freddo
KQ = acciaio adatto alla bordatura
KR = acciaio adatto alla produzione di tubi saldati
KU = acciaio adatto alla costruzione di utensili
KW = acciaio adatto all’impiego ad alte temperature.

Gruppo II
Corrisponde agli acciai speciali, che sono acciai con caratteristiche particolari. Talvolta hanno caratteristiche meccaniche superiori, che si ottengono a seguito di un appropriato trattamento termico. Si posso dividere in 4 sottogruppi:

2.1 acciai non legati (ad eccezione degli acciai per lavorazioni meccaniche ad alta velocità), con tenore medio di manganese inferiore all'1%;
La designazione deve comprendere i seguenti simboli: La lettera C, un numero corrispondente alla percentuale media di carbonio moltiplicata per 100 (ad esempio C50).

2.2 acciai non legati con tenore medio di manganese maggiore all'1%; acciai non legati per lavorazioni meccaniche ad alta velocità, debolmente legati con massa ponderale di ciascun elemento inferiore al 5%;
La designazione deve comprendere i seguenti simboli: Un numero corrispondente alla percentuale media di carbonio moltiplicata per 100, i simboli degli elementi di lega se superano un limite loro caratteristico (es. Mn 0,8-1%, Si 1%), il tenore percentuale in massa del primo elemento moltiplicato per: 4 per Ni e Cr 10 per Mo 1000 per B e arrotondato all'intero più vicino (ad esempio 36 CrNiMo7).

2.3 acciai fortemente legati (se hanno almeno un elemento di lega superiore al 5%);
La designazione deve comprendere i seguenti simboli: La lettera X, un numero corrispondente alla percentuale media di carbonio moltiplicata per 100, i simboli degli elementi di lega se superano il limite loro caratteristico, le percentuali in massa degli elementi citati SOLO se superano il 5%, scritti in 2 numeri e separati da trattino (ad esempio X 10CrNi 18-0Cool.

2.4 acciai rapidi.
La designazione deve comprendere i seguenti simboli: Lettere HS, i numeri corrispondenti agli elementi in lega separati da trattini. I numeri corrispondono ai seguenti elementi in questo ordine: W,Mo,V,Co (Es. Hs 2-9-1-Cool.

Acciai di comune impiego in base alla destinazione d'uso
Acciaio da bonifica :
È adatto a sopportare carichi elevati, urti e soprattutto a resistere a fatica. Possiede il miglior compromesso fra resilienza e tenacità. Ha una concentrazione di carbonio compreso fra lo 0,21% e lo 0,60%.
Gli elementi leganti, oltre a permettere di diminuire la concentrazione di carbonio alla quale si ha la massima tenacità, hanno le seguenti funzioni:

nichel: favorisce tenacità e temprabilità;
cromo: favorisce la temprabilità;
molibdeno: opera contro lo svilupparsi della malattia di Krupp (fragilità al rinvenimento);
manganese: migliora la temprabilità;
vanadio: affina la grana cristallina.
È di solito trattato con la tempra, in acqua o in olio, e con il rinvenimento a circa 620°C.

Esempi di acciai da bonifica: C40, 39NiCrMo3, 34NiCrMo16, 36CrMn5.
Acciaio da nitrurazione :
Acciai usati per processo di nitrurazione. Di solito hanno in lega un tenore di carbonio tra 0,29% - 0,43%, sono acciai da bonifica con la presenza di alluminio (minimo 1%) o altri elementi leganti che possano formare nitruri come ad esempio il nickel, cromo, molibdeno. La nitrurazione è un trattamento termochimico. Il pezzo viene prima sottoposto ad un trattamento di bonifica e poi di nitrurazione, questo perché si forma uno strato di nitruri durissimi che con la tempra potrebbe scheggiarsi(questo perché quando si raffredda dopo tempra si forma martensite che aumenta di volume, creando così tensioni che spingono dal cuore verso la superficie). I pezzi vengono fatti scaldare nei forni a temperatura di 700 C°, nel forno viene immesso un gas ricco di azoto, l'ammoniaca gassosa (NH3). A quella temperatura l'azoto tende a concentrarsi sulla superficie del pezzo, creando una coltre bianca, quando si raggiunge una certa concentrazione di azoto, questo tende a penetrare dentro il pezzo formando uno strato di nitruri durissimi. Questo strato può arrivare ad uno spessore di 2 decimi di millimetro, ma richiederebbe 50 ore. Per questo motivi si effettua un trattamento più veloce che comporta la creazione di uno strato inferiore, solo pochi micron in poche ore. questo strato e durissimo, circa 1200 HV (hardness vickers), che tende a sfogliarsi e rompersi se colpito da corpi appuntiti, a quel punto lo strato diventa inutile e si rende necessaria la rimozione dell'intero strato.

Acciaio autotemprante :
Si indicano con questo nome quegli acciai che assumono una struttura di tempra, ossia martensitica, per semplice raffreddamento all'aria. Oltre che per il particolare mezzo di tempra, gli acciai autotempranti si differenziano dagli ordinari acciai da bonifica anche per la temperatura del rinvenimento che ordinariamente è intorno ai 200 °C. Questo trattamento termico è possibile in quanto, dato il notevole tenore di elementi di lega pregiati, quali il nichel, il cromo, il molibdeno e in alcuni tipi il tungsteno, scostano nettamente le curve anisoterme verso destra. Anche le caratteristiche meccaniche sono eccezionali, con resistenze a trazione elevatissime (dell'ordine di 2000 MPa) e una tenacità soddisfacente anche in virtù del raffreddamento meno drastico in aria. Sono così ad esempio acciai autotempranti gli acciai al manganese e quelli al nichel corrispondenti a punti della zona a struttura perlitica, dei rispettivi diagrammi di Guillet, vicini alla zona di transizione con quelli a struttura martensitica; ma tali acciai, come si è già notato, non possono venire utilizzati a causa della loro fragilità. Interessanti applicazioni hanno invece gli acciai al cromo-nichel con C = 0,3% - 0,5%; Ni = 3% - 6%; Cr = l% - 2%, e somma dei tre elementi almeno uguale a 5%. Tali materiali dopo ricottura presentano struttura perlitica, sono caratterizzati da una spiccata tendenza ad assumere struttura martensitica, struttura che si ottiene con semplice raffreddamento all'aria e che evidenzia elevata durezza connessa però ad una duttilità e tenacità ancora soddisfacente. La ragione di tutto ciò risiede nel fatto che le curve anisoterme sono notevolmente spostate verso destra. L'impiego di questi acciai è conveniente in tutti i casi nei quali per ragioni di progetto siano necessari i maggiori valori per i carichi di lavoro, oltre che una elevata tenacità. Ma vi è anche un'altra categoria di applicazioni nelle quali essi possono costituire una felice soluzione, e precisamente per ingranaggi, alberi a camme, ed in genere particolari costruttivi di macchine e pezzi vari, in luogo di acciai cementati o nitrurati; ed infatti essi rappresentano una terza possibilità di avere una superficie molto dura e resistente all'usura, la quale rispetto alla cementazione ed alla nitrurazione offre i seguenti vantaggi: 1) indeformabilità alla tempra, per cui il pezzo può essere ultimato nella lavorazione meccanica prima della tempra; 2) semplificazione dei cicli di lavorazione con la soppressione di qualsiasi operazione di indurimento superficiale; 3) assenza dello strato superficiale più o meno fragile la cui presenza costituisce sempre un inconveniente, e che, specialmente con la nitrurazione, impedisce di elevare la pressione unitaria, per pericolo di sfondamento dello strato stesso; 4) resistenza elevatissima del pezzo, molto superiore a quelle ottenibili nel nucleo sia con gli acciai da cementazione sia con quelli da nitrurazione.

Acciaio da cementazione :
Per eseguire la carbocementazione conviene adoperare un acciaio con bassa percentuale di carbonio, non superiore allo 0,20%, in modo da velocizzare la diffusione e contemporaneamente avere già un nucleo tenace.
Essendo la cementazione costosa, non conviene risparmiare sulla tempra, che invece è indispensabile per massimizzare la durezza ottenibile. Il rinvenimento si ferma sempre al primo stadio.
Possono essere acciai non legati( C10, C16) oppure debolmente legati. Si utilizzano i leganti tipici dell'acciaio da bonifica:
nichel, per la tenacità e la temprabilità;
cromo e molibdeno, per la temprabilità e la stabilizzazione dei carburi.
Esempi: C10 (è il più debole), C16, Acciaio 16NiCrMo12 (è il più forte), Acciaio 20NiCrMo2, Acciaio 18NiCrMo5.

Acciaio per molle :
Proprietà richieste sono :
tensione di snervamento vicina alla tensione di rottura;
resistenza alla fatica, ottenuta con struttura omogenea di almeno 80% di martensite al cuore (quindi l'acciaio è molto temprabile).
Con le leghe al solo carbonio, in concentrazione superiore allo 0,40%, si hanno gli acciai armonici, per cemento armato precompresso, funi (in questo caso vengono patentati), strumenti musicali.
Per usi più impegnativi si aggiunge soprattutto il silicio fino al 2%, che rafforza ma infragilisce; il cromo aumenta la temprabilità, il nichel aumenta la tenacità. Alcuni esempi: 55Si7 per sospensioni e balestre dei treni; 52SiCrNi5 per molle di pregio; 50CrV4 (KVRG).
Si esegue sempre il rinvenimento a 450°C così che i carburi precipitino ma non inizino a coalescere.

Acciaio per cuscinetti a rotolamento :
Sono acciai di altissima qualità , sono esenti da materiali intermetallici.
Proprietà
elevata durezza
resistenza ad usura
elevata resistenza a fatica.
Il più utilizzato è il 100Cr6.

Acciaio inossidabile :
Salsiera in acciaio inossidabile.Acciaio inox o acciaio inossidabile è il nome dato correntemente agli acciai ad alto tenore di cromo, per la loro proprietà di non arrugginire se esposti all'aria e all'acqua: il cromo, ossidandosi a contatto con l'ossigeno, si trasforma in ossido di cromo (CrO2) che aderisce al pezzo, impedendone un'ulteriore ossidazione (tale fenomeno è noto come passivazione).
Sono una classe estremamente importante di acciai, usata per gli scopi più disparati: a partire dalla loro scoperta nel 1913, e grazie soprattutto ai successivi progressi della metallurgia fra gli anni '40 e '60, hanno ampliato il loro sviluppo e le loro applicazioni; tuttora vengono perfezionati e adattati alle richieste dei vari settori industriali, come il petrolifero/petrolchimico, minerario, energetico, nucleare ed alimentare.

Acciaio per utensili :
Per le applicazioni meno severe si possono usare acciai al solo carbonio, altrimenti è necessario aggiungere elementi leganti per aumentare la durezza.

Carbonio: una concentrazione dello 0,6% potrebbe già offrire la massima durezza, tuttavia parte del C si combina con altri elementi presenti e quindi può essere necessario aumentarne il contenuto.

Manganese: ha azione disossidante, migliora la temprabilità e facilita la formazione di carburi.

Silicio: ha azione disossidante, aumenta la resistenza all'ossidazione.

Cromo: aumenta la temprabilità, stabilizza i carburi.

Vanadio: previene l'ingrossamento del grano, utile per avere durezza ad alta temperatura.

Tungsteno e molibdeno: utili per la resistenza all'usura alle alte temperature.

Cobalto: presente negli acciai super-rapidi.
Data la presenza di carburi di difficile soluzione, la tempra è eseguita ad alta temperatura; si deve comunque valutare bene quest'ultima in quanto, se troppo bassa, il carbonio non si scioglie e si forma martensite povera; se troppo alta, un'eccessiva quantità di carbonio entra nell'austenite stabilizzandola fino a bassa temperatura.
Nel caso di acciai per lavorazioni a caldo e rapidi, si ha un indurimento secondario aumentando la temperatura di rinvenimento oltre i 400°C.

Acciaio rapido :
È la più importante tipologia di acciaio utilizzato nella costruzione di utensili per la lavorazione veloce del metallo. Se ne può fare la seguente schematizzazione:
super rapido (ad esempio X78WCo1805 KU), riconoscibile dalla presenza del cobalto e adatto ad alte velocità di taglio (vt = 40 m/min su materiale con Rm = 500 MPa) ma non ad utensili sottoposti ad urti (ad esempio: barrette, placchette, frese...);
rapido (ad esempio X85WMo0605 e X85WMoCoV6.5.4.2 KU), che si distingue dal precedente soprattutto per l'assenza del cobalto, acquistando così maggiore tenacità (punte elicoidali, maschi, creatori, coltelli...);
semi rapido per medie e basse velocità di taglio (vt = 15 m/min su materiale con Rm = 500 MPa).
Normalmente l'acciaio rapido è ricotto a 800-900°C, temprato a 1180-1300°C e rinvenuto a 550°C anche più volte (a causa dell'enorme quantità di austenite residua).

Acciaio per lavorazioni a freddo :
L'elevata durezza è solitamente dovuta all'alto tenore di carbonio; altre proprietà, quali tenacità, resistenza all'usura, indeformabilità al trattamento termico, penetrazione di tempra, capacità di taglio..., sono raggiunte con ulteriori elementi in soluzione. Non ci si deve stupire quindi della composizione molto varia di questi acciai: al carbonio, al cromo-carbonio, al tungsteno-cromo, al tungsteno e al manganese-vanadio.
Il rinvenimento deve essere attorno ai 200°C, altrimenti si decompone la martensite.
Esempi di acciaio di questa categoria sono X210Cr13, che si può usare per la costruzione di lame per sega circolare, 107WCr5KU, impiegato negli utensili per la lavorazione del legno, X205Cr12KU, utile per esempio per la produzione di punzoni per stampi di pressatura di polveri metalliche.

Acciaio amorfo (vetri metallici) :
Normalmente l'acciaio ha una struttura cristallina; con velocità di raffreddamento estremamente rapide è possibile inibire la nucleazione, ottenendo una struttura amorfa (stato vetroso). Questo tipo di materiale detto acciaio amorfo o acciaio vetroso può essere, considerato come un liquido super-viscoso, alla pari del comune vetro. Esistono da tempo procedimenti (quali il melt spinning o l'atomizzazione), che permettono di ottenere tali strutture.

Recentemente (articolo sulla rivista Physical Review Letters del 18 giugno 2004) è stato descritto un procedimento più efficace, a lungo inseguito dai metallurgici, per ottenere acciai amorfi.

Alla base del processo, vi è l'aggiunta alla lega di opportuni elementi, quali l'ittrio, che inibiscono la nucleazione, favorendo il mantenimento dello stato amorfo. L'acciaio risultante ha una durezza e una resistenza circa doppia/tripla rispetto a quelle dei migliori acciai convenzionali.

Trattamenti termici degli acciai :
I trattamenti termici degli acciai sono delle modificazioni a caldo della struttura molecolare di tali leghe che conferiscono diverse caratteristiche meccaniche agli stessi.
Possono essere suddivisi in due grosse categorie a seconda che si abbia trasformazione di fase o meno.

Trattamenti superficiali
Carbocementazione :

Detto anche semplicemente cementazione, è un trattamento termico che consiste nell'aumentare il contenuto di carbonio nello strato superficiale a una temperatura superiore a quella che rende il reticolo cristallino in grado di assorbire carbonio ; questo permette, con la successiva tempra, di ottenere uno strato superficiale molto duro di martensite (una struttura non presente nel diagramma di equilibrio Fe-C), permettendo al pezzo di mantenere buone caratteristiche meccaniche di elasticità. Si può fare in forma solida, liquida o gassosa, ed è seguita dalla tempra del materiale. I pezzi cementati perdono però gradatamente le loro caratteristiche superficiali se sottoposti a temperature oltre i 200ºC.
La fase più lenta del processo, e quindi quella dominante, è la diffusione all'interno della matrice metallica; essa è regolata dalla seconda legge di Fick.

Nitrurazione :
Come la carbocementazione, anche questo è un processo di indurimento superficiale: l'acciaio viene portato a 500°C e investito da una corrente di ammoniaca gassosa che si dissocia in azoto e idrogeno. L'azoto viene assorbito dagli strati superficiali del metallo con cui forma nitruri, prevalentemente Fe4N, molto duri.
Lo spessore dello strato indurito è minore di quello ottenuto per cementazione, ma in compenso la sua durezza è molto maggiore e rimane stabile fino a temperature di 600-700°C. Esiste pure la carbonitrurazione: tale processo di indurimento è simile, ma avviene a temperature molto superiori ai 500°C.

Cianurazione :
Il trattamento di cianurazione degli acciai consiste nel riscaldare i pezzi a una temperatura di circa 800 °C immergendoli o cospargendoli di cianuro di potassio. Si mantengono nel bagno liquido per circa 10 - 15 minuti e quindi si raffreddano rapidamente. Si solitamente applica agli acciai a basso tenore di carbonio, per aumentarne la durezza. I componenti essenziali dei bagni al cianuro consistono nel cianuro complesso di cadmio, nel cianuro di sodio o di potassio libero e nell'idrossido di sodio o di potassio. Accanto a questi costituenti si trova sempre il carbonato alcalino che si forma spontaneamente con l'anidride carbonica dell'aria.

Borurazione :
Comunemente chiamato "cementazione al boro", e' un trattamento in grado di conferire durezze superiori a 2000 HV. Il processo viene condotto a temperature prossime agli 850°C posizionando i pezzi meccanici in cassette in acciaio inossidabile alla presenza di carburo di boro e fluoruri alcalini. Il tempo di permanenza a temperatura è direttamente proporzionale alla profondità che si vuole ottenere.

Calmaggio :
Il calmaggio è una fase del processo di produzione dell'acciaio, che avviene dopo la decarburazione nel convertitore ad ossigeno. Nell'acciaio può essere presente dell'ossigeno residuo, in soluzione sotto forma di monossido di carbonio (CO): l'acciaio è detto effervescente. L'acciaio così prodotto non è facilmente deformabile. Per ridurre tale fenomeno si può (in fase liquida, in siviera) aggiungere piccole dosi di alluminio e silicio, che formano con l'ossigeno degli ossidi solidi. Si produce così acciaio calmato, semicalmato o equilibrato.

Il mercato dell'acciaio :
L'acciaio è quotato nelle maggiori Borse del mondo. Attualmente, la scalata di Mittal, il colosso siderurgico indiano, su Arcelor, ha creato il primo gruppo mondiale dell'acciaio (la Arcelor Mittal, con una quota di mercato intorno al 10%).

Ad oggi non esiste una Borsa dell'acciaio in cui vengano quotati i prodotti siderurgici. Sono tuttavia allo studio dei progetti finalizzati a crearne una per poter consentire alle aziende l'utilizzo di strumenti derivati di copertura.

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