Materiali: Classificazione delle Leghe Metalliche e Acciai, Unimore

Classificazione dei Materiali

UNIMORE
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI
MODENA E REGGIO EM LIA
Dipartimento di Scienze e Metodi
dell'Ingegneria

MATERIALI

Classificazione Generale

• Materiali
  Naturali

  • Pietra
  • Sabbia
  • Ghiaia
  • Legni
  • Fibre tessili
  • Vetri
  • Materiali ceramici
  • Bitumi-asfalti

• Leghe
  Metalliche

  • (Fe-C) Acciai/Ghise
  • (Cu-Sn) Bronzi
  • (Cu-Zn) Ottoni
  • (Al+Cu, Mg) Leggere
  • (Mg+AI, Si) Ultraleggere
  • Antifrizione
  • (Ni) Alte temperature

• Materiali
  Artificiali

  • per edilizia
    Cementi
    Calci
    Laterizi

  • Lamellari
  • Termo-Indurenti
  • Fibre ottiche
  • Resine Sintetiche
  • Vetro-Resine
  • Fibre di carbonio
  • Derivati del petrolio
  • Termo-Plastiche

Materiali Ferrosi: Acciaio e Ghisa

Il ferro è un metallo scarsamente utilizzato allo stato
puro e per questo motivo sul mercato sono disponibili
solo le sue leghe (leghe ferro carbonio Fe-C)

Leghe Ferro Carbonio

• ACCIAIO DOLCE
  (da 0.008 a 0.1 % di C)
• ACCIAIO
  (da 0.1 a 2.11 % di C)
• GHISA
  (da 2.11 a 6.67 % di C)

Processi Siderurgici

Fumi

ACCIAIO

Materie prime
-minerali di ferro
-carbone (coke)
-fondente

ALTOFORNO

Ghisa di
prima fusione

Scorie

GHISA

Semilavorati dell'Acciaio

L'acciaio è messo in commercio sotto forma di semilavorati ottenuti mediante il
processo di laminazione.
I semilavorati hanno forme e denominazioni classificate dalla tabella UNI 7272:

• Barre
• Profili strutturali
• Tubi
• Rotaie
• Nastri di lamiera
• Lamiere in fogli

L'Acciaio: Proprietà e Applicazioni

L'acciaio è una lega composta da ferro e
carbonio, con percentuale di carbonio non
superiore al 2.11% e sono le più utilizzate tra i
diversi metalli

• Colore: grigio
• Punto di fusione: intorno ai 1370 - 1530 ° C
• Resistenza a trazione: 480 - 1100 MPa
• Tensione di snervamento: 205 - 820 MPa
• Modulo di elasticità longitudinale: 196 : 210 GPa
• Le proprietà meccaniche (tenacità, plasticità,
  duttilità, malleabilità e durezza) cambiano in base
  ai leganti e ai trattamenti termici
• Limitata fluidità: (scorrevolezza alla stato fuso)

Torre Eiffel (1889) e ponte di Brooklyn
(1883) primi esempi di grandi
costruzioni in acciaio

In un'automobile circa il 55% del peso è acciaio

Gli acciai rivestono dal 70 all'85% in peso di tutti gli elementi
strutturali e meccanici presenti nel mondo

Composizione Materiali Automotive

5%
5%
5%
5%
7%
11%
7%
20%
5%
10%
25%
1%
25%
11%
10%
75%
5%
38%
65%
80%
65%
53%
13%
20%
13%
12%
3%
1906
1912
1977
2007
2019
2030
Other
Carbon fiber composites
Polymer composites
Hi/Med/Uh strength steel
Low-Carbon steel<500MPa
Magnesium
Aluminum
Wood

Composizione Materiali Aviazione

16%
14%
15%
10%
24%
10%
15%
75%
76%
16%
70%
60%
30%
BOEING 747 BOEING 757 BOEING 767 BOEING 777 BOEING 787
Aluminum
Titanium Steel
Polymer composites Other
Aviation
12%
6%
4%
4%
15%
22%
5%
3%
5%

Enti Normativi per gli 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)
• Nel continente americano l'ASTM (American Society Testing
  Materials), in collaborazione con l'AISI (American Iron and
  Steel Institute)
• Internazionalmente le ISO (International Standard Institute).

UNI EN ISO 9001

Classificazione e Designazione degli Acciai

Le normative più significative sono:

• UNI EN 10020: Definizione e classificazione dei tipi di
  acciaio
• UNI EN 10027-1: Sistemi di designazione degli acciai.
  Designazione alfanumerica, 2006
• UNI EN 10027-2: Sistemi di designazione degli acciai.
  Designazione numerica, simboli principali, 1993

Acciai Classificazione UNI EN 10020

acciaio: Materiale il cui tenore in massa di ferro è maggiore di
quello di ciascuno degli altri elementi ed il cui tenore di
carbonio è generalmente minore del 2%, e contenente altri
elementi. Un numero limitato di acciai al cromo può presentare
un tenore di carbonio maggiore del 2%, ma tale valore del 2% è
il tenore limite corrente che separa l'acciaio dalla ghisa.

• Acciai non legati
  Gli acciai non legati sono quei tipi di acciai per i quali nessuno dei valori limite è
  raggiunto dai rispettivi tenori.
• Acciai inossidabili
  Gli acciai inossidabili sono acciai contenenti almeno il 10,5% di cromo ed al massimo
  l'1,2% di carbonio.
• Altri acciai legati
  Gli altri acciai legati sono tutti i tipi di acciai che non rispondono alla definizione di
  acciai inossidabili e per i quali almeno uno dei valori è raggiunto dai rispettivi tenori

Valori Limite per i Tenori dei Leganti

Elemento specificato	Tenori limite in % di massa
AI	Alluminio	0,30
B	Boro	0,000 8
Bi	Bismuto	0,10
Co	Cobalto	0,30
Cr	Cromo	0,30
Cu	Rame	0,40
La	Lantanidi (considerati singolarmente)	0,10
Mn	Manganese	1,65ª)
Mo	Molibdeno	0,08
Nb	Niobio	0,06
Ni	Nichel	0,30
Pb	Piombo	0,40
Se	Selenio	0,10
Si	Silicio	0,60
Te	Tellurio	0,10
Ti	Titanio	0,05
V	Vanadio	0,10
W	Tungsteno	0,30
Zr	Zirconio	0,05
Altri	(ad eccezione di carbonio, fosforo, zolfo, azoto), considerati singolarmente	0,10

Acciai Non Legati

• Di qualità: sono soggetti a prescrizioni riguardanti specifiche
  caratteristiche (tenacità, deformabilità, dimensioni del grano, etc.).
• Speciali: presentano maggiore purezza nei confronti delle
  inclusioni non metalliche e del tenore di P ed S. Devono garantire
  una risposta ripetibile ai trattamenti termici e devono garantire
  caratteristiche meccaniche e di lavorabilità certe ed entro limiti
  stretti.

Acciai Legati

• Di qualità: sono soggetti a prescrizioni riguardanti specifiche
  caratteristiche (tenacità, deformabilità, dimensioni del grano, etc.).
  Spesso destinati a tempra o bonifica.
• Speciali: sono caratterizzati da una regolazione precisa della loro
  composizione chimica e da particolari condizioni di elaborazione e
  di controllo del processo produttivo, onde conferire loro
  caratteristiche migliorate che sono frequentemente stabilite in
  combinazione tra di loro ed entro limiti strettamente controllati.

Effetto degli Elementi Lega sulle Proprietà Meccaniche

• Alluminio (Al):
  Contribuisce con Cr e Mo alla durezza negli acciai nitrurati.
• Cobalto (Co):
  Aumenta la durezza a caldo.
• Vanadio (V):
  Migliora la resistenza all'usura.
• Cromo (Cr):
  Aumenta resistenza meccanica, durezza, limite elastico,
  resistenza all'usura e temprabilità. Rende cli acciai inossidabili (Cr>10.5%).
• Nichel (Ni):
  Di solito è presente insieme al Cr. Aumenta la tenacità senza
  diminuire la lavorabilità, aumenta la resistenza alla corrosione e la temprabilità.
• Manganese (Mn):
  Sempre presente negli acciai in piccole percentuali per la sua
  azione disossidante. In percentuali maggiori aumenta la durezza e la resistenza
  all'usura.
• Molibdeno (Mo):
  Di solito è presente insieme a Cr e Ni. Migliora le proprietà
  meccaniche, la temprabilità e la fragilità da rinvenimento.
• Silicio (Si):
  Si trova in tutti gli acciai in piccole percentuali per la sua azione
  disossidante. In percentuali più alte aumenta la resistenza a rottura e il limite elastico.
• Tungsteno (W):
  Mantiene stabile la durezza alle alte temperature.
• Piombo (Pb):
  Aumenta la lavorabilità alle macchine utensili (autolubrificante)
• Zolfo (S):
  Aumenta la lavorabilità alle macchine utensili ma fa diminuire la
  resistenza meccanica.

Sintesi Effetto Elementi Lega

RT HT
A%

C

Ni
RT HT
A% =
inox temprabilità

Cr
RT
A% =
inox temprabilità

Mn
RT HT
A% =
sempre presente

Mo
RT HT
temprabilità

V, Co, W RT
H11 per utensili

Si
Rs

Pb
Autolubrificante

S,P
Infragiliscono, truciolabilità

Effetto del Carbonio

R
[GPa]
Acciai legati
1.2
1.0
0.8
Acciai %C alta
0.6
Acciai %C bassa
0.4
0.2
Fe puro
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
e

Maggiore è il contenuto di
carbonio, maggiore è la
resistenza meccanica, la durezza
e la resistenza all'usura

Al contrario, la duttilità e la
tenacità si riducono all'aumentare
del contenuto di carbonio

Designazione Acciai UNI 10027

Gruppo I: In funzione dell'impiego e delle caratteristiche meccaniche o fisiche

ACCIAI
Designazione
UNI EN 10027-1

• In base alle proprietà
  meccaniche
• Non legati con tenore di
  Mn <1%

Gruppo: In base alla composizione chimica

• Non legati con tenore di Mn ≥1%
• Per lavorazioni ad alta velocità
• Legati con elementi in tenore<5%
• Legati con almeno un
  elemento con tenore ≥5%
• Rapidi

Designazione Gruppo I (OBSOLETA)

Simbolo Fe + [*] + carico di rottura + [ ** ]
Simbolo Fe + [*] +E + carico di snervamento + [ ** ]

• * Utilizzo (G per getti)
• ** Simbolo chimico e/o trattamento termico

Fe 700
(acciaio con carico di rottura ≥ 700 MPa )

Fe G 500
(per getti)

Fe G 450 TD
(per getti, normalizzato)

Fe 520 Pb
(al piombo)

Fe 600 TD
(normalizzato)

Fe E 320
(acciaio con carico di snervamento ≥ 320 MPa)

Fe E 370 Cr (al cromo)

Fe E 350 Mn TD (al manganese, normalizzato)

Designazione Gruppo I Attuale

Simbolo iniziale
Simbolo indicante l'impiego
Caratteristiche meccaniche o fisiche
Ulteriore simbolo

• S = impieghi strutturali
  Rs minimo (MPa)
• P = impieghi sotto pressione
  Rs caratteristico (MPa)
• L = tubi
  Rm minimo (MPa)
• E = costruzioni meccaniche
  Rm minimo (MPa)
• B = per cemento armato
  Rs minimo (MPa)
• Y = per cemento armato precompresso
  T
• R = rotaie
  Rm minimo (MPa)
• H = prodotti piani laminati a freddo ad alta
  resistenza, per imbutitura a freddo
  Rs minimo (MPa)
• C = laminati a freddo
• D = prodotti piani per formatura a freddo
• D = laminati a caldo destinati direttamente alla formatura a
  freddo
  due simboli caratterizzanti l'acciaio (da definire a
  cura dell'organismo responsabile)
• X = stato di laminazione non specificato
• G = acciaio per getti
• TH = banda nera, stagnata e cromata (per
  imballaggi) prodotti a riduzione diretta
  durezza HR 30 Tm
• TH = banda nera, stagnata e cromata (per
  imballaggi) prodotti a doppia riduzione
  Rs nominale (MPa)
• A = lamiere a grani orientati
• D = lamiere semifinite (senza ricottura finale) di
  acciaio non legato
• E = lamiere semifinite (senza ricottura finale) di
  acciaio legato
• M = acciai magnetici
  100xperdita specifica W/kg
  -
  100xspessore prodotto
• N = lamiere a grani orientati normali
• S = lamiere a grani orientati a bassa perdita
• P = lamiere a grani orientati ad elevata
  permeabilità

Gruppo 1 - acciai
designati in base al
loro impiego ed alle
loro caratteristiche
meccaniche o
fisiche

S235 = impiego strutturale, Rs(min)=235 MPa.
S460Q = impiego strutturale, Rs(min)=460 MPa, da bonifica.
P355M = per impieghi sotto pressione, Rs(min)=355 MPa, da laminazione.