Acciaio al carbonio

Lo scopo del trattamento termico dell’acciaio al carbonio è quello di modificare le proprietà meccaniche dell’acciaio, di solito duttilità, durezza, resistenza allo snervamento o resistenza agli urti. Si noti che la conduttività elettrica e termica sono solo leggermente alterate. Come con la maggior parte delle tecniche di rinforzo per l’acciaio, il modulo di Young (elasticità) non è influenzato., Tutti i trattamenti di acciaio commercio duttilità per una maggiore resistenza e viceversa. Il ferro ha una maggiore solubilità per il carbonio nella fase austenitica; quindi tutti i trattamenti termici, ad eccezione della sferoidizzazione e della ricottura di processo, iniziano riscaldando l’acciaio ad una temperatura alla quale può esistere la fase austenitica. L’acciaio è poi estiguuto (calore tirato fuori) ad un tasso moderato a basso permettendo carbonio per diffondere fuori dell’austenite formando ferro-carburo (cementite) e lasciando ferrite, o ad un tasso elevato, intrappolando il carbonio all’interno del ferro formando così martensite., La velocità con cui l’acciaio viene raffreddato attraverso la temperatura eutettoide (circa 727 °C) influisce sulla velocità con cui il carbonio si diffonde dall’austenite e forma la cementite. In generale, il raffreddamento rapido lascerà il carburo di ferro finemente disperso e produrrà una perlite a grana fine e il raffreddamento lentamente darà una perlite più grossolana. Raffreddamento di un acciaio ipoeutettoide (meno di 0,77 wt% C) si traduce in una struttura lamellare-perlitica di strati di carburo di ferro con α-ferrite (ferro quasi puro) tra. Se si tratta di acciaio ipereutettoide (più di 0.,77% in peso C) quindi la struttura è piena perlite con piccoli grani (più grandi della lamella perlite) di cementite formata sui confini del grano. Un acciaio eutettoide (0,77% di carbonio) avrà una struttura perlitica in tutti i grani senza cementite ai confini. Le quantità relative di costituenti si trovano usando la regola della leva. La seguente è una lista dei tipi di trattamenti termici possibili:

Spheroidizing Spheroidite si forma quando l’acciaio al carbonio viene riscaldato a circa 700 °C per oltre 30 ore., La spheroidite può formarsi a temperature più basse ma il tempo necessario aumenta drasticamente, poiché si tratta di un processo controllato dalla diffusione. Il risultato è una struttura di barre o sfere di cementite all’interno della struttura primaria (ferrite o perlite, a seconda del lato dell’eutettoide su cui ti trovi). Lo scopo è quello di ammorbidire gli acciai al carbonio più elevati e consentire una maggiore formabilità. Questa è la forma più morbida e duttile dell’acciaio. Il acciaio al carbonio di ricottura completo è riscaldato a circa 40 °C sopra Ac3? o Acm?, per 1 ora; questo assicura che tutta la ferrite si trasformi in austenite (anche se la cementite potrebbe ancora esistere se il contenuto di carbonio è maggiore dell’eutettoide). L’acciaio deve quindi essere raffreddato lentamente, nel regno di 20 °C (36 °F) all’ora. Di solito è solo raffreddato forno, dove il forno è spento con l’acciaio ancora all’interno. Ciò si traduce in una struttura perlitica grossolana, il che significa che le “bande” di perlite sono spesse. L’acciaio completamente temprato è morbido e duttile, senza sollecitazioni interne, spesso necessarie per la formazione economica. Solo l’acciaio sferoidizzato è più morbido e duttile., Processo di ricottura Un processo utilizzato per alleviare lo stress in un acciaio al carbonio lavorato a freddo con meno dello 0,3% C. L’acciaio viene solitamente riscaldato a 550-650 °C per 1 ora, ma a volte temperature fino a 700 °C. L’immagine verso destra mostra l’area in cui si verifica la ricottura del processo. Ricottura isotermica È un processo in cui l’acciaio ipoeutettoide viene riscaldato al di sopra della temperatura critica superiore. Questa temperatura viene mantenuta per un certo tempo e quindi ridotta al di sotto della temperatura critica più bassa e viene nuovamente mantenuta. Viene quindi raffreddato a temperatura ambiente. Questo metodo elimina qualsiasi gradiente di temperatura., La normalizzazione dell’acciaio al carbonio è riscaldata a circa 55 °C sopra Ac3 o Acm per 1 ora; questo assicura che l’acciaio si trasformi completamente in austenite. L’acciaio viene quindi raffreddato ad aria, che è una velocità di raffreddamento di circa 38 °C (100 °F) al minuto. Ciò si traduce in una struttura perlitica fine e in una struttura più uniforme. L’acciaio normalizzato ha una resistenza superiore all’acciaio ricotto; ha una resistenza e una durezza relativamente elevate. Tempra acciaio al carbonio con almeno 0,4 wt % C viene riscaldato a temperature normalizzanti e poi rapidamente raffreddato (estiguuto) in acqua, salamoia o olio alla temperatura critica., La temperatura critica dipende dal contenuto di carbonio, ma come regola generale è inferiore all’aumentare del contenuto di carbonio. Ciò si traduce in una struttura martensitica; una forma di acciaio che possiede un contenuto di carbonio super-saturo in una struttura cristallina cubica (BCC) centrata sul corpo deformata, correttamente definita tetragonale centrata sul corpo (BCT), con molto stress interno. Quindi l’acciaio temprato è estremamente duro ma fragile, di solito troppo fragile per scopi pratici. Queste sollecitazioni interne possono causare crepe di stress sulla superficie., L’acciaio temprato è circa tre volte più duro (quattro con più carbonio) dell’acciaio normalizzato. Martempering (marquenching) Martempering non è in realtà una procedura di rinvenimento, da qui il termine marquenching. È una forma di trattamento termico isotermico applicato dopo una tempra iniziale, tipicamente in un bagno di sale fuso, ad una temperatura appena sopra la “temperatura di inizio martensite”. A questa temperatura, le tensioni residue all’interno del materiale sono alleviate e una certa bainite può essere formata dall’austenite trattenuta che non ha avuto il tempo di trasformarsi in qualcos’altro., Nell’industria, questo è un processo utilizzato per controllare la duttilità e la durezza di un materiale. Con marquenching più lungo, la duttilità aumenta con una minima perdita di resistenza; l’acciaio viene tenuto in questa soluzione fino a quando le temperature interne ed esterne della parte non si equalizzano. Quindi l’acciaio viene raffreddato a una velocità moderata per mantenere il gradiente di temperatura minimo. Questo processo non solo riduce le sollecitazioni interne e le crepe da stress, ma aumenta anche la resistenza agli urti., Rinvenimento Questo è il trattamento termico più comune riscontrato, perché le proprietà finali possono essere determinate con precisione dalla temperatura e dal tempo del rinvenimento. Il rinvenimento comporta il riscaldamento dell’acciaio temprato a una temperatura inferiore alla temperatura eutettoide, quindi il raffreddamento. La temperatura elevata consente di formare quantità molto piccole di sferoidite, che ripristina la duttilità, ma riduce la durezza. Le temperature e i tempi effettivi sono scelti con cura per ogni composizione., Austempering Il processo austempering è lo stesso martempering, tranne che la tempra è interrotto e l’acciaio è tenuto nel bagno di sale fuso a temperature comprese tra 205 °C e 540 °C, e poi raffreddato ad una velocità moderata. L’acciaio risultante, chiamato bainite, produce una microstruttura acicolare nell’acciaio che ha una grande resistenza (ma inferiore alla martensite), una maggiore duttilità, una maggiore resistenza agli urti e una minore distorsione rispetto all’acciaio martensite. Lo svantaggio dell’austempering è che può essere utilizzato solo su alcuni acciai e richiede uno speciale bagno di sale.