Nozioni di base sul trattamento termico dell’acciaio
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Il trattamento termico è un insieme di attività volte a modificare la struttura di una lega allo stato solido, ottenendo così le proprietà meccaniche, fisiche o chimiche desiderate. In pratica, ciò significa che non “miglioriamo” il metallo semplicemente riscaldandolo, ma assicurando che una curva di temperatura adeguatamente pianificata nel tempo inneschi cambiamenti strutturali: la formazione di nuove fasi, la decomposizione di fasi instabili, cambiamenti nella dimensione della grana, nonché la separazione dei carburi o la rimozione delle tensioni interne. Il trattamento termico comprende sia processi semplici che prevedono il riscaldamento e il raffreddamento, sia processi più complessi combinati con l’interazione chimica con l’ambiente, la deformazione plastica o un campo magnetico.
L’importanza del trattamento termico è particolarmente evidente nel caso dell’acciaio e della ghisa. Il ferro come materiale di base è comune, economico e facile da lavorare, ma è la capacità di controllarne la struttura che rende così ampia la gamma di applicazioni dell’acciaio. L’esistenza di varietà allotropiche di ferro gioca un ruolo chiave in questo senso: diverse varietà di struttura cristallina sono stabili a temperature diverse, il che rende possibile produrre e “congelare” microstrutture diverse a seconda della velocità con cui raffreddiamo il materiale e se eseguiamo un’ulteriore ricottura. Questo è il motivo per cui l’acciaio può essere utilizzato come materiale per molle, utensili da taglio, componenti di macchine e strutture portanti; le differenze di comportamento derivano non tanto dalla “composizione stessa” quanto dalla microstruttura ottenuta durante il trattamento termico.
L’industria moderna sta ponendo requisiti sempre più elevati ai materiali, il che sta favorendo lo sviluppo di metodi di trattamento termico e un maggiore controllo della qualità. Anche errori minimi, quali temperatura di tempra troppo elevata, tempo di riscaldamento troppo breve e raffreddamento inadeguato, possono causare strutture indesiderate (ad esempio, grana troppo grossolana) e, di conseguenza, compromettere le proprietà funzionali del prodotto; pertanto, il trattamento termico non è un “aggiunta” alla tecnologia di produzione, ma una delle sue fasi critiche.
Il rapporto tra i sistemi di equilibrio di fase e il trattamento termico
I sistemi di equilibrio di fase descrivono quali fasi sono stabili in determinate condizioni di temperatura e composizione, ma lo fanno ipotizzando trasformazioni molto lente, ovvero quelle in cui il tempo non limita la diffusione e il sistema ha la possibilità di raggiungere l’equilibrio. Per questo motivo, il diagramma di equilibrio stesso non tiene conto dell’effetto delle velocità di riscaldamento e raffreddamento; tuttavia, i sistemi di equilibrio costituiscono la base per la pianificazione del trattamento termico perché indicano quali trasformazioni sono possibili e in quali intervalli di temperatura possono essere previste.
Questa distinzione è molto pratica. Se una lega non presenta trasformazioni allo stato solido (nel diagramma non ci sono aree in cui appare una fase diversa o una miscela di fasi allo stato solido), allora tale lega è essenzialmente non trattabile termicamente nel senso classico del termine, perché non ha alcun “meccanismo” per modificare la sua struttura. La situazione è diversa nei sistemi in cui la solubilità di un componente allo stato solido dipende dalla temperatura. In questo caso, è possibile ottenere una soluzione supersatura mediante un rapido raffreddamento da una temperatura alla quale la solubilità è elevata, e quindi forzando la precipitazione durante il riscaldamento. Questo schema porta a un cambiamento deliberato della struttura e delle proprietà.
Un’altra situazione si verifica nelle leghe che subiscono trasformazioni allotropiche allo stato solido: alle alte temperature, una fase è stabile (ad esempio, una soluzione solida con un reticolo diverso) e, dopo aver superato le temperature critiche, il sistema tende a formare una miscela di altre fasi. In questo caso, la velocità con cui si attraversa l’intervallo di trasformazione è di fondamentale importanza, perché con un raffreddamento lento la diffusione procede di pari passo e si formano strutture di equilibrio, mentre con un raffreddamento rapido sono possibili strutture di non equilibrio come la martensite.
Per l’acciaio, la parte fondamentale del sistema di equilibrio è ferro-cementite (Fe–Fe₃C) fino a circa il 2,11% di carbonio, che è l’intervallo rilevante per l’acciaio. Questo è ciò che dà significato all’austenitizzazione (riscaldamento fino al range dell’austenite) e al fatto che durante il raffreddamento l’austenite può trasformarsi in strutture diverse a seconda della velocità di raffreddamento. Il sistema di equilibrio ci dice “cosa è possibile” e “dove si trovano le temperature critiche”, mentre la cinetica delle trasformazioni (tempo e raffreddamento) determina “cosa otteniamo effettivamente”.
Riscaldamento, immersione e raffreddamento
Ogni processo di trattamento termico può essere considerato come uno scenario di variazioni di temperatura nel tempo, in cui si possono distinguere tre fasi principali: riscaldamento, mantenimento e raffreddamento. Il riscaldamento comporta l’innalzamento della temperatura al valore specificato per un determinato processo. Spesso si ricorre al riscaldamento graduale: prima si procede al riscaldamento a una temperatura inferiore, e solo successivamente si procede al riscaldamento ulteriore fino alla temperatura corretta. Questa suddivisione non è artificiale, ma è tecnologicamente significativa perché limita i gradienti di temperatura attraverso la sezione trasversale dell’elemento e riduce il rischio di crepe o sollecitazioni eccessive.
L’invecchiamento consiste nel mantenere la temperatura al livello desiderato per il tempo necessario a uniformare la temperatura in tutta la sezione trasversale e a consentire il verificarsi dei cambiamenti desiderati. In pratica, la ricottura ha un duplice scopo: da un lato, l’elemento deve “raggiungere” la temperatura termicamente (altrimenti la superficie e il nucleo si troveranno in stati diversi) e, dall’altro, molte trasformazioni, in particolare la diffusione, richiedono tempo per omogeneizzare la composizione di fase o dissolvere determinati componenti (ad esempio i carburi).
Il raffreddamento consiste nell’abbassamento della temperatura fino alla temperatura ambiente o a un valore intermedio specifico. Il raffreddamento lento, ad esempio in un forno o in aria ferma, è chiamato ricottura, mentre il raffreddamento rapido in acqua o olio è chiamato tempra. È comune anche il raffreddamento graduale, in cui si verifica un sottoraffreddamento a una temperatura superiore alla temperatura finale e un sovrarraffreddamento alla temperatura finale. Questo metodo di controllo è talvolta necessario quando si desidera attraversare determinati intervalli di temperatura più lentamente (per consentire la diffusione) o più rapidamente (per evitare trasformazioni di diffusione perlitiche e ottenere martensite).
Poiché l’essenza del trattamento termico è il rapporto tra temperatura e tempo, esso è descritto dalla curva t = f(τ). In pratica, si parla di velocità medie di riscaldamento e raffreddamento, ma la velocità istantanea effettiva è altrettanto importante, poiché determina la rapidità con cui si attraversano gli intervalli di temperatura critici. Per questo motivo, due processi con “tempi totali simili” possono produrre risultati diversi se differiscono nel processo di raffreddamento negli intervalli critici.
Classificazione dei trattamenti termici
La suddivisione dei trattamenti termici non è puramente “enciclopedica”, ma deriva dagli strumenti che utilizziamo per modificare le proprietà. Nel trattamento termico convenzionale, le caratteristiche desiderate si ottengono modificando la struttura senza alterare la composizione chimica. Sono includi processi classici come la ricottura, la tempra e il rinvenimento, ma anche la supersaturazione e l’invecchiamento, dove il meccanismo prevede l’ottenimento di una soluzione supersatura e la successiva precipitazione.
Nel trattamento termico chimico, oltre alla temperatura, viene utilizzato un ambiente chimico per saturare la superficie con elementi quali carbonio o azoto. Il risultato è una modifica della composizione dello strato superficiale e quindi un cambiamento nella struttura e nelle proprietà, in particolare nella resistenza all’usura o alla fatica. Si tratta di una distinzione importante: nel trattamento termico ordinario, si “lavora” su ciò che è già presente nella lega, mentre nel trattamento termochimico si aggiunge un componente.
Il trattamento termoplastico, invece, combina la temperatura con la deformazione plastica, il che consente di influenzare la struttura in modo più complesso, ad esempio mediante affinamento del grano e rafforzamento meccanico. Il trattamento termomagnetico utilizza un campo magnetico per ottenere proprietà fisiche specifiche. Relativamente all’acciaio e alle basi del trattamento termico, tuttavia, l’attenzione rimane sul trattamento termico convenzionale, poiché è direttamente correlato alla trasformazione dell’austenite e dei suoi prodotti di decomposizione.
Trasformazioni durante il riscaldamento
Nel trattamento termico dell’acciaio, la fase di riscaldamento non si limita al “riscaldamento dell’elemento”. Il suo scopo è quello di ottenere una struttura austenitica, poiché l’austenite è il punto di partenza per molte strutture successive dopo il raffreddamento. Dopo aver raggiunto la temperatura critica A₁ (circa 727 °C), avviene una trasformazione fondamentale: la perlite si trasforma in austenite. Il processo di riscaldamento successivo dipende dal fatto che l’acciaio sia ipoeutettoide, eutettoide o ipereutettoide. Negli acciai ipereutettoidi, dopo la formazione dell’austenite dalla perlite, con il proseguire del riscaldamento, anche la ferrite rimanente si trasforma in austenite e il processo termina alla temperatura Ac₃. Negli acciai ipereutettoidi, dopo la trasformazione della perlite in austenite, la cementite secondaria si dissolve nell’austenite e il processo continua fino alla temperatura Ac_cm. In entrambi i casi, l’obiettivo è ottenere un’austenite il più omogenea possibile.
La trasformazione della perlite in austenite ha una struttura di processo “interna” ben distinta. Inizia con la formazione di nuclei di austenite ai confini della ferrite e della cementite, quindi i nuclei crescono, riempiendo i grani di perlite. Allo stesso tempo, la cementite si dissolve nell’austenite. È importante sottolineare che la trasformazione allotropica del ferro avviene più rapidamente della completa dissoluzione dei carburi, quindi a un certo punto potremmo avere un’austenite che contiene ancora residui di carburi ed è anche chimicamente eterogenea. Solo con il tempo si verifica l’omogeneizzazione attraverso la diffusione del carbonio; di conseguenza, il materiale distingue tra diverse fasi: la formazione di austenite eterogenea, la dissoluzione dei residui di carburi e solo allora la completa omogeneizzazione.
Anche la velocità di riscaldamento è molto importante. In condizioni di riscaldamento molto lento, la trasformazione inizia a circa 727 °C, ma con un riscaldamento più rapido, si sposta a temperature più elevate. Ciò significa che, in termini pratici, non è sufficiente conoscere le temperature critiche “da manuale”: occorre tenere conto del fatto che l’intervallo effettivo di trasformazione dipende dalla cinetica e dalla microstruttura iniziale. La velocità di austenitizzazione è influenzata anche dalla dispersione della perlite e dalla forma della cementite, nonché dalla composizione chimica dell’acciaio, compresi gli additivi di lega.
Dimensione dei grani nell’acciaio
Nell’acciaio si distingue tra grana primaria (dopo la solidificazione) e grana secondaria, ovvero la grana effettiva, l’ultimo grano di austenite formatosi a seguito del trattamento termico e plastico. Questa grana effettiva è fondamentale per le proprietà, in particolare per la resistenza agli urti. Un materiale con una struttura a grana grossa dopo il raffreddamento tende ad essere fragile e ad avere una bassa resistenza agli urti, motivo per cui la tecnologia mira ad ottenere una grana austenitica fine e quindi a “trasferire” questa granulometria fine alla struttura dopo il raffreddamento.
È bene ricordare il meccanismo dei cambiamenti dei grani durante il riscaldamento. La trasformazione della perlite in austenite favorisce di per sé la frammentazione, ma un ulteriore ricottura ad alte temperature provoca la crescita dei grani di austenite, poiché il metallo tende a ridurre l’energia dei confini dei grani. Maggiore è la temperatura di riscaldamento e più lungo è il tempo di ricottura, maggiore è la crescita dei grani. Questo spiega perché “troppo caldo e troppo lungo” può essere distruttivo: anche se otteniamo austenite completa, questa può diventare a grana grossa, compromettendo la resistenza alla frattura.
In questo contesto, emerge il concetto di surriscaldamento, ovvero la tendenza dei grani di austenite a crescere sotto l’influenza della temperatura e del tempo. In pratica, gli acciai a grana fine e a grana grossa non vengono definiti in base al “tipo di grana che presentano”, ma in base alla “facilità con cui tale grana cresce durante l’austenitizzazione”. L’acciaio a grana fine nominale può avere una grana grossa se è stato surriscaldato; al contrario, l’acciaio con una maggiore tendenza a crescere può produrre una grana fine alla giusta temperatura. Questo è importante perché insegna cautela: il nome dell’acciaio non esenta dal controllo della temperatura e del tempo.
Il materiale indica anche il ruolo di additivi come l’alluminio, che può inibire la crescita dei grani formando ossidi o nitruri. Da un punto di vista tecnologico, ciò si traduce in una maggiore tolleranza di processo: gli acciai meno soggetti al surriscaldamento hanno un intervallo di temperatura di tempra sicuro più ampio e un rischio minore di deterioramento della resistenza agli urti dovuto al surriscaldamento accidentale.
Cinetica della trasformazione dell’austenite
Dopo l’austenitizzazione, la domanda chiave è: cosa succede all’austenite durante il raffreddamento? Al di sotto dei 727 °C, l’austenite diventa una fase instabile e tende a trasformarsi in strutture con energia libera inferiore, come la perlite. Tuttavia, il corso della trasformazione dipende da due fattori opposti. Da un lato, un maggiore sottoraffreddamento aumenta la “spinta” termodinamica della trasformazione, mentre dall’altro lato, l’abbassamento della temperatura rallenta la diffusione, senza la quale le trasformazioni perlitiche non possono procedere in modo efficiente. Di conseguenza, la velocità di trasformazione aumenta fino a un certo massimo (circa 550 °C) e poi diminuisce con un ulteriore abbassamento della temperatura, fino a un intervallo in cui la diffusione è praticamente “congelata” e si verificano trasformazioni non diffusive.
Per descrivere questo fenomeno in modo quantitativo e chiaro, vengono utilizzati i diagrammi di trasformazione dell’austenite. In condizioni isotermiche, quando l’austenite si raffredda rapidamente fino a raggiungere una temperatura costante e vi rimane, si osserva un periodo caratteristico in cui non accade nulla: questo è il periodo di incubazione (stabilità dell’austenite). Solo dopo questo periodo la trasformazione ha inizio e procede fino al completamento. Se si eseguono tali esperimenti per diverse temperature e si tracciano i tempi di inizio e fine della trasformazione, si ottiene un diagramma CTPi (trasformazione isotermica tempo-temperatura) con curve a forma di C. La distanza tra le curve di inizio e fine indica la velocità di trasformazione in un determinato intervallo di temperatura.
I grafici isotermici ci consentono di distinguere tre intervalli principali: a temperature vicine ad A₁ si verifica una trasformazione perlitica con elevata stabilità dell’austenite; nell’intervallo di temperatura medio (circa 550-200 °C) compare la bainite; al di sotto della linea Ms, le curve di diffusione scompaiono perché ha inizio una trasformazione martensitica con un meccanismo diverso. Questo quadro è fondamentale perché mostra che l'”austenite” non è un unico percorso di trasformazione, ma un punto di partenza dal quale è possibile raggiungere strutture diverse a seconda del percorso di raffreddamento.
Trasformazione perlitica
La trasformazione perlitica è un processo di diffusione. Di solito inizia con la comparsa di nuclei di cementite ai confini dei grani di austenite, dopodiché, grazie alla diffusione del carbonio, la cementite cresce in piastre e l’austenite impoverita di carbonio si trasforma in ferrite. La ripetizione di questo meccanismo porta alla formazione di bande alternate di ferrite e cementite, ovvero una struttura perlitica. Di solito in un singolo grano di austenite si formano diverse colonie perlitiche, la cui geometria e finezza dipendono dalla temperatura di trasformazione.
Una conseguenza fondamentale della cinetica è che, con l’aumentare del sottoraffreddamento, il numero di nuclei e la velocità di cristallizzazione dei prodotti di trasformazione aumentano, ma allo stesso tempo diminuisce la possibilità di diffusione a lungo raggio. Di conseguenza, si forma perlite con una distanza tra le piastre sempre più ridotta, dalla perlite a grana grossa a temperature vicine ad A₁ alla perlite molto fine a temperature di trasformazione inferiori. Questo cambiamento nella microstruttura ha un impatto diretto sulle proprietà: più fine è la perlite, maggiore è la durezza e la resistenza, ma solitamente a scapito della plasticità. Il materiale indica che la perlite formata a circa 700 °C può avere una durezza di ~220 HB, mentre a circa 500 °C si forma una perlite molto fine con una durezza significativamente più elevata.
Per gli acciai ipereutettoidi e ipereutettoidi, è importante che, in determinate condizioni, la ferrite (ipereutettoide) o la cementite secondaria (ipereutettoide) possano essere secrete prima della trasformazione perlitica. Tuttavia, con l’aumentare del sottoraffreddamento, questa fase può scomparire e la trasformazione può procedere in modo più “diretto”, il che è associato all’ampliamento osservato degli intervalli in cui si formano strutture perlitiche senza una rete distinta di ferrite o cementite.
Trasformazione martensitica
Al di sotto della temperatura Ms, la trasformazione dell’austenite avviene in modo completamente diverso, poiché la diffusione del carbonio è praticamente inibita. In questo caso, non si formano prodotti che richiedono la separazione del carbonio in ferrite e cementite, ma si verifica piuttosto una ristrutturazione non diffusiva del reticolo cristallino del ferro. L’austenite si trasforma in martensite senza modificare il contenuto medio di carbonio nella soluzione solida, il che significa che la martensite è una soluzione supersatura di carbonio nel ferro α. Questa supersaturazione distorce il reticolo in una forma tetragonale, ed è proprio questa distorsione che è responsabile dell’elevata durezza della martensite, ma anche della sua fragilità.
Una conseguenza importante, spesso trascurata, della trasformazione martensitica è la variazione di volume. Tra i prodotti della trasformazione dell’austenite, la martensite ha il volume specifico più elevato. In pratica, ciò significa che l’indurimento comporta il rischio di sollecitazioni significative, deformazioni e persino crepe, soprattutto nei componenti con geometrie complesse. Il materiale fa riferimento alle osservazioni dilatometriche, che mostrano variazioni di volume caratteristiche associate alle trasformazioni durante il riscaldamento e il raffreddamento.
La martensite si forma senza un periodo di incubazione: una volta superata la temperatura Ms, la trasformazione inizia immediatamente e l’aumento della quantità di martensite avviene attraverso la formazione di nuove placche (aghi) piuttosto che attraverso la crescita di quelle esistenti. È anche molto importante che la trasformazione termini alla temperatura Mf, ma nonostante ciò, parte dell’austenite può rimanere non trasformata come austenite residua. La sua quantità dipende fortemente dal contenuto di carbonio: con contenuti di carbonio più elevati, la percentuale di austenite residua aumenta dopo l’indurimento, influenzando la durezza e la stabilità dimensionale.
Trasformazione bainitica
Nell’intervallo di temperatura intermedio (per gli acciai al carbonio, approssimativamente tra 550 °C e 200 °C), avviene una trasformazione bainitica, che combina le caratteristiche delle trasformazioni diffusive e non diffusive. A queste temperature, la diffusione del carbonio nell’austenite è già molto bassa, ma non nulla. Dall’austenite si formano piastre di ferrite saturate di carbonio e quindi, poiché la diffusione del carbonio nella ferrite è maggiore rispetto all’austenite, dalla ferrite saturata vengono rilasciati carburi (cementite). Di conseguenza, la bainite è una miscela di ferrite e carburi, la cui frammentazione aumenta al diminuire della temperatura di trasformazione.
Si distingue tra bainite superiore (formata a temperature più elevate in questo intervallo) e bainite inferiore (a temperature più basse), che differiscono per morfologia e durezza. Il materiale fornisce valori approssimativi che indicano che la bainite superiore può avere una durezza di circa 45 HRC e la bainite inferiore di circa 55 HRC, il che mostra la sua “posizione” tra la perlite tipica e la martensite. Inoltre, è indicato che negli acciai al carbonio, gli intervalli perlitico e bainitico possono sovrapporsi parzialmente, portando a strutture miste.
Trasformazione dell’austenite durante il raffreddamento continuo
Sebbene i diagrammi isotermici siano molto informativi, la maggior parte dei processi tecnologici reali avviene in condizioni di raffreddamento continuo piuttosto che di raffreddamento isotermico. Pertanto, vengono costruiti diagrammi CTPc (trasformazione tempo-temperatura per raffreddamento continuo), che tengono conto del fatto che la temperatura diminuisce nel tempo e il materiale “attraversa” diversi intervalli di trasformazione. Tali diagrammi sono particolarmente utili perché consentono il confronto diretto delle curve di raffreddamento con le linee di trasformazione e prevedono quale struttura si formerà in un processo specifico.
Con un raffreddamento molto lento, le trasformazioni sono simili alle trasformazioni di equilibrio: negli acciai ipereutettoidici, la ferrite viene prima secreta (da Ar₃), quindi si verifica una trasformazione perlitica in Ar₁. All’aumentare della velocità di raffreddamento, le temperature di trasformazione diminuiscono e alcune fasi possono scomparire, ad esempio la precedente precipitazione della ferrite prima della perlite può scomparire gradualmente, portando a una struttura perlitica più omogenea. Un ulteriore aumento della velocità di raffreddamento sposta il sistema verso la bainite e, a velocità ancora più elevate, compaiono strutture bainite-martensite, fino a quando, a una velocità sufficientemente elevata, è possibile ottenere quasi esclusivamente martensite.
È qui che entra in gioco il concetto di velocità critica di raffreddamento, ovvero la velocità minima alla quale si ottiene una struttura martensitica omogenea (ovviamente con una certa quantità di austenite residua). Questo concetto è pratico: ci dice se un determinato componente può essere temprato “in modo uniforme” in un determinato mezzo di raffreddamento e con determinate dimensioni. I diagrammi CTPc, specialmente quando includono curve di raffreddamento e valori di durezza corrispondenti, ci consentono di leggere direttamente quale proporzione di fasi (ad esempio ferrite, bainite, martensite) otterremo per un processo di raffreddamento specifico.
Tempra
La martensite è una fase instabile e l’acciaio temprato, sebbene molto duro, può essere troppo fragile e pieno di tensioni interne. La tempra è quindi un processo che utilizza il riscaldamento controllato dell’acciaio temprato a temperature più elevate per avviare cambiamenti nella martensite. Il punto chiave è che la tempra non è un fenomeno singolo, ma una sequenza di fasi dipendenti dalla temperatura. Il materiale distingue quattro fasi principali, che differiscono in termini di carburi secreti, modalità di variazione del contenuto di carbonio nella martensite e momento in cui avvengono le trasformazioni dell’austenite residua.
A basse temperature di tempra (circa 80-200 °C), si verifica la prima fase, che comporta la precipitazione del carburo ε. Ciò può persino aumentare temporaneamente la durezza degli acciai ad alto tenore di carbonio, il che è un’osservazione importante e controintuitiva: la tempra non significa sempre un ammorbidimento fin dal primo minuto. Successivamente, nell’intervallo di circa 200-300 °C, si verificano un’ulteriore precipitazione del carburo ε e una trasformazione per diffusione dell’austenite residua in una struttura bainitica. Nell’intervallo di circa 300-400 °C, il carburo ε si trasforma in cementite e si raggiunge uno stato più vicino all’equilibrio; si forma quindi la martensite temperata. A temperature più elevate (circa 400-650 °C), la cementite coagula, le sollecitazioni vengono eliminate e si forma una struttura chiamata sorbite, che offre un compromesso più favorevole di proprietà.
Da un punto di vista tecnologico, lo scopo della tempra è quello di aumentare la plasticità e la resistenza agli urti con la diminuzione della durezza. Il materiale sottolinea che le proprietà meccaniche ottimali si ottengono spesso con una tempra nell’intervallo di circa 600-650 °C, oltre il quale l’aumento della plasticità non è più così pronunciato. Inoltre, è importante distinguere tra strutture con durezza simile ma morfologia della cementite diversa: la perlite fine e la struttura dopo la tempra della martensite possono sembrare simili e avere una durezza simile, ma differiscono nella forma dei carburi e quindi in alcune proprietà, ad esempio la resistenza allo snervamento o il restringimento.
L’effetto del trattamento termico sulle proprietà dell’acciaio
L’indurimento porta alla formazione di martensite e quindi ad un’elevata durezza, il cui aumento è correlato all’aumento del contenuto di carbonio. Il materiale indica che fino a un certo livello di contenuto di carbonio (circa lo 0,7%), l’aumento della durezza della martensite è particolarmente forte, mentre successivamente gli aumenti sono minori. Allo stesso tempo, negli acciai ipereutettoidi temprati da temperature molto elevate, può comparire una percentuale maggiore di austenite residua, che può modificare la durezza e il comportamento osservati dell’acciaio.
La tempra modifica questo quadro: le basse temperature possono produrre effetti di rinforzo minori negli acciai ad alto tenore di carbonio, ma in generale un aumento della temperatura di tempra comporta una diminuzione della durezza e della resistenza e un aumento della plasticità e della resistenza agli urti. È importante sottolineare che non si tratta di un “effetto magico della temperatura”, ma di trasformazioni molto specifiche: la precipitazione dei carburi dalla martensite, una diminuzione della struttura tetragonale, la trasformazione dei carburi in cementite e la loro coagulazione. È la microstruttura, più specificamente la forma e la distribuzione dei carburi e lo stato della soluzione solida, a determinare le proprietà osservate.
Un confronto tra le strutture perlitiche e quelle ottenute mediante tempra della martensite è particolarmente istruttivo. Sebbene possano avere una durezza simile e un aspetto “generale” simile, la cementite nella perlite ha una forma striata, mentre nelle strutture dopo la tempra della martensite ha più spesso una forma più granulare (globulare). Il materiale sottolinea che a parità di durezza, la resistenza alla trazione e l’allungamento possono essere simili, ma il limite di snervamento e la riduzione dell’area sono talvolta più favorevoli per le strutture dopo la tempra. Questo spiega perché il trattamento termico (tempra + rinvenimento) è così popolare: fornisce una serie di proprietà difficili da ottenere con il solo raffreddamento alla perlite.
Nozioni di base sul trattamento termico dell’acciaio – sintesi
La base teorica del trattamento termico dell’acciaio si riduce alla comprensione del fatto che il processo è controllato dalla trasformazione dell’austenite. Il sistema di equilibrio Fe–Fe₃C indica le aree critiche di fase e temperatura, mentre la cinetica ci dice quali trasformazioni avverranno a una data velocità di raffreddamento. I diagrammi CTPi e CTPc mostrano dove l’austenite è stabile, dove si scompone in perlite o bainite e dove si trasforma in martensite senza diffusione. La tempra, invece, organizza lo stato indurito: rimuove le sollecitazioni e modifica la forma dei carburi, conferendo le proprietà funzionali necessarie nella pratica.
In questo senso, il trattamento termico non è un insieme di “ricette”, ma una conseguenza logica della relazione: temperatura + tempo + velocità di raffreddamento → microstruttura → proprietà. Quanto meglio comprendiamo questa relazione, tanto più possiamo selezionare con sicurezza i parametri tecnologici, ridurre al minimo il rischio di difetti e modellare consapevolmente il materiale per soddisfare i requisiti di progettazione.
