Materiali strutturali per l'ingegneria civile: acciaio e trattamenti

MATERIALI STRUTTURALI PER L'INGEGNERIA CIVILE

Insegnamento: Materiali Strutturali per l'Ingegneria Civile Corso di Laurea: Ingegneria Edile Sede: Ancona Docente: Prof. Valeria Corinaldesi 9 CFU pari a ore 72 di didattica frontale

RECAPITI DELLA DOCENTE

Tel. 071 2204428 E-mail: v.corinaldesi@univpm.it

LEZIONE 17 ACCIAIO PROPRIETÀ MECCANICHE

PROVA DI TRAZIONE PROVA DI RESILIENZA PROVE DI DUREZZA COMPORTAMENTO A FATICA COMPORTAMENTO AD ALTA TEMPERATURA

PROVA DI RESISTENZA A TRAZIONE

- - Forza (N) lo - -- (a) 41=1- 1% (mm) (b) Figura 2.1 Schematizzazione del provino di trazione (a) ed esempio di curva forza-allungamento (b).

Curva di Trazione Acciaio

tensione massima di rottura a trazione Stk (MPa) curva reale R 400 300 curva ingegneristica Rs,sup Rs,inf rottura 200 tensione di snervamento (J vk ) 100 Legge di Hooke: o = E . & (valida fino al limite elastico lineare) 0- 0 10 20 30 40 € (%) Figura 6.2 Curva di trazione di un acciaio con 0,18% di carbonio dopo lamina- zione a caldo. Si osserva la presenza di uno snervamento discontinuo [3].

Comportamento Materiali Metallici

0 0 Lf L Lo Lo 3 3 (a) (b) Figura 6.5 Andamento della curva di trazione per un materiale metallico a comportamento fragile (a) e uno a comportamento duttile (b).

TENACITÀ

capacità di un materiale di assorbire energia prima della rottura

Energia Assorbita a Rottura

0 σ Energia elastica Energia elastica 3 3 (a) (b) Figura 2.7 Energia assorbita a rottura da un materiale deformato plasticamente: (a) materiale fragile, (b) materiale duttile.

Effetto Carbonio su Curva di Trazione

* 1,12%C (MPa) × 0,8% C 700 * 0,61%C 600- 500 400 0,36%C 300 0,21%C 200 100 - 0 0 5 10 15 20 25 30 35 £ (%) Figura 7.5 Effetto del contenuto di carbonio sulla curva di trazione dell'acciaio dopo normalizzazione [8].

PROVA DI RESILIENZA

Pendolo di Charpy

Maglio Provino Maglio Fine corsa h Provino 1 1. In'. 1 Figura A Prova di resilienza su materiali metallici con il pendolo di Charpy [3].

Andamento Resilienza in Funzione della Temperatura

Energia assorbita Materiali metallici con struttura cfc Materiali metallci con struttura ccc Materiali metallici ad alta resistenza Temperatura Figura 6.8 Andamento schematico della resilienza in funzione della temperatura in diversi tipi di materiali metallici.

PROVE DI DUREZZA

Durezza Brinell e Vickers

P Impronta Brinell D dı d2 P Vickers dı 136° d2 Figura A Prove di durezza Brinell e Vickers.

Durezza Rockwell

P P p .p 120° Figura B Prove di durezza Rockwell.

COMPORTAMENTO A FATICA

Andamenti Sforzo in Funzione del Tempo

0 + + (traz.) Omax Omax 0 Omedio Tempo 1 Omin® Omin - 0 (compr.) R =- 1 - R>0 Tempo 0 + + Omax Omax - - 1 1 Omedio 0 Omin 0 Tempo - 0<R <- 1 Figura A Tipici andamenti dello sforzo in funzione del tempo durante le prove di fatica sui materiali metallici (convenzionalmente si assumono positivi gli sforzi di trazione e negativi quelli di compressione). I 1 Omedio 1 Tempo R=0 0

Diagramma di Wohler

Innesco Superficie rugosa Superficie lucida Linee di arresto o "di spiaggia" Omax Omax 500 250 400- 200- J 300- 150- 1 -- 100- . Limite di fatica 100- 50- Limite di durata a 107 cicli 0 0 1 104 105 106 107 108 104 105 106 107 108 Numero cicli Numero cicli (a) (b) Figura B Esempio di diagramma di Wohler per un acciaio (a) e per una lega di alluminio (b). - 200-

COMPORTAMENTO AD ALTA TEMPERATURA

SCORRIMENTO VISCOSO o CREEP

a temperatura elevata, anche per una tensione inferiore a quella di snervamento, l'acciaio può subire una deformazione plastica progressiva nel tempo che lo può portare a rottura 3 Aumento di temperatura o sforzo III I 1 III II 1 - I II 1 I I 1 a temperatura ambiente I Tempo tr

MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO

Incrudimento Controllo della dimensione del grano Rafforzamento per soluzione solida Rafforzamento per precipitazione = Trattamenti termici

INCRUDIMENTO

Rs' 1 1 Rs,sup Rs,inf Rimozione del carico 1 1 Eres 0,2% 3

Lavorazione a Freddo

INCRUDIMENTO (MPa) 100 = 500 80 R - - 60 300 - - 40 200 - 100 A% - - 0- 0 0 20 40 60 80 100 Lavorazione a freddo (%) A (%) 400 R$ s - 20

Recupero e Ricristallizzazione

Recupero e ricristallizzazione Un aumento di temperatura favorisce la diffusione allo stato solido Resistenza Duttilità Temperatura Materiale incrudito Nuovi grani 1 1 I Recupero Ricristallizzazione Ingrossamento del grano 0,3-0,4 T. 0,5 Tf

CONTROLLO DELLA DIMENSIONE DEL GRANO

Acciaio Dolce

R $ Mo (MPa) 400- Acciaio dolce 300- 200 - Zn 100- Al-3%Mg 0 0 2 4 6 8 10 d-1/2 (mm-1/2)

Ostacolo al Movimento delle Dislocazioni

CONTROLLO DELLA DIMENSIONE DEL GRANO Il bordo del grano è un ostacolo efficace per bloccare il movimento delle dislocazioni Ridurre la dimensione dei grani non produce una diminuzione della tenacità del materiale Esempio di riduzione della dimensione dei grani durante la laminazione a caldo: Rulli di laminazione Ricristallizzazione

RAFFORZAMENTO PER SOLUZIONE SOLIDA

Interazione con il Movimento delle Dislocazioni

Gli atomi di soluto aumentano la resistenza allo snervamento di un materiale metallico interagendo con il movimento delle dislocazioni

Effetto del Carbonio sulla Curva di Trazione

RAFFORZAMENTO PER SOLUZIONE SOLIDA * 1,12%C (MPa) 0,8% C 700- 0,61%C 600- 500- 1 400- 0,36%C 300- 0,21%C 200 100 0 0 5 10 15 20 25 30 35 € (%)

RAFFORZAMENTO PER PRECIPITAZIONE

La presenza di una dispersione di piccole particelle, di fase diversa, aumenta la resistenza del metallo in funzione del contenuto, della forma e delle dimensioni delle particelle

TRATTAMENTI TERMICI

Sono operazioni in cui il materiale metallico viene riscaldato fino ad una certa temperatura (780-980ºC). 9 mantenuto a tale temperatura per un dato tempo e poi riportato a temperatura ambiente con una certa velocità di raffreddamento. addolcimento rafforzamento RICOTTURA COMPLETA NORMALIZZAZIONE TEMPRA + RINVENIMENTO aumento della velocità di raffreddamento => aumento di resistenza e fragilità

TECNOLOGIE DI PRODUZIONE

I processi metallurgici consentono di ottenere il materiale metallico partendo dai minerali che contengono gli ossidi del metallo (METALLURGIA PRIMARIA) oppure partendo da rottami (METALLURGIA SECONDARIA) Per l'acciaio si parla di SIDERURGIA INTEGRALE ELETTRICA

SIDERURGIA INTEGRALE

Minerali di ferro (ossidi di ferro) + combustibile (coke) + fondenti (carbonati di calcio e magnesio) 1 ALTOFORNO -> ghisa (contiene ferro e carbonio al 2,5 + 4,5%) Convertitori - affinazione (riduzione della percentuale di carbonio fino ad un massimo dell'1,5% mediante insufflazione di ossigeno) -> ACCIAIO liquido Il tenore di carbonio dell'acciaio è direttamente correlato alla sua durezza (da dolce a duro, fino alle ghise acciaiose) SIVIERE (contenitori rivestiti di materiale refrettario) IMPIANTO DI COLATA

LAVORAZIONI PER L'OTTENIMENTO DELLA FORMA E DELLE PROPRIETÀ FINALI

In alternativa: • solidificazione in pezzi semilavorati e poi deformazione plastica a caldo ed eventualmente a freddo • solidificazione dei getti in fonderia tramite colata in stampi (in sabbia) • lavorazioni di metallurgia delle polveri (sinterizzazione) ULTERIORI LAVORAZIONI FINALI: - Trattamenti termici - Asportazioni di truciolo con macchine utensili - Rivestimenti e finiture superficiali - Collegamenti e giunzioni

Tecniche di Deformazione Plastica

Fucinatura (c) Laminazione (c) I - Trafilatura (t+c) Estrusione (c) - Imbutitura (t+f) Stiramento t Piegamento (f) Tranciatura (ta)

SALDABILITÀ

CE= C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 Carbonio equivalente = CE<0.45 secondo le Norme Tecniche per le Costruzioni: 0.50) Zona termicamente alterata (T>A1) Metallo base fuso e risolidificato (s.autogena) oppure miscela di materiale base + metallo (T>Tf) Metallo base inalterato I I I I Figura 8.4 Saldatura per fusione: indicazione delle diverse zone.

DESIGNAZIONE DEGLI ACCIAI

secondo la norma UNI EN 27 Acciai designati sulla base di: - caratteristiche meccaniche (Fe410) carico di rottura: 410 MPa acciaio per calcestruzzo armato impiego FeB215 carico di snervamento: 215 MPa - composizione chimica

Acciai per Cemento Armato

Acciai per cemento armato secondo il D.M. 9-1-1996 = tensione di snervamento fik = tensione di rottura a trazione A5 = allungamento percentuale relativo ad un tratto lungo 5 diametri

TIPO DI ACCIAIO fyk (MPa) fık (MPa) A5 (%)

• Acciai in barre tonde lisce (5 ≤ ¢ ≤ 30 mm):
  • Fe B 22 k ≥ 215 ≥ 335 ≥ 24
  • Fe B 32 k ≥ 315 ≥ 490 ≥ 23
• Acciai in barre ad aderenza migliorata:
  • Fe B 38 k (5 ≤ ¢ ≤ 30 mm) ≥ 375 ≥ 450 ≥ 14
  • Fe B 44 k (5 ≤ ¢ ≤ 26 mm) ≥ 430 ≥ 540 ≥ 12
• Fili acciaio trafilato (5 ≤ ¢ ≤ 12 mm) ≥ 390 ≥ 440≥8(su 10 diametri)
• Reti e tralicci elettrosaldati ≥ 390 ≥ 440≥8(su 10 diametri) prove di piegamento a 180º o su mandrino

ACCIAI INOSSIDABILI

Microstruttura e Composizione

Microstruttura Sigla EN Sigla AISI C N Cr Ni Mo Altri Ferritica 1.4000 410S 0,04 12 - - - 1.4016 430 0,04 16,5 - - - Martensitica 1.4028 420 0,30 1 - - - Duplex 1.4362 S32304 0,02 0,10 23 4,5 - - 1.4460 329 0,02 0,09 25 5 1,5 - 1.4462 S31803 0,02 0,17 22 5,5 3 - 1.4410 S32750 0,02 0,27 25 7 4 - Austenitica 1.4372 201 0,05 0,15 17 5 Mn 1.4310 301 0,10 0,04 17 7 - - 1.4307 304L 0,02 0,06 18,3 9,2 - - 1.4301 304 0,04 0,06 18,3 8,7 - - 1.4541 321 0,04 0,01 17,3 9,2 - Ti 1.4303 305 0,02 0,02 18 11,5 - - 1.4404 316L 0,02 0,06 17,3 11 2,2 - 1.4401 316 0,04 0,04 16,8 10,7 2,2 - 1.4406 316LN 0,02 0,14 17,5 11 2,2 - 1.4571 316Ti 0,04 0,01 17 11 2,2 Ti 1.4432 316L 0,02 0,06 17 11,7. 2,7 - 1.4436 316 0,04 0,06 17 11 2,7 - 1.4435 316L 0,02 0,06 17,3 12,7 2,7 - 1.4438 317L 0,02 0,08 18,3 12,2 3,2 - 1.4434 317LN 0,02 0,12 17 11 3,2 - 1.4439 S31726 0,02 0,14 17,3 12,7 4,2 - 1.4539 N08904 0,01 0,06 20 25 4,5 Cu 1.4547 S31254 0,01 0,20 20 18 6,1 Cu 1.4652 S32654 0,01 0,50 24 22 7,3 Mn,Cu - AISI = American Iron and Steel Institute Cr > 12% %C bassa - - 12,5 Elementi di lega (%)