La composizione chimica di un acciaio ne costituisce la caratteristica fondamentale. Ogni decisione che segue il processo di produzione dell’acciaio – come un materiale risponderà al trattamento termico, se potrà essere saldato senza preriscaldamento, se resisterà alla corrosione in un determinato ambiente, come si comporterà a basse temperature – dipende dalla sua composizione. Per gli ingegneri professionisti, leggere un certificato di composizione è una routine; comprendere quale sia la funzione di ciascun elemento e perché sia presente è ciò che rende utile tale lettura.
L'acciaio è una lega a base di ferro in cui il carbonio è il principale elemento di lega. Il carbonio si dissolve nel reticolo cristallino del ferro e, a seconda del trattamento termico, si distribuisce in modi tali da produrre una gamma molto ampia di microstrutture e proprietà meccaniche. Il limite massimo di carbonio per l’acciaio è generalmente fissato al 2,1% in peso; oltre tale soglia, la lega si solidifica con carburi primari e viene classificata come ghisa, con caratteristiche di lavorazione fondamentalmente diverse.
All’interno della gamma degli acciai, il tenore di carbonio è la variabile principale che determina la risposta al trattamento termico. Gli acciai a basso tenore di carbonio sono tenaci e saldabili, ma non si induriscono in modo significativo. Le qualità ad alto tenore di carbonio raggiungono un’elevata durezza e resistenza dopo la tempra, ma diventano progressivamente più difficili da saldare e più sensibili alla frattura fragile se i processi termici non vengono controllati con attenzione.
Oltre al carbonio, la maggior parte degli acciai commerciali contiene elementi aggiuntivi inseriti intenzionalmente per ottenere specifici risultati metallurgici. La scelta e l’equilibrio di questi elementi è ciò che distingue un acciaio strutturale dolce da un acciaio inossidabile duplex, da un acciaio per applicazioni criogeniche o da un acciaio per recipienti a pressione resistente allo scorrimento.
Il manganese è presente praticamente in tutti i tipi di acciaio commerciali. Agisce come disossidante durante la produzione dell’acciaio, migliora la temprabilità e si combina con lo zolfo per formare solfuro di manganese, che è significativamente meno dannoso per le proprietà rispetto al solfuro di ferro. Il cromo, a livelli superiori a circa il 10,5% in peso, forma il film di ossido passivo che conferisce agli acciai inossidabili la loro resistenza alla corrosione; a concentrazioni inferiori contribuisce alla temprabilità e alla resistenza all’usura. Il nichel migliora la tenacità e la resistenza agli urti a basse temperature e sotto lo zero, rendendolo l’elemento aggiuntivo fondamentale negli acciai destinati ad applicazioni criogeniche e in condizioni artiche. Il molibdeno aumenta la resistenza alle alte temperature e alla scorrimento ed è un elemento standard negli acciai per recipienti a pressione e impianti a temperatura elevata. Il vanadio e il niobio, efficaci a concentrazioni molto basse, agiscono come raffinatori di grana e induritori per precipitazione; sono gli elementi caratteristici delle moderne qualità ad alta resistenza e bassa lega (HSLA), in cui si ottengono significativi aumenti di resistenza senza aumentare il tenore di carbonio. Il silicio funge principalmente da disossidante, sebbene a livelli più elevati venga utilizzato per personalizzare le proprietà magnetiche negli acciai elettrici.
Anche il fosforo e lo zolfo sono presenti in tutti gli acciai, non come aggiunte intenzionali ma come impurità di processo introdotte attraverso le materie prime. Entrambi compromettono le proprietà meccaniche al di sopra dei livelli di traccia e sono tenuti entro limiti massimi definiti in tutte le qualità tecniche. Le moderne pratiche di produzione dell’acciaio mantengono questi elementi a livelli sufficientemente bassi da rendere trascurabile il loro effetto sulle proprietà nella stragrande maggioranza delle applicazioni.
La tabella che segue riassume questi elementi, le loro funzioni e gli intervalli di composizione tipici della prassi commerciale.
Tabella 1. Elementi principali nella composizione dell'acciaio, loro funzione e intervalli indicativi di percentuale in peso. I valori riflettono la normale prassi commerciale; i limiti specificati sono definiti dalla norma di prodotto applicabile.
Elemento
Ruolo
Intervallo tipico (% in peso)
Carbonio (C)
Elemento di rinforzo primario; determina la durezza e la risposta al trattamento termico
Fino al 2,1
Manganese (Mn)
Disossidante; migliora la temprabilità e la lavorabilità a caldo
da 0,25 a 1,65
Cromo (Cr)
Resistenza alla corrosione a livelli elevati; temprabilità a livelli inferiori
da 0,5 a 2,0 (acciai legati); 10,5+ (acciai inossidabili)
Nichel (Ni)
Tenacità e resistenza agli urti, specialmente a basse temperature
da 0,5 a 9,0
Molibdeno (Mo)
Resistenza alle alte temperature e resistenza allo scorrimento
da 0,15 a 1,0
Vanadio (V)
Affinamento del grano e indurimento per precipitazione
da 0,03 a 0,15
Niobio (Nb)
Affinamento della grana; ritarda la ricristallizzazione dell’austenite durante la laminazione
da 0,02 a 0,08
Silicio (Si)
Disossidante; rafforzamento per soluzione solida
da 0,15 a 0,35
Fosforo (P)
Impurità: riduce la duttilità trasversale allo spessore al di sopra dei livelli di traccia
Max 0,040 (la maggior parte dei gradi)
Zolfo (S)
Impurità: compromette la resistenza alla fatica e le proprietà trasversali allo spessore
La composizione dell'acciaio viene riportata in due fasi della produzione. L'analisi della colata, detta anche analisi della siviera, viene effettuata sull'acciaio fuso durante o immediatamente dopo la fusione e rappresenta la composizione dell'intera colata. L’analisi del prodotto viene effettuata sul prodotto finito laminato o forgiato. Poiché gli elementi possono segregarsi durante la solidificazione, l’analisi del prodotto può differire leggermente dall’analisi della colata, e le norme relative al prodotto definiscono la deviazione consentita tra le due. Entrambe le analisi sono riportate sul certificato di prova del materiale che accompagna il prodotto.
Per gli ingegneri incaricati di verificare il materiale in entrata, il certificato di composizione è il documento principale. Confrontarlo, elemento per elemento, con la tabella di composizione prevista dalla norma applicabile è una fase semplice ma importante nella qualificazione dei materiali.
Poiché diversi elementi di lega influenzano il comportamento dell’acciaio in modi qualitativamente simili a quelli del carbonio, nell’ingegneria della saldatura si utilizza un parametro combinato denominato “equivalente di carbonio” (CE) per valutare i requisiti di preriscaldamento e il rischio di fessurazione indotta dall’idrogeno. La versione più diffusa combina il carbonio con i contributi ponderati di manganese, cromo, molibdeno, vanadio, nichel e rame. Il CE viene calcolato direttamente dal certificato di composizione e rappresenta uno degli impieghi pratici più comuni dei dati di composizione per gli ingegneri coinvolti nella fabbricazione e nella qualificazione delle procedure di saldatura.
Un acciaio con un CE basso può generalmente essere saldato senza preriscaldamento in sezioni di dimensioni moderate. All’aumentare del CE, il preriscaldamento diventa necessario per rallentare la velocità di raffreddamento nella zona termicamente alterata e ridurre il rischio di fessurazione. Le temperature specifiche di preriscaldamento richieste per un determinato CE e spessore della sezione sono indicate nelle norme di saldatura e costituiscono un argomento che verrà trattato nelle guide tecniche di Total Materia, dove la metallurgia della saldatura viene affrontata nel contesto pratico della selezione dei gradi e della pianificazione della fabbricazione.
La composizione definisce il potenziale di un acciaio; le lavorazioni termiche e meccaniche determinano in quale punto di tale potenziale si colloca il prodotto finito. La composizione costituisce inoltre la base principale per valutare se due qualità previste da norme nazionali diverse siano effettivamente equivalenti. La corrispondenza dei nomi tra una qualità ASTM e una qualità EN non è un indicatore affidabile di vera equivalenza; lo è invece un confronto diretto dei limiti di composizione e dei requisiti relativi alle proprietà meccaniche.
Questo articolo tratta degli elementi chimici che definiscono un acciaio e di come ne vengono specificate e riportate le composizioni. Le guide correlate della serie “Acciaio” si basano su questo testo. “Proprietà dell’acciaio” spiega il comportamento meccanico e fisico determinato dalla composizione e dalla lavorazione, mentre “Gradi di acciaio” illustra come le composizioni siano organizzate nelle famiglie che si specificano e si acquistano. "Specifiche dell’acciaio" e "Norme sull’acciaio" trattano i documenti e i quadri normativi che stabiliscono i limiti di composizione e delle proprietà, mentre "Equivalenti dell’acciaio" spiega come la composizione venga utilizzata per valutare se i gradi provenienti da sistemi diversi siano effettivamente intercambiabili. Insieme, questi documenti collegano la composizione alle proprietà, ai gradi, alle specifiche, alle norme e all’equivalenza che da essa dipendono.
La composizione dell’acciaio è la specifica di tutti gli elementi presenti in una lega d’acciaio, espressa in percentuale in peso. Il ferro è il metallo di base e il carbonio è l’elemento di lega principale, presente fino al 2,1% in peso. Elementi aggiuntivi quali manganese, cromo, nichel, molibdeno, vanadio e niobio vengono aggiunti intenzionalmente, mentre il fosforo e lo zolfo sono presenti come impurità controllate.
Il carbonio influisce sul comportamento dell'acciaio più di qualsiasi altro singolo elemento. Determina la durezza, la resistenza alla trazione, la risposta al trattamento termico e la saldabilità. All'aumentare del carbonio, la resistenza aumenta, mentre la duttilità e la saldabilità diminuiscono.
L'equivalente di carbonio è un valore calcolato che combina il carbonio con i contributi ponderati di altri elementi di lega. Viene utilizzato dagli ingegneri di saldatura per valutare i requisiti di preriscaldamento e il rischio di fessurazione indotta dall'idrogeno, ed è ricavato direttamente dal certificato di composizione. Indicazioni dettagliate saranno disponibili nelle guide tecniche di Total Materia.
L'analisi della colata viene effettuata sull'acciaio fuso e rappresenta la composizione dell'intera colata. L'analisi del prodotto viene effettuata sul prodotto finito e può presentare lievi differenze dovute alla segregazione da solidificazione. Entrambe vengono riportate nel certificato di prova del materiale e confrontate con i limiti definiti nella norma applicabile relativa all'acciaio.
Gli elementi di lega vengono aggiunti all’acciaio per conferirgli specifiche proprietà meccaniche, fisiche e di resistenza alla corrosione. Il carbonio aumenta la durezza e la resistenza, il manganese migliora la temprabilità, il cromo aumenta la resistenza alla corrosione e all’usura, il nichel migliora la tenacità, il molibdeno aumenta la resistenza alle alte temperature, mentre il vanadio e il niobio affinano la struttura granulare e aumentano la resistenza. La combinazione e l’equilibrio di questi elementi determinano le prestazioni finali di un tipo di acciaio.