Introduzione ai materiali metallici:L’Acciaio

• Classificazione dei materiali da costruzione• La produzione industriale dell’acciaio

– La metallurgia primaria e secondaria– I semilavorati: tecnologie produttive

• Proprietà meccaniche degli acciai– Prove meccaniche

•Prova di trazione•Resilienza

– Effetto della temperatura sulle caratteristiche meccaniche– Confronto acciaio/calcestruzzo

Materiali

MetalliCeramici

Polimeri

Cemento armato

Murature

Calcestruzzo

Compositi

CHE COSA E’ L’ACCIAIO?

• L’acciaio è una lega di ferro e carbonio con tenore di carbonio fino al 2%.

• Contiene piccole percentuali di elementi in lega che ne modificano le caratteristiche meccaniche e microstrutturali

• La composizione chimica degli acciai è certificata (certificato di colata), così come le proprietà meccaniche

Microstruttura dei materiali

Materiali porosi (calcestruzzo, ceramiche tradizionali, pietre naturali….)

Materiali non porosi (metalli, polimeri, vetri…)

Calcestruzzo Acciaio

Metallurgia

• Primaria– Semilavorati prodotti dal minerale di ferro

ridotto per ottenere il metallo

• Secondaria– Semilavorati prodotti dal riciclaggio del

rottame ferroso

Siti siderurgiciDati Federacciai 2013

Produzione dell’acciaioDati Federacciai 2013

I «prodotti» siderurgiciDati Federacciai 2013

Ciclo produttivo primario

• Si produce l’acciaio in altoforno• Gli impianti sono localizzati in zona

costiera per favorire gli approvvigionamenti delle materie prime

• Alti costi di esercizio a causa delle quantità in gioco (volumi di carbone e minerale di ferro)

Materie prime

• Minerale di ferro• Carbone coke• Calcare

Preparazione del COKE

• In Cokeria il carbone fossile viene frantumato, vagliato e miscelato con acqua e olio minerale

• Il materiale passa in una batteria di forni dove permane per 18 ore a 1000 °C, diventando COKE

• Viene spento mediante pioggia d’acqua nella torre di spegnimento

• Viene di nuovo frantumato e vagliato

Il minerale di ferro

• Viene frantumato ed agglomerato con polverino di COKE e calcare, con funzione di fondente

• Si porta la miscela a fusione ottenendo un agglomerato

• Si procede a frantumazione dell’agglomerato così ottenuto

L’altoforno

• Reattore chimico costituito da un involucro metallico rivestito internamente da materiale refrattario, periodicamente reintegrato

Produzione dell’acciaiociclo primario da minerale

Altoforno

Conversione della ghisa

• Convertitore rivestito in refrattario inclinato e caricato con:– 70% Ghisa liquida (da altoforno)– 30% Rottame

• Viene insufflato ossigeno dal fondo • Reazione violenta e rapida di

decarburazione e trasformazione della ghisa in acciaio

Produzione dell’acciaiociclo primario da minerale

Altoforno

Coke

Calcare

Minerale di ferro

Cockeria

Impianto di trattamento

Impianto di trattamento

Convertitore

Rottame

Siviera

Elementi alliganti (Mn,Si,Al)

Impianto di solidificazione

ghisa acciaio

Ciclo produttivo secondario

• La materia prima è essenzialmente il ROTTAME

Ciclo produttivo secondario

• Si utilizza un forno tondo basculante ad arco diretto trifase, rivestito in materiale refrattario e talvolta con pareti raffreddate ad acqua

• L’arco fusorio si innesca calando gli elettrodi nel forno dove sono stati caricati in precedenza i rottami

Produzione dell’acciaio(ciclo da rottame)

Ciclo produttivo secondario

• Il rottame si riscalda e fonde sia per irraggiamento sia grazie alla presenza di bruciatori di ossicombustibile

• Il bagno di acciaio fuso si raccoglie sul fondo del forno mentre le scorie si depositano sulla superficie e vengono rimosse durante la descorificazione

Ciclo produttivo secondario

• Durante la fusione vengono estratti campioni di materiale fuso per verificarne la composizione chimica che può essere corretta mediante l’aggiunta di elementi di lega carenti

• L’acciaio fuso può passare alla siviera

Operazioni in siviera

• Degasaggio con gas inerte• Omogeneizzazione dell’analisi di

colata ed eventuale aggiunta di ulteriori ferroleghe

• Eventuale decarburazione ulteriore dell’acciaio

• Desolforazione e defosforazione

La produzione del semilavorato

• Lingottiera

• Colata continua

Solidificazione in colata continua

paniera

lingo

ttier

a

Produzione dell’acciaio

Colata continua

Lingottiera

Impianto di solidificazione

Blumi

Slebi

Lingotti

Forno diriscaldo

Gabbie dilaminazione

Gabbie dilaminazioneprimaria

BilletteGabbie dilaminazionea freddo

•Le bramme sono prodotti di sezione rettangolare, ottenuti o dalla laminazione dei lingotti colati o dalla colata continua. •Le billette e i blumi sono prodotti di forma quadrata o rettangolare, ottenuti o dalla laminazione dei lingotti colati o dalla colata continua. I blumi, rispetto alle billette, hanno una sezione maggiore. Blumi e billette sono in genere utilizzati per la realizzazione di prodotti laminati a caldo lunghi.

Laminazione a caldo

• Processo di deformazione plastica effettuato a circa 1200-1300 °C

• Necessario per cambiare forma al semilavorato derivante da lingotto o dalla laminazione continua

• Treno di laminazione composto da cilindri sagomati

• Ottenimento di numerose tipologie di prodotti per uso strutturale (tondo per ca)

Processo produttivo dell’acciaio

• Fonderia:–Metallo fuso–Solidificazione in stampi dei getti–Lavorazione di finitura superficiale

del prodotto intermedio

Processo produttivo dell’acciaio

• Solidificazione e successiva deformazione– Deformazione del semilavorato a caldo o a

freddo

Diverse proprietà meccaniche

Processo produttivo dell’acciaio

• Metallurgia delle polveri: sinterizzazione– Il metallo liquido viene atomizzato in particelle

dal diametro controllato– Compattazione delle polveri

Minore difettosità e maggiori costi

Ciclo di formatura dei metalli

FusioneFusione

SolidificazioneSolidificazione SolidificazioneSolidificazioneAtomizzazioneAtomizzazione

SolidificazioneSolidificazione

CompattazioneCompattazione

SinterizzazioneSinterizzazione

Deformazioneplastica a caldoDeformazioneplastica a caldo

Deformazioneplastica a freddoDeformazione

plastica a freddo

getti

sem

ilavo

rati

sinterizzati

Lavorazioni successive (trattamenti termici, macchin e utensili, lavorazioni di carpenteria, trattamenti superficiali , trattamenti

galvanici)

da minerale da rottame

Proprietà meccaniche dei materiali

• Elasticità• Rigidità• Resistenza • Plasticità• Fragilità • Resistenza all’usura• Durezza• Resistenza a fatica

Capacità di resistere ai carichi

Capacità di riprendere forma dopo la rimozione della sollecitazione

Capacità di modificare la forma in modo permanente senza rompersi

Capacità di mantenere la forma in presenza di sollecitazione

Tendenza a rompersi in frantumi a seguito di un urto (inverso della tenacità)

Resistenza all’azione superficiale di un altro corpo in contatto, in movimento relativo

Resistenza alla scalfitura o alla penetrazione

Resistenza all’azione di una sollecitazione ciclica

Equilibrio dei corpi rigidi

F1

F2

Azioni interne(definizione di tensione o sforzo)

F1

F2

σ

Unità di misura della tensione: [N/mm2]1 [N/mm2] = 1 [MPa]

F

Effetto di un carico di trazione/compressione

F

F

trazione

F

F

compressione

∆l/2

Definizione di deformazione

F

F

L

l

l

∆L/2

∆L/2

∆l/2

Le deformazioni sono grandezze adimensionali

Prova di trazione

• È la prova principale per la caratterizzazione dell’acciaio

• Permette la determinazione dei parametri reali del materiale che devono verificare quelli utilizzati dal progettista della struttura (D.M. 14/09/2005)

Prova di trazione

• La prova è eseguita attraverso macchine idrauliche o elettromeccaniche nelle quali sono afferrate le due estremità di un provino metallico a sezione tonda o rettangolare. Durante la trazione il provino è sottoposto ad una deformazione crescente fino alla sua rottura. Sono registrati i valori del carico applicato e dell’allungamento del provino, da cui è possibile ricavare rispettivamente:- lo sforzo nominale, dividendo per l’area della sezione iniziale del provino (la sezione minima resistente)- la deformazione nominale, calcolata utilizzando la lunghezza iniziale del tratto utile del provino.

Prova di trazione:Curva sforzo - deformazione

• Il comportamento dell’acciaio è di tipo elastoplastico o duttile

• Nel diagramma sono presenti 3 zone ben distinte:– Il primo tratto, con andamento lineare, individua il

comportamento elastico del materiale.– Il secondo tratto è caratterizzato da una deviazione

rispetto la proporzionalità diretta: è il campo di deformazione plastica uniforme del materiale metallico

– Il terzo tratto rappresenta il campo di deformazione plastica localizzata, che prende il nome di strizione, al termine della quale si verifica la rottura duttile del provino

Deformazione elastica

Deformazione plastica uniforme

Snervamento

Deformazione plastica

localizzata

fy

f t

Prova di trazione:Curva sforzi reali - deformazioni reali

Le curve sforzo-deformazione nominali non danno un’indicazione completamente aderente alla realtà fisica poiché sono calcolate rispetto alle dimensioni originali del provino. Per determinare lo sforzo reale è necessario dividere il carico per l’area minima istantanea della sezione trasversale del provino. Si può ricavare per lo sforzo reale la relazione:

Analogamente per la deformazione reale è necessario considerare la lunghezza istantanea del provino e si può ottenere la relazione:

Curve Sforzo-Deformazione Nominali e Reali

f t

• Nel tratto elastico il comportamento del materiale segue una relazione di proporzionalità diretta tra sforzo e deformazione

• La deformazione è di tipo reversibile: supponendo di rimuovere il carico in questo tratto della curva, il provino recupererebbe le sue dimensioni originali

Comportamento elastico

Comportamento elastico

ε

σ

• Una grandezza direttamente ricavabile dalla curva sforzo-deformazione è il modulo di elasticità o di Young (E) che rappresenta la costante di proporzionalità che lega tensioni e deformazioni nel campo di validità della legge di Hooke. Questa legge descrive il legame costitutivo del materiale.

• Si definisce modulo di Poisson (υ) il rapporto tra le deformazioni in direzione perpendicolare alla retta di applicazione del carico e nella direzione ad essa parallela

Moduli di elasticità

Moduli di elasticità

σ

σ

εn

E = modulo di Young

εt

υ = modulo di Poisson

Moduli di elasticità

Mod

ulo

di Y

oung

[GP

a]

Densità [kg/dm3]

Malte, calcestruzzi

Acciai

• Acciai generali da costruzione:200 000 N/mm2 < E < 210 000 N/mm2

• Acciai inossidabili:E = 190 000 N/mm2

TUTTI gli acciai: υ pari a circa 0.3

Moduli di elasticità degli acciai:dati caratteristici

La tensione di snervamento

Nella progettazione di una struttura civile ha notevole interesse ingegneristico il valore della tensione in corrispondenza del quale viene meno la proporzionalità diretta tra sforzo e deformazione, ovvero Se la curva di trazione presenta un punto angoloso il valore dello sforzo in corrispondenza di questo rappresenta la tensione di snervamento fy

Quando si verifica il fenomeno dello snervamento discontinuo, si determinano due distinti valori della tensione di snervamento fy corrispondenti al massimo ed al minimo registrati nella zona ad andamento oscillante.Se la curva è continua, il valore di fy è quello cheproduce una deformazione (ovviamente plastica) residua dello 0.2%. Si ricava tracciando una retta parallela al tratto elastico che interseca l’asse delle deformazioni nel punto di ascissa 0.2% ed individuando l’intersezione di questa con la curva sperimentale.

La tensione di snervamento

Definizione di tensione di snervamento

ε

σ

ε

σ

0.2%ε

σ

fy fy inf

fy supfy,0.2

Snervamento discontinuo Snervamento continuo

Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3

Nel tratto compreso tra la tensione di snervamento e la tensione massima il materiale ha un comportamento di tipo plastico: si hanno deformazioni irreversibili uniformemente distribuite su tutta la lunghezza del tratto utile del provino.Supponendo di scaricare il provino in questo tratto la deformazione elastica accumulata nella fase di carico è completamente recuperata. Permane tuttavia una deformazione residua dovuta alla plasticizzazione del materiale.L’ampiezza del tratto plastico indica la capacità del materiale di cambiare forma in modo permanente, ovvero dell’attitudine a subire determinate lavorazioni.

Comportamento plastico

Comportamento plastico

ε

σ

εp εe

Limite elastico

L’incrudimento

Supponendo di caricare nuovamente un provino già deformato plasticamente si ottiene una curva di trazione con un tratto elastico che si estende fino al massimo valore di tensione raggiunto durante la prima deformazione. Questo fenomeno di incremento del valore della tensione di snervamento è detto incrudimento.

Incrudimento

ε

σ

Rs

R’s

R’’s

incrudimento

fy1

fy2

fy3

Tensione di rottura

La tensione di rottura ft è la massima tensione nominale raggiunta durante la prova di trazione e costituisce quindi il massimo valore di tensione sopportabile in esercizio, oltre il quale si giunge a rottura. La tensione di rottura individua la suddivisione del campo di deformazione plastica uniforme e quello di deformazione plastica localizzata (strizione).La semplicità di determinazione ed una consolidata consuetudine ne hanno fatto un importante parametro di caratterizzazione del materiale, spesso utilizzato in fase di specifica o di accettazione.

Deformazione elastica

Deformazione plastica uniforme

Deformazione plastica

localizzata

fy

f t

La strizione

Fenomeno di deformazione plastica localizzata in un breve tratto del provino

• Si manifesta sino alla rottura del provino, con separazione delle due metà lungo una sezione perpendicolare all’asse di applicazione del carico

• È indice della duttilità del materiale

è quantificata attraverso il parametro Z%

Strizione percentuale

Difficoltà di misurazione

Allungamento percentuale a rottura

Energia elastica e energia per la deformazione plastica

L’area sottesa alla curva di trazione rappresenta l’energia (per unità di volume) necessaria rompere il provino

σ

ε

Energia elastica

Energia plastica

Tale energia è un indice della TENACITÀ del materiale:

� Resistenza del materiale all’innesco della frattura

Fattori che influenzano l’insorgenza della frattura fragile

L’acciaio non sempre si rompe in modo duttile, esistono alcuni fattori che possono determinare una frattura di tipo fragile, ovvero una rottura caratterizzata da una deformazione plastica minore o del tutto assente, con una corrispondente minor capacità di assorbimento di energia del materiale. Questi fattori sono:

• Bassa temperatura• Alta velocità di carico (urto)• Triassialità degli sforzi

» Alto spessore» Difetti acuti (effetto intaglio)

L’effetto di temperatura ed urti sull’acciaio è valutato tramite la prova di resilienza.Questa consiste nel colpire un provino intagliato con un coltello montato sul maglio del cosiddetto “pendolo di Charpy” (l’urto avviene sul lato opposto rispetto all’intaglio). La differenza tra l’energia potenziale del maglio nella posizione di partenza, nota, e l’energia potenziale all’arresto del maglio, calcolabile misurando la risalita dello stesso dopo l’urto e la rottura del provino, permette di ottenere l’energia assorbita dal materiale.

La prova di resilienza: il pendolo di Charpy

La prova di resilienza: pendolo di Charpy

Pendolo di Charpy Configurazione di prova

La prova di resilienza è eseguita su provini a differente temperatura, valutando l’energia assorbita nell’urto. È possibile quindi determinare una temperatura di transizione duttile-fragile Ttr che identifica il passaggio del materiale da un comportamento di tipo fragile, con basso assorbimento di energia, ad uno duttile.Convenzionalmente Ttr è individuata in corrispondenza del valor medio di energia assorbita.In alternativa, poiché la frattura di tipo fragile è caratterizzata da un aspetto cristallino, si può determinare la Ttr come il valore di temperatura in corrispondenza del quale si ha un grado di cristallinità del 50%.

La prova di resilienza: temperatura di transizione

duttile-fragile

Temperatura di transizione duttile / fragile

a) R

esili

enza

(J)

Temperatura (°C)

b) C

rista

llini

tà (

%)

Ttr

La temperatura non influenza solamente la capacità del materiale di assorbire energia, ma determina una variazione anche delle altre proprietà meccaniche del materiale.All’aumentare della temperatura diminuiscono infatti sia il modulo di elasticità dell’acciaio che la sua resistenza meccanica (minor tensione di snervamento e minor tensione di rottura).

Effetto della temperatura sulle caratteristiche meccaniche

Effetto della temperatura sul modulo di elasticità

Effetto della temperatura sulla resistenza di un acciaio

σ

ε

Incremento T

Applicazioni strutturali in condizioni di bassa e alta temperatura

Data l’influenza della temperatura sulle caratteristiche dell’acciaio è necessario, in particolari condizioni di esercizio, valutare gli eventuali problemi connessi.In condizioni climatiche estremamente rigide sarà necessario considerare il possibile effetto di urti sulla struttura, specialmente in presenza di intagli o zone di concentrazione delle tensioni.In modo analogo si terrà conto del forte degrado delle proprietà meccaniche in presenza di alte temperature, ad esempio in situazioni di incendio, dove in caso di struttura in cemento armato sarà fondamentale l’azione isolante del copriferro.

Ambienti a basse temperature

Effetto del calore sulle proprietà meccaniche: il rischio incendi

Comportamento a compressione

F

F

compressione

Comportamento a trazione/compressione

Compressione

Trazione

σ n(N

/mm

2 )

εn

xAcciaio strutturale

Comportamento a trazione/compressione

Compressione

Trazioneσ n

(N/m

m2 )

εn

x

Calcestruzzo