L’acciaio, lega ferrosa composta essenzialmente da ferro e carbonio, è uno dei materiali più usati, resistenti e versatili che il mercato offre attualmente.
Oltre alle due principali sostanze che lo compongono, all’interno di questo metallo sono presenti altri elementi chimici che lo rendono un materiale adattabile ad esigenze svariate e che gli conferiscono resistenze diverse.
Le diverse proprietà dell'acciaio derivano dall'utilizzo di diverse leghe, che si suddividono nei quattro tipi che vediamo oggi.
Proprietà meccaniche dell'acciaio
Come tutti i materiali metallici, anche l’acciaio presenta specifiche proprietà meccaniche.
Partiamo però dal principio e iniziamo a considerare che un materiale soggetto a delle lavorazioni produrrà delle reazioni.
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Ogni materiale risponde a delle sollecitazioni in maniera:
- elastica (ad esempio subendo una deformazione)
- inelastica (per esempio, rompendosi)
A parità di sollecitazioni, le caratteristiche, definite appunto “proprietà”, determinano una o l’altra possibilità.
Durante un test, un materiale metallico può tenere un comportamento meccanico diverso in base alla direzione lungo la quale si effettua la prova.
Sollecitazioni e proprietà meccaniche
Il nome alle sollecitazioni viene dato dal modo in cui quest’ultime vengono applicate:
- Statiche: applicate in modo graduale per un lasso di tempo mediamente lungo (si parla di circa ½,1 secondo)
- Dinamiche: applicate in un periodo molto breve (come negli urti)
- Concentrate: messe in opera su superfici di area ridotta (puntiforme)
- Periodiche: ripetute periodicamente nel tempo
- D’attrito: tra due parti a contatto in moto relativo una rispetto all’altra
Proprietà importanti dell'acciaio
Tra le proprietà più importanti dell’acciaio possiamo menzionare:
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- Capacità di deformazione e durezza
- Buona resistenza alla rottura a trazione e allo snervamento
- Resistenza alla corrosione (quando abbiamo a che fare con acciai inossidabili e inox)
- Buona conducibilità termica
Qui sotto trovi la connessione tra le proprietà meccaniche e le tipologie di sollecitazione sopra descritte:
- Resistenza meccanica: capacità di resistere alle sollecitazioni statiche
- Resistenza d’attrito: capacità di resistere alle sollecitazioni d’attrito
- Resistenza alla fatica: capacità di resistere alle sollecitazioni periodiche
- Resilienza: capacità di resistere alle sollecitazioni dinamiche
- Durezza: capacità di resistere alle sollecitazioni concentrate
Esistono numerosi test a cui gli acciai devono essere sottoposti per determinare le loro proprietà meccaniche:
- Prova di trazione
- Prova di durezza
- Prova di resilienza
- Prova di scorrimento
- Prova di fatica
La resistenza meccanica a rottura negli acciai non è elevata.
Tipologie di acciaio
L'acciaio è un materiale formidabile e disponibile in diversi gradi distinti e composizioni chimiche diverse.
Considerando il lungo elenco di proprietà dell'acciaio, potrebbe essere sorprendente rendersi conto che tutti i tipi, compreso l'acciaio per lavorazione CNC, sono composti fondamentalmente da due soli elementi: ferro e carbonio.
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La vera differenza viene fatta dagli elementi aggiuntivi, che ne determinano le proprietà per applicazioni specifiche. La durata e la resistenza dell'acciaio dipendono infatti da altri elementi, come manganese e fosforo, che vengono introdotti durante la sua formulazione.
- L' acciaio al carbonio ha un aspetto opaco ed è noto per essere sensibile alla corrosione. Esistono tre sottotipi di questo: acciaio a basso, medio e alto tenore di carbonio, che hanno rispettivamente il 30% di carbonio, il 0,60% e l'1,5%. Il nome stesso deriva dal fatto che contengono una quantità molto ridotta di altri elementi di lega. C45/AISI 1045 è un acciaio al carbonio medio adatto a parti come ingranaggi, bulloni, assi, chiavi e perni.
- Gli acciai legati sono una miscela di metalli diversi, come nichel, rame e alluminio. Questi tendono ad essere più economici, più resistenti alla corrosione e sono l'ideale per alcune parti di automobili, per condutture, scafi di navi e progetti meccanici.
- L'acciaio per utensili è noto per essere duro e resistente al calore e ai graffi. Il nome deriva dal fatto che sono comunemente usati per realizzare utensili in metallo, come i martelli. In questo caso sono costituiti da elementi come cobalto, molibdeno e tungsteno.
- Gli acciai inossidabili sono probabilmente la tipologia più conosciuta sul mercato. Questi acciai sono lucidi e generalmente contengono circa il 10-20% di cromo, che è il loro principale elemento di lega. Questa combinazione consente all'acciaio di essere resistente alla corrosione e facilmente modellabile in varie forme.
Acciaio inox AISI
E’ comune trovare la sigla AISI come identificativo dell’acciaio inox.
La sigla “Aisi” si riferisce ad un istituto statunitense che propone un sistema di nomenclatura dell’acciao inox: parliamo dell’American Iron and Steel Institute.
Gli ambiti di applicazione dell’acciaio inossidabile sono innumerevoli, grazie alle straordinarie proprietà di questa lega metallica.
Non è comunque corretto parlare genericamente di singola “lega”, in quanto è profondamente errato consideare l’acciaio inossidabile come un singolo materiale.
Dosando i componenti che formano la lega, è infatti possibile ottenere diversi tipi di acciaio, ognuno dei quali è specificatamente adatto a particolari impieghi.
Inoltre anche le tecniche di produzione e la conformazione dei processi di ottenimento condiziona le caratteristiche e le prestazioni dell’acciaio inteso come prodotto finito.
Essendo una lega che, può essere composta in modo molto diverso, è importante fare riferimento ad un sistema di classificazione ed identificazione preciso, affidabile e riconosciuto.
Ogni lega ha infatti proprietà meccaniche, fisiche e di resistenza molto diverse.
Per ogni tipologia di utilizzo è quindi importante impiegare la materia prima con le caratteristiche appropriate.
Solo coì sarà possibile sfruttare a pieno le straordinarie prerogative di questa lega metallica.
Classificazione acciaio inox AISI
Secondo la nomenclatura acciaio inox AISI stabilita dall’American Iron and Steel Institute gli acciai inox si dividono in:
- 2XX: acciaio austenitico, formato da cromo, nichel e manganese
- 3XX: acciaio austenitico, formato da cromo e nichel
- 4XX: acciaio ferritico o martensitico, al cromo
- 5XX: acciaio martensitico, formato da cromo medio
- 6XX: acciaio indurente per precipitazione al cromo.
Per ottenere i caratteri da sostituire alle X è necessario fare riferimento al contenuto di carbonio in percentuale, moltiplicato per 100.
Tipologie di acciaio inox AISI
E’ possibile ricondurre la produzione moderna in tre principali macro-famiglie, normate e classificate come acciaio inox AISI: austenitici, martensitici e ferritici. Vediamoli in dettaglio.
Acciaio inox AISI: gli acciai inox austenitici
Sono sicuramente gli acciai più diffusi, resistenti e facili da lavorare e saldare.
Usati in varie applicazioni: dai prodotti di consumo (alimentare e non), alla produzione di impianti per la produzione e il trattamento degli alimenti, agli impianti chimici.
Costituiti da una percentuale di cromo tra il 18% e il 25%, nichel tra l’8% e il 20%, hanno un tenore di carbonio inferiore allo 0,1%. Sono amagnetici.
La configurazione brevemente codificata 18/8 fa riferimento alle percentuali di Cromo (18%) e Nickel (8%) impiegate.
E’ comune anche l’aggiunta di molibdeno, al fine di aumentare la resistenza alla corrosione in ambiente marino (cloruri).
Riferendoci all’ambito alimentare, le caratteristiche di questa famiglia di acciaio inox possono essere così sintetizzate:
- ottima resistenza alla corrosione
- poco poroso idoneo al contatto alimentare
- facile da pulire e da igienizzare
- facilmente lavorabile, forgiabile e saldabile
- ottima resistenza alle alte e basse temperature
Acciaio inox AISI: gli acciai inox ferritici
Caratterizzati da una percentuale di Carbonio inferiore allo 0.1%, hanno caratteristiche fisiche peculiari.
Ottenuti con l’aggiunta essenzialmente di cromo, essi sono meno resistenti alle alte temperature se confrontati con gli acciai austenitici.
Sono acciai lavorabili per deformazione plastica (sia a caldo che a freddo) e presentano difficoltà nella fase di saldatura, sono dotati di buone caratteristiche meccaniche e sono modestamente resistenti alla corrosione.
Sono magnetizzabili e non possono essere sottoposti a processi di tempratura per aumentare le prestazioni meccaniche, obiettivo che si persegue invece attraverso procedure di ricristallizzazione o incrudimento.
Vengono utilizzati per la produzione di viterie, canne da fucile, strumentazione tecnica. Particolari leghe sono impiegate per la produzione di componenti per forni, sistemi di scarico, elettrodomestici, sistemi di convogliazione.
La lega acciaio inox AISI 430 è ampiamente utilizzata ed è particolarmente resistente al calore, impiegata comunemente nella costruzione di forni e di camere di combustione.
In sintesi gli acciai inox ferritici:
- sono ferromagnetici
- presentano buona lavorabilità
- sono forgiabili
- mediante aggiunta di silicio e alluminio si ottengono leghe particolarmente resistenti a calore e corrosione
Acciaio inox AISI: gli acciai inox martensitici
La composizione prevede l’utilizzo di cromo in percentuale tra l’8% e il 18%, ed hanno un tenore di carbonio elevato, ovvero maggiore dell’1%.
L’acciaio inox martensitico ha caratteristiche meccaniche molto elevate, ed è l’unica tipologia di acciaio inox che può essere sottoposta alla tempra al fine di migliorare le prestazioni meccaniche.
Il procedimento di tempratura può essere calibrato in funzione della caratteristica che si vuole esaltare: durezza superficiale, resistenza alla corrosione, tenacità.
Come gli acciai ferritici anche l’acciaio inox martensitico è magnetico.
Viene usato soprattutto per strumenti di precisione, strumentazioni mediche, coltelleria, bisturi, lamette, utensileria inossidabile.
La lega acciaio inox AISI 630 è un acciaio martensitico utilizzato quando è richiesta elevata resistenza alle sollecitazioni, sia nell’industria chimica che motoristica.
Acciaio resistente alle alte temperature
Nonostante l’acciaio sia uno dei migliori materiali per quanto riguarda la sopportazione del calore, le esigenze specifiche di ambienti che presentano temperature straordinariamente elevate hanno portato alla necessità di realizzare acciaio inox ad alta temperatura in grado di far fronte a queste condizioni così particolari.
Ne sono un esempio il caso degli acciai studiati per essere utilizzati all’interno di forni per il trattamento termico o come resistenze di elementi radianti.
Le proprietà fondamentali sono, quindi, la resistenza all’ossidazione (sfaldatura) ad alta temperatura; una buona resistenza meccanica alle alte temperature, ai gas caldi, ai prodotti della combustione e a molti sali e metalli fusi.