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I CRITERI DI SCELTA E DI TRATTAMENTO DEGLI ACCIAI DA COSTRUZIONE E DA UTENSILI VOLUME 1° Fisica dei metalli. Proprietà degli acciai. Trattamenti termici. Rivestimenti antiusura, sinterizzazione e pressatura isostatica a caldo. Controllo qualità. Norme e direttive. Sistema internazionale delle unità di misura. Rassegna della normativa nazionale.

INDICE GENERALE

Capitolo secondo

Presentazione di AQM Srl (V)

TRASFORMAZIONI IN CONDIZIONI D’EQUILIBRIO: diagrammi di stato e diagramma Fe-C (1, 11)

Prefazione dell’autore (VII)

Introduzione (1, 11) Regola delle fasi (1, 11) Analisi termica (1, 12) Varianza nei sistemi metallurgici (1, 13) Diagramma di stato di due componenti completamente solubili allo stato liquido e completamente insolubili allo stato solido (1, 14) Campi d’esistenza delle fasi (1, 16) Composizione delle fasi (1, 16) Quantità delle singole fasi (1, 17) Microstruttura (1, 17) Forma delle curve d’analisi termica (1, 17) Triangolo di Tammann (1, 18) Diagramma di stato di due componenti completamente solubili allo stato liquido e parzialmente solubili allo stato solido (1, 18) Diagramma di stato di due componenti completamente solubili sia allo stato liquido sia allo stato solido (1, 20) Diagramma di stato con peritettico (1, 21) Esempi di diagrammi di stato reali (1, 22) Diagrammi di stato ternari (1, 23) Diagramma Ferro-Carbonio (1, 24) Caratteristiche del ferro (1, 24) Solidificazione delle leghe Fe-C (1, 25) Trasformazioni allo stato solido delle leghe Fe-C (1, 27) Punti critici delle leghe Fe-C allo stato solido (1, 30) Bibliografia (1, 30)

Prefazione alla seconda edizione (VIII) Presentazione A.N.I.M.A. (Associazione Nazionale Industria Meccanica varia ed Affine) e U.N.I.T.T. (Unione Nazionale delle Industrie dei Trattamenti Termici) alla seconda edizione. (IX) Prefazione alla prima edizione (X) INDICE DEGLI AUTORI (XI)

FISICA DEI METALLI Capitolo Primo CENNI DI FISICA DEI METALLI (1, 1) L’atomo (1, 1) Lo stato metallico (1, 3) Cristalli metallici (1, 3) Trasformazioni allotropiche (1, 4) Caratteristiche meccaniche dei cristalli (1, 5) Dislocazioni (1, 6) Autodiffusione (1, 8) Leghe (1, 8) Indurimento per precipitazione (1, 9) Indurimento con tempra martensitica (1, 10) Bibliografia (1, 10)

Capitolo terzo TRASFORMAZIONI IN CONDIZIONI DI NON EQUILIBRIO: la solidificazione e la cinetica di trasformazione dell’austenite (1, 31) Introduzione (1, 31) Il fenomeno della solidificazione (1, 31) Sottoraffreddamento, nucleazione ed accrescimento (1, 31) Cristallizzazione dendritica (1, 34)

I


Microsegregazione e struttura a bande (1, 34) Dieci consigli per ottimizzare la fibratura (1, 36) Macrosegregazione (1, 38) Cinetica di trasformazione dell’austenite (1, 40) Influenza della velocità di raffreddamento (1, 40) Microstrutture ottenibili, secondo la velocità di raffreddamento (1, 40) Diagrammi di Bain o curve TTT (1, 43) Diagrammi al raffreddamento continuo o curve CCT (1, 44) Bibliografia (1, 45)

Tempra in vasca (1, 60) Capacità e forma della vasca (1, 60) Relazione tra volume e superficie libera (1, 60) Livello del fluido da tempra (1, 60) Altezza dello strato di fluido sopra la carica (1, 60) Filtrazione (1, 60) Sistemi di raffreddamento (1, 60) Circolazione del fluido (1, 61) Manutenzione della vasca (1, 61) Inconvenienti della tempra (1, 61) Deformazioni (1, 61) Variazioni volumetriche (1, 61) Variazioni geometriche (1, 61) Distorsioni al riscaldamento (1, 61) Distorsioni durante il raffreddamento di tempra (1, 62) Tempra in olio caldo (1, 62) Contaminazione degli oli da tempra con acqua (1, 63) Emissioni di fumo, esalazioni nocive e pericolo d’incendio (1, 63) Scelta del fluido da tempra (1, 63) Varietà dei particolari e caratteristiche del ciclo produttivo (1, 64) Temprabilità e composizione dell’acciaio (1, 64) Variazioni della sezione e complessità del disegno (1, 64) Proprietà meccaniche richieste (1, 64) Grado di distorsione ammissibile (1, 64) Metodo di tempra (1, 64) Ambiente di lavoro (1, 64) Riepilogo dei potenziali problemi di tempra (1, 64) Bibliografia (1, 66)

TECNICHE DI TEMPRA Capitolo quarto PRINCIPI E TECNICHE DI TEMPRA (1, 47) Introduzione (1, 47) Teoria della tempra martensitica (1, 47) Il meccanismo della tempra (1, 48) Fluidi tempranti (1, 50) Tempra con acqua (1, 50) Drasticità dell’acqua (1, 51) Corrosione indotta dall’acqua (1, 51) Fermentazione nelle vasche da tempra (1, 52) Tempra con oli (1, 52) Caratteristiche degli oli da tempra (1, 52) Viscosità (1, 52) Additivazione (1, 52) Bagnabilità (1, 52) Infiammabilità (1, 52) Resistenza all’ossidazione (1, 52) Stabilità termica (1, 53) Volatilità (1, 53) Lavabilità (1, 53) Classificazione degli oli da tempra (1, 53) Controllo degli oli da tempra in esercizio (1, 54) Tempra con fluidi sintetici (1, 55) Generalità (1, 55) Vantaggi della tempra con fluidi sintetici (1, 55) Vantaggi ambientali (1, 55) Vantaggi economici e di produzione (1, 55) Vantaggi tecnici (1, 56) Fluidi da tempra a base di polialchilenglicoli (PAG) (1, 56) Scelta della velocità di raffreddamento (1, 56) Controllo della concentrazione (1, 57) Fluidi da tempra a base di poliacrilati (ACR) (1, 57) Fluidi da tempra a base di polivinil pirrolidone (PVP) (1, 58) Effetto della concentrazione (1, 58) Effetto della temperatura (1, 58) Effetto dell'agitazione (1, 58) Applicazioni tipiche di fluidi da tempra a base di PVP (1, 58) Fluidi da tempra a base di polietil ossiazolina (PEO) (1, 58) Caratteristiche di tempra (1, 59) Effetto della concentrazione (1, 59) Effetto della temperatura (1, 59) Effetto dell'agitazione (1, 59) Applicazioni tipiche di fluidi da tempra a base di PEO (1, 60)

PROPRIETÀ FONDAMENTALI DEGLI ACCIAI Capitolo quinto TEMPRABILITÀ (1, 67) Definizione di temprabilità (1, 67) Influenza dei mezzi di spegnimento (1, 67) Diametro e durezza critica (1, 70) Metodi di valutazione della temprabilità (1, 72) Acciai con temprabilità molto bassa (1, 72) Acciai con bassa temprabilità (1, 72) Acciai con temprabilità media e medio-alta (1, 73) Temprabilità dello strato cementato (1, 74) Acciai con elevata temprabilità (1, 75) Correlazione tra temprabilità, composizione chimica e dimensione del grano (1, 75) Carbonio e dimensione del grano (1, 76) Acciai non legati al carbonio - manganese (1, 76) Acciai basso legati a medio tenore di carbonio (1, 77) Acciai ad alto tenore di carbonio e strati cementati (1, 80) Acciai contenenti boro (1, 81) Correlazione tra prove di temprabilità e caratteristiche d’indurimento dei pezzi (1, 82) Esempi d’uso della temprabilità (1, 88) Valutazione della velocità di raffreddamento (1, 88) Valutazione delle caratteristiche di temprabilità (1, 89) Acciai bonificati (1, 90) Acciai cementati (1, 90)

II


Acciai ad alta lavorabilità o a lavorabilità migliorata (1, 111) Influenza del Pb e Bi (1, 111) Influenza degli elementi del gruppo dello zolfo (1, 112) Influenza degli elementi alcalino terrosi (1, 114) Acciai al calcio della classe A (1, 114) Acciai al calcio della classe B (1, 115) Bibliografia (1, 116)

Determinazione del valore Jec (1, 92) Temprabilità a cuore (DiB) (1, 92) Temprabilità dello strato cementato (DiC) (1, 92) Gradiente di carbonio (1, 92) Scelta della composizione (1, 93) Conclusioni (1, 93) Bibliografia (1, 93)

Capitolo sesto

TRATTAMENTI TERMICI DEGLI ACCIAI

SALDATURA E SALDABILITÀ (1, 95) Saldatura (1, 95) Termologia della saldatura (1, 95) Distribuzione della temperatura (1, 95) Cicli termici di saldatura (1, 95) Deformazioni (1, 97) Ritiro trasversale (1, 97) Ritiro angolare (1, 98) Ritiro longitudinale (1, 98) Tensioni interne (1, 98) Sollecitazioni trasversali (1, 98) Sollecitazioni longitudinali (1, 99) Comportamento delle tensioni interne di saldatura in servizio (1, 99) Strutture per servizio a bassa temperatura (1, 100) Strutture soggette a carico di punta (1, 100) Strutture soggette a lavorazioni meccaniche (1, 100) Strutture soggette a tensocorrosione (1, 101) Precauzioni e rimedi contro gli effetti dei ritiri e delle tensioni interne (1, 101) Precauzioni prima della saldatura (1, 101) Deformazione preventiva (1, 101) Creazione di una zona elastica (1, 101) Disposizione opportuna del cordone di saldatura (1, 102) Composizione di pezzi di prefabbricazione (1, 102) Precauzioni durante la saldatura (1, 102) Scelta del procedimento di saldatura e dei modi operativi (1, 102) Condizioni di vincolo ed ordine d’esecuzione delle saldature (1, 103) Rimedi dopo saldatura (1, 103) Calde di ritiro (1, 103) Trattamento di ricottura di distensione in forno (1, 103) Trattamento di ricottura localizzato (1, 104) Trattamento di stiramento alla fiamma (1, 104) Martellatura (1, 104) Saldabilità degli acciai (1, 104) Saldabilità metallurgica degli acciai (1, 105) Saldabilità degli acciai bonificati (1, 107) Conclusioni (1, 108) Bibliografia (1, 108)

Capitolo ottavo TRATTAMENTI TERMICI FONDAMENTALI DEGLI ACCIAI DA COSTRUZIONE (1, 117) Classificazione dei trattamenti termici (1, 118) Trattamenti convenzionali preliminari (1, 119) Ricotture (1, 119) Ricottura di lavorabilità o subcritica (1, 122) Ricottura completa (1, 122) Condizioni generali d’austenitizzazione (1, 123) Raffreddamento della ricottura completa (1, 123) Effetti della ricottura completa (1, 123) Ricotture globulari (1, 124) Ricottura globulare subcritica (1, 124) Ricottura di globulizzazione pendolare (1, 125) Ricottura di distensione (1, 125) Ricottura di ricristallizzazione (1, 126) Riassestamento (1, 126) Ricristallizzazione (1, 127) Ricottura d’omogeneizzazione (1, 127) Normalizzazione (1, 128) Tempra di solubilizzazione (1, 129) Trattamenti convenzionali finali (1, 129) Trattamenti di tempra (1, 129) Tempra diretta (1, 129) Tempra interrotta o scalare (1, 131) Rinvenimenti (1, 131) Durezza secondaria (1, 132) Evoluzione dell’austenite residua (1, 132) Rinvenimento di distensione (1, 132) Rinvenimento d’addolcimento (1, 134) Evoluzione della martensite cubica (1, 134) Durezza dopo il rinvenimento d’addolcimento (1, 134) Fragilità da rinvenimento (1, 135) Invecchiamento (1, 135) Trattamenti isotermici preliminari (1, 136) Ricotture isotermiche (1, 136) Ricottura isotermica globulare (1, 136) Ricottura isotermica normale (1, 137) Ricottura “bianco e nero” (1, 137) Patentamento (1, 137) Trattamenti isotermici finali (1, 138) Tempra bainitica o austempering (1, 138) Bibliografia (1, 139)

Capitolo settimo LAVORABILITÀ DEGLI ACCIAI (1, 109) Valutazione della lavorabilità (1, 109) Prove di lavorabilità (1, 109) Fattori metallurgici che influenzano la lavorabilità degli acciai (1, 110)

III


Endogas da propano miscelato con idrocarburi insaturi (1, 162) Endogas da metanolo (1, 162) Endogas da ammoniaca (1, 163) Gas tecnici e le loro miscele (1, 163) Atmosfere ottenute da cracking d’idrocarburi ossigenati liquidi (1, 163) Atmosfere con bassissima pressione assoluta (vuoto) (1, 163) Trattamenti successivi alla generazione delle atmosfere (1, 164) Essiccazione su gel di silice o d’allumina (1, 164) Essiccazione su setacci molecolari (1, 164) Essiccazione mediante refrigerazione (1, 164) Essiccazione mediante compressione e decompressione (1, 164) Eliminazione dell’anidride carbonica (1, 164) Eliminazione dell’ossido di carbonio (1, 165) Cenni sugli impianti di produzione delle atmosfere (1, 165) Richiami di termodinamica (1, 166) Costanti d’equilibrio (1, 166) Costanti d’instabilità (1, 167) Potenziale di carbonio (1, 167) Controllo del potenziale di carbonio (1, 168) Diagrammi d’equilibrio per le atmosfere controllate (1, 169) Diagrammi d’equilibrio per l’ossidazione e la riduzione del ferro (1, 169) Diagrammi d’equilibrio per il controllo della cementazione (1, 169) Controllo della cementazione tramite misura della CO2 e del CO (1, 169) Controllo della cementazione mediante misura del CO e O2 (1, 169) Controllo della cementazione con atmosfere ottenute da alcool metilico arricchito con acetato d’etile (1, 171) Controllo della cementazione con atmosfere ottenute da miscele d’alcool metilico ed acqua (1, 171) Le materie prime (1, 172) Tabelle d’impiego delle atmosfere controllate (1, 172) Conclusioni (1, 173) Bibliografia (1, 175)

Capitolo nono TRATTAMENTI DI TEMPRA SUPERFICIALE (1, 141) Trattamenti d’indurimento superficiale (1, 141) Trattamenti di tempra superficiale (1, 141) Acciai da tempra superficiale (1, 144) Temprabilità (1, 145) Scelta degli acciai per tempra superficiale (1, 145) Tempra superficiale di pezzi carbocementati (1, 146) Rinvenimento di distensione (1, 146) Metodi di riscaldamento (1, 146) Tempra ad induzione (1, 147) Considerazioni sulla frequenza (1, 148) Considerazioni sulle bobine (1, 148) Condizioni di riscaldamento e forma delle bobine (1, 148) Bobine disposte in serie (1, 149) Raffreddamento delle bobine (1, 150) Fiammatura (1, 150) Tempra laser (1, 150) Indurimento superficiale con laser (1, 151) Bibliografia (1, 152)

Capitolo decimo LE ATMOSFERE CONTROLLATE (1, 153) Cenni storici (1, 153) Il problema (1, 154) Termini e definizioni (1, 155) Atmosfera controllata (1, 155) Atmosfera portante (1, 155) Atmosfera riducente (1, 155) Atmosfera ossidante (1, 155) Atmosfera carburante (1, 155) Atmosfera decarburante (1, 155) Atmosfera nitrurante (1, 155) Atmosfera neutra (1, 155) Atmosfera esotermica (1, 155) Atmosfera endotermica (1, 155) Atmosfere formate con gas tecnici (1, 155) Esplosività (definizione) (1, 156) Tossicità (definizione) (1, 156) Punto di rugiada (definizione) (1, 156) Potenziale di carbonio (definizione) (1, 156) Esplosività (1, 156) Combustione, deflagrazione, esplosione (1, 156) Tossicità (1, 157) Lavaggio delle camere (1, 158) Punto di rugiada (1, 159) Misura dell’ossigeno residuo nelle atmosfere cementanti (1, 160) Classificazione e generazione delle atmosfere (1, 161) Gli esogas (1, 161) Esogas da metano (1, 161) Esogas da propano (1, 161) Esogas da miscele d’idrocarburi (1, 161) Esogas da ammoniaca (1, 162) Gli endogas (1, 162) Endogas da metano (1, 162) Endogas da propano (1, 162)

Capitolo undicesimo TRATTAMENTI TERMOCHIMICI – I. CARBOCEMENTAZIONE (1, 177) Introduzione (1, 177) Carbocementazione (1, 177) Teoria del processo di carbocementazione (1, 179) Potenziale di carbonio (1, 179) Indice di Gunnarson (1, 180) Assorbimento e diffusione del carbonio (1, 180) Assorbimento del carbonio nella cementazione gassosa (1, 180) Diagrammi d’equilibrio per la cementazione gassosa (1, 181) Diffusione del carbonio (1, 184) Carbocementazione gassosa (1, 186) Cicli di carbocementazione gassosa (1, 186) Temperatura di cementazione (1, 188)

IV


Carbonitrurazione sotto A1 (1, 213) Nitrurazione e nitrocarburazione (1, 215) Nitrurazione gassosa tradizionale (1, 215) Nitrurazione salina o nitrurazione morbida (1, 216) Tenifer (1, 216) TF1 (1, 216) Sursulf (1, 216) Sulfonitrurazione o nitrocarbosulfinizzazione (1, 216) Sulf-inuz (1, 216) Suf-BT (1, 216) Nitrurazione morbida gassosa o nitrocarburazione gassosa (1, 216) Nitrurazione ionica o ionitrurazione (1, 216) Nitrocarburazione ionica (1, 216) Nitrurazione a potenziale d’azoto controllato o NITREG (1, 216) Coltre bianca (1, 216) Zona dei composti (1, 216) Strato di diffusione (1, 216) Nitrurazione gassosa convenzionale (1, 218) Parametri che influenzano il processo (1, 218) Composizione chimica dell’acciaio (1, 218) Trattamenti preliminari (1, 219) Grado di dissociazione dell’ammoniaca (1, 220) Temperatura di nitrurazione (1, 221) Durata del trattamento di nitrurazione (1, 221) Protezione antinitrurante (1, 221) Pratica del processo di nitrurazione gassosa (1, 221) Forni per la nitrurazione gassosa (1, 222) Difetti della nitrurazione e loro cause (1, 222) Variazioni dimensionali e deformazioni (1, 222) Insufficiente profondità o durezza (1, 223) Colorazione dei pezzi (1, 223) Scheggiature (1, 223) Eccessiva coltre bianca (1, 223) Eccessiva variazione del grado di dissociazione (1, 223) Nitrurazione in bagni di sali (1, 223) Composizione del bagno (1, 224) Temperatura del bagno (1, 224) Durata del trattamento (1, 225) Forni per la nitrurazione salina (1, 225) Solfonitrurazione salina (1, 225) Nitrocarburazione gassosa (1, 225) Teoria del processo (1, 225) Pratica del processo di nitrocarburazione gassosa (1, 225) Solfonitrurazione gassosa (1, 226) Nitrurazione ionica (1, 227) Nitrocarburazione ionica (1, 228) Nitrurazione gassosa a potenziale controllato NITREG (1, 228) Caratteristiche degli strati nitrurati NITREG (1, 229) Vantaggi e svantaggi del processo NITREG (1, 230) Nitrurazione NITREG a bassa temperatura (1, 231) L’impianto di nitrurazione NITREG (1, 232) Altri processi termochimici (1, 233) Cromizzazione (1, 233) Borurazione (1, 233) Silicizzazione (1, 234) Alluminizzazione (1, 235)

Durata della cementazione (1, 188) Scelta dell’atmosfera di cementazione (1, 188) Cementazione con atmosfere ottenute da idrocarburi liquidi (1, 189) Trattamenti successivi alla carbocementazione (1, 189) Tempra (1, 189) Sottoraffreddamento (1, 191) Rinvenimento di distensione (1, 192) Operazioni di finitura (1, 192) Sabbiatura (1, 192) Pallinatura (1, 193) Raddrizzatura (1, 193) Caratteristiche microstrutturali degli acciai carbocementati (1, 193) Microstruttura degli strati carbocementati (1, 193) Difetti microstrutturali degli strati carbocementati (1, 194) Ipercementazione (1, 194) Decarburazione (1, 194) Ossidazione (1, 195) Microcricche (1, 197) Microstruttura del nucleo (1, 197) Processi speciali di carbocementazione gassosa (1, 199) Cementazione ad alta temperatura (1, 199) Carbocementazione sotto vuoto (1, 199) Carbocementazione ionica (1, 200) Impianti per la carbocementazione gassosa (1, 201) Forni statici o discontinui (1, 201) Forni continui (1, 202) Carbocementazione e deformazioni (1, 203) Deformazioni e temprabilità dell’acciaio (1, 203) Deformazioni e ciclo di fabbricazione (1, 204) Deformazioni e trattamenti preliminari (1, 204) Deformazioni e struttura a bande (1, 204) Deformazioni e trattamento di cementazione e tempra (1, 204) Carbocementazione in cassetta (1, 204) Carbocementazione in bagno di sali fusi (1, 205) Carbocementazione con sali a base di cianuro sodico (1, 205) Carbocementazione con sali esenti da cianuri (1, 205) Diffusione del carbonio (1, 206) Impianti per la cementazione in bagno di sali (1, 206) Depurazione dei sali esausti (1, 207) Bibliografia (1, 207)

Capitolo dodicesimo TRATTAMENTI TERMOCHIMICI –II. CARBONITRURAZIONE, NITRURAZIONE, ALTRI TRATTAMENTI DI CEMENTAZIONE (1, 209) Carbonitrurazione (1, 209) Definizione dei processi di cementazione con carbonio e azoto (1, 210) Teoria e pratica del processo di carbonitrurazione (1, 210) Atmosfera carbonitrurante (1, 213) Protezioni anticarbonitruranti (1, 213) Trattamenti di finitura superficiale (1, 213)

V


Bibliografia (1, 235)

Esami metallografici (1, 258) Esami macrografici (1, 258) Esami micrografici (1, 258) Controllo della microstruttura (1, 258) Controllo delle deformazioni (1, 258) Controllo dell’efficacia della protezione dalla cementazione (1, 258) Piani di campionamento (1, 258) Bibliografia (1, 259)

Capitolo tredicesimo TRATTAMENTI TERMICI E DEFORMAZIONI (1, 237) Tipi di deformazioni (1, 237) Variazioni dimensionali (1, 237) Variazioni di forma o distorsioni (1, 237) Calcolo della variazione di volume (1, 237) Trattamenti termici e variazioni di volume (1, 238) Ricottura (1, 238) Tempra (1, 238) Drasticità di tempra (1, 240) Rinvenimento (1, 240) Variazioni di forma (1, 241) Conclusioni (1, 242) Bibliografia (1, 242)

RIVESTIMENTI ANTIUSURA, SINTERIZZAZIONE E PRESSATURA ISOSTATICA A CALDO Capitolo quindicesimo RIVESTIMENTI ANTIUSURA CVD E PVD (1, 261) CVD (chemical vapor deposition) (1, 261) PVD (physical vapor deposition) (1, 261) Plasma spray o spruzzatura al plasma (1, 261) Processi di deposizione chimica in fase vapore (CVD) (1, 262) Applicazioni industriali dei rivestimenti CVD (1, 266) Rivestimento CVD degli utensili d’acciaio rapido (1, 266) Applicazioni industriali dei rivestimenti CVD sugli utensili d’acciaio rapido (1, 267) Utensili per deformazione plastica (1, 267) Utensili per formatura a stampo (1, 267) Processi di deposizione fisica in fase vapore (PVD) (1, 268) Applicazioni industriali dei rivestimenti PVD (1, 271) Rivestimento PVD degli utensili da taglio (1, 271) Creatori integrali e creatori a lame riportate (1, 272) Brocce (1, 272) Punte elicoidali, alesatori e maschi (1, 272) Utensili di forma (1, 273) Utensili per deformazione plastica a freddo (1, 273) Bibliografia (1, 273)

Capitolo quattordicesimo QUALIFICAZIONE E CONTROLLO DEI TRATTAMENTI TERMICI (1, 243) Qualificazione dei procedimenti (1, 243) Controllo dei processi di trattamento termico (1, 244) Controlli di processo (1, 244) Controllo della temperatura (1, 244) Riferibilità (1, 245) Incertezza delle misurazioni (1, 245) Calcolo del valor medio (1, 245) Calcolo della deviazione standard (1, 245) Calcolo dello scarto tipo di ripetibilità (1, 245) Valutazione dell’incertezza, note le varianze (1, 245) Varianza (1, 246) Controllo del tempo (1, 246) Controllo del mezzo di protezione o cementante (1, 246) Controllo dei mezzi solidi (1, 246) Controllo dei mezzi liquidi (1, 246) Controllo delle atmosfere protettive o cementanti (1, 247) Analizzatori a raggi infrarossi (1, 247) Misuratori del punto di rugiada (D.P. meter) (1, 248) Sonda ossigeno (1, 248) Apparecchio Orsat (1, 250) Misuratore della conducibilità termica (1, 250) Misuratori della resistività elettrica (1, 250) Gascromatografi (1, 251) Misuratori della temperatura di combustione (1, 251) Provette (1, 251) Controllo dei pezzi cementati (1, 251) Prove di durezza (1, 251) Prova alla lima (1, 254) Esami microscopici (1, 254) Analisi chimica (1, 255) Metodi non distruttivi (1, 256) Misura della profondità degli strati superficiali induriti (1, 256) Profondità d’indurimento totale (1, 256) Profondità d’indurimento efficace (1, 256) Determinazione del gradiente di concentrazione (1, 257) Determinazione del gradiente di durezza (1, 257) Metodo della doppia impronta di durezza (1, 257)

Capitolo sedicesimo ACCIAI SINTERIZZATI (1, 275) Porosità dei sinterizzati (1, 275) Morfologia della porosità (1, 275) Grado di diffusione degli elementi di lega (1, 276) Ferro (1, 276) Ferro-carbonio (1, 277) Ferro-rame (1, 279) Ferro-rame-carbonio (1, 281) Acciai legati (1, 283) Leghe ferro-nichel (1, 283) Leghe ferro-rame-nichel (1, 283) Leghe ferro-rame-nichel-molibdeno (1, 283) Leghe ferrose contenenti cromo e/o manganese e/o silicio (1, 284) Trattamenti termici degli acciai sinterizzati (1, 283) Cementazione in cassetta (1, 285) Cementazione in bagno di sali (1, 286) Cementazione gassosa (1, 286)

VI


Cementazione durante la sinterizzazione (1, 287) Carbonitrurazione gassosa (1, 287) Nitrurazione in bagno di sali (1, 287) Nitrurazione gassosa (1, 287) Austenitizzazione (1, 288) Tempra (1, 288) Tempra a induzione (1, 289) Trattamenti non convenzionali (1, 289) Profondità di cementazione e d'indurimento (1, 289) Rinvenimento e bonifica (1, 292) Controllo delle proprietà meccaniche degli acciai sinterizzati e trattati (1, 292) Determinazione della resistenza a trazione (1, 295) Determinazione dell'allungamento a rottura (1, 295) Determinazione della durezza (1, 295) Misure di microdurezza (1, 296) Caratteristiche microstrutturali degli acciai sinterizzati e trattati termicamente (1, 297) Acciai sinterizzati trattati in vapore (1, 298) Acciai sinterizzati inossidabili (1, 298) Trattamenti termici e precisione dimensionale dei pezzi sinterizzati (1, 298) Scelta dei materiali sinterizzati (1, 299) Bibliografia (1, 300)

Prove preventive (1, 316) Prove in esercizio (1, 318) Misura della temperatura (1, 318) Misura delle particelle estranee contenute negli oli lubrificanti (1, 3169 Analisi delle vibrazioni (1, 320) Prove a posteriori: studio delle anomalie (1, 320) Studio delle anomalie su prototipi (1, 320) Esempio d’anomalia per difetto di materiale (1, 321) Esempio d’anomalia per difetto di forma (1, 321) Esempio d’anomalia per condizioni di prova troppo severe (1, 321) Metodi per il controllo di qualità in produzione (1, 322) Controllo in accettazione dell’acciaio (1, 322) Composizione chimica (1, 322) Omogeneità (1, 323) Integrità (1, 324) Temprabilità (1, 325) Inclusioni (1, 325) Controlli sul grezzo stampato a caldo (1, 325) Controllo dell’integrità (1, 326) Controllo dell’andamento delle fibre (1, 326) Controlli dopo le lavorazioni meccaniche intermedie (1, 326) Controlli di processo per il trattamento termico (1, 327) Controlli della composizione delle atmosfere e dei bagni (1, 327) Drasticità dei mezzi di tempra (1, 327) Controlli dopo il trattamento termico (1, 327) Microstruttura (1, 327) Profondità d’indurimento (1, 327) Composizione chimica dello strato di diffusione (1, 328) Bibliografia (1, 329)

Capitolo diciassettesimo PRESSATURA ISOSTATICA A CALDO DI MATERIALI METALLICI Tecnologia della pressatura isostatica a caldo (1, 303) Applicazioni della pressatura isostatica a caldo (1, 303) Pressatura isostatica a caldo di polveri metalliche (1, 304) Pressatura di getti (1, 306)

Capitolo diciannovesimo

METODI DI CONTROLLO DELLA CONFORMITÀ DEGLI ACCIAI

ANALISI CHIMICA DEGLI ACCIAI (1, 331) Analisi chimica dei metalli (1, 331) Tecniche analitiche (1, 331) Campionamento (1, 332) Tecniche generali di campionamento (1, 332) Apparecchiature (1, 332) Prelievo dei campioni dai lotti (1, 333) Preparazione dei campioni destinati all'analisi chimica per dissoluzione (1, 333) Truciolatura (1, 333) Frantumazione in mortaio d'acciaio (1, 334) Frantumazione e macinazione con frantoio e mulini (1, 334) Taglio (1, 336) Preparazione dei campioni destinati all'analisi chimica strumentale in fase solida (1, 336) Provette per spettrofotometria d'emissione (quantometro) (1, 336) Provette per fluorescenza e diffrattometria RX (1, 336) Provette per analisi dell'idrogeno, ossigeno ed azoto (1, 336) Procedimenti per la preparazione delle provette per l’analisi chimica strumentale (1, 336)

Capitolo diciottesimo CONTROLLO QUALITÀ (1, 309) Affidabilità del progetto (1, 309) Verifica della validità delle scelte (1, 309) Filosofia delle prove meccaniche (1, 309) Prove meccaniche statiche (1, 311) Prove per valutare la tenacità (1, 312) Prove di resilienza strumentata (1, 312) Condizioni di carico (1, 313) Misura del rapporto Ri/Rm (1, 313) Misura del coefficiente KIC (1, 314) Prove di fatica (1, 314) Cicli di sollecitazione (1, 315) Concentrazione delle sollecitazioni e resistenza a fatica (1, 315) Danno cumulativo per fatica (1, 316) Prove per valutare la resistenza all’usura (1, 316)

VII


Taglio e lavorazioni meccaniche (1, 336) Fucinatura (1, 336) Rettifica (1, 337) Rifusione (1, 338) Compattazione di polveri (1, 338) Gravimetria (1, 338) Determinazione del silicio totale negli acciai e nelle ghise (1, 339) Metodo gravimetrico (1, 339) Principio (1, 339) Reagenti (1, 339) Apparecchiature (1, 339) Procedimento (1, 339) Incertezza dei metodi analitici (1, 340) Ripetibilità (1, 340) Riproducibilità (1, 340) Valor medio (1, 341) Deviazione standard e stima della deviazione standard (1, 341) Incertezza della misurazione (1, 341) Stima dello scarto tipo di ripetibilità (1, 341) Valutazione dell’incertezza (1, 341) Varianza (1, 341) Determinazione dell’incertezza di misura per l’analisi chimica (1, 341) Esempio d’applicazione (1, 342) Volumetria (1, 342) Determinazione del cromo negli acciai inossidabili. Metodo volumetrico (1, 343) Principio (1, 343) Reagenti (1, 343) Apparecchiature (1, 343) Procedimento (1, 343) Introduzione ai metodi analitici ottici (1, 344) Atomi, molecole, energia interna (1, 344) Radiazioni elettromagnetiche (1, 347) Spettro elettromagnetico (1, 348) Interazioni tra radiazioni e materia (1, 348) Rifrazione (1, 348) Riflessione (1, 349) Riflessione speculare (1, 349) Riflessione diffusa (1, 349) Diffusione (1, 349) Diffusione in un mezzo trasparente (1, 349) Diffusione di Rayleigh (1, 349) Diffusione di Mie (1, 349) Diffusione Raman (1, 350) Diffrazione (1, 350) Polarizzazione (1, 350) Luminescenza (1, 351) Fluorescenza (1, 351) Fosforescenza (1, 351) Assorbimento (1, 352) Interpretazione del fenomeno d’assorbimento (1, 352) Teoria corpuscolare (1, 352) Teoria ondulatoria (1, 352) Spettroscopia d’assorbimento (1, 352) Applicazioni analitiche della spettroscopia d’assorbimento (1, 353) Analisi qualitativa (1, 353) Analisi quantitativa (1, 353)

VIII

Spettroscopia d’emissione (1, 353) Spettroscopia atomica d’emissione (quantometria) (1, 353) Fluorescenza RX (1, 353) Colorimetria, spettrofotometria d'assorbimento molecolare visibile (VIS) e ultravioletto (UV) (1, 353) Determinazione del fosforo negli acciai e nelle ghise. Metodo spettrofotometrico VIS (1, 354) Principio (1, 354) Reagenti (1, 354) Apparecchiature (1, 355) Procedimento (1, 355) Preparazione della curva di taratura (1, 355) Espressione dei risultati (1, 355) Spettrofotometria d'assorbimento molecolare all'infrarosso (IR) (1, 355) Determinazione del carbonio e zolfo negli acciai e ghise. Metodo spettrofotometrico d’assorbimento IR dopo combustione in corrente d’ossigeno (1, 356) Principio (1, 356) Reagenti (1, 356) Apparecchiature (1, 356) Campionamento (1, 356) Procedimento (1, 356) Espressione dei risultati (1, 357) Spettrofotometria d'assorbimento atomico (AAS) (1, 357) Analisi chimica delle leghe ferrose. Determinazione di Co, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo e Ni mediante spettrofotometria d’assorbimento atomico alla fiamma (1, 358) Principio (1, 358) Reagenti (1, 358) Apparecchiature (1, 358) Procedimento (1, 358) Espressione dei risultati (1, 359) Analisi chimica degli acciai e leghe ferrose. Determinazione Al, Pb, Sn, Ti, V e W (1, 359) Analisi chimica degli acciai inossidabili. Determinazione di Cr, Ni, Mo, Mn e Cu (1, 359) Spettrofotometria d'emissione al plasma (ICP, o Induction Plasma Coupling). (1, 359) Spettrofotometria d'emissione ottica o quantometria (1, 360) Analisi chimica degli acciai e leghe ferrose. Determinazione spettrofotometrica d’emissione (quantometria) di C, Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Mo, Cu, Al e V (1, 360) Principio (1, 360) Preparazione delle provette (1, 361) Acciai e ghise bianche (1, 361) Ghise grigie (1, 361) Procedimento (1, 361) Spettrofotometria di fluorescenza ai raggi X (FRX) (1, 361) Analisi chimica degli acciai e leghe ferrose. Determinazione spettrofotometrica di fluorescenza RX del niobio (1, 362) Apparecchiature (1, 362) Procedimento (1, 362) Espressione dei risultati (1, 363) Diffrattometria ai raggi X (DRX) (1, 363) Analisi delle superfici e dei depositi (1, 363) Spettrofotometria Auger, Mossbauer e Ion-scattering (1, 363)


Bibliografia (1, 364)

Metodo di verifica del carico unitario limite d’allungamento permanente (1, 373) Determinazione della strizione percentuale (1, 373) Precisione della prova di trazione e stima dell’incertezza di misura (1, 373) Stima dell’incertezza della prova di trazione (1, 374) Parametri indipendenti dal materiale (1, 374) Parametri dipendenti dal materiale (1, 374) Incertezza tipo di misurazione composta (1, 375) Incertezza estesa (1, 375) Conclusioni (1, 375) Taratura delle macchine di prova statica uniassiale (trazione / compressione) (1, 376) Prove di durezza (1, 376) Prove statiche (1, 376) Prove di rimbalzo (1, 376) Prove di rigatura (1, 376) Prove sclerometriche (1, 377) Prove di smorzamento (1, 377) Prove di taglio (1, 377) Prove d'abrasione (1, 377) Prove d'erosione (1, 377) Norme di riferimento (1, 377) Prova di durezza Brinell (1, 377) Scelta e sostituzione del penetratore (1, 377) Caratteristiche della provetta (1, 378) Condizioni ambientali (1, 378) Applicazione del carico (1, 379) Distanza delle impronte (1, 379) Misura del diametro dell'impronta (1, 379) Espressione dei risultati (1, 380) Conversione delle scale (1, 380) Prova di durezza Vickers (1, 380) Pezzo in prova (1, 380) Condizioni ambientali (1, 381) Applicazione del carico (1, 381) Distanza delle impronte (1, 381) Misura dell'impronta (1, 381) Espressione dei risultati (1, 382) Prova di durezza Rockwell (1, 382) Efficienza del sostegno (1, 382) Scelta e sostituzione del penetratore (1, 382) Pezzo in prova (1, 383) Condizioni ambientali (1, 383) Applicazione del precarico e del carico (1, 383) Distanza delle impronte (1, 383) Lettura del risultato (1, 383) Espressione dei risultati (1, 383) Scelta delle scale e convertibilità della durezza (1, 384) Scale di durezza (1, 384) Metodo Brinell (1, 384) Metodo Vickers (1, 384) Misure su materiali massivi (1, 384) Prove di microdurezza (1, 384) Prove a carico ridotto (1, 384) Misura della durezza HV di strati superficiali (1, 385) Metodo Rockwell (1, 386) Conversione delle scale di durezza (1, 387)

Capitolo ventesimo PROVE MECCANICHE FONDAMENTALI Trazione, Resilienza, Durezza (1, 365) Prova di trazione (1, 365) Termini e definizioni (1, 365) Lunghezza tra i riferimenti (1, 365) Lunghezza della parte calibrata (1, 365) Allungamento (1, 366) Allungamento percentuale (1, 366) Allungamento percentuale permanente (1, 366) Allungamento percentuale dopo rottura (1, 366) Allungamento percentuale totale dopo rottura (1, 366) Allungamento percentuale sotto carico massimo (1, 366) Lunghezza di base dell’estensimetro (1, 366) Estensione (1, 366) Estensione percentuale permanente (1, 366) Estensione percentuale in corrispondenza dello snervamento (1, 366) Strizione percentuale (1, 366) Carico massimo (1, 366) Carico unitario (sforzo) (1, 366) Resistenza a trazione (1, 366) Snervamento (1, 366) Carico unitario di snervamento superiore (1, 367) Carico unitario di snervamento inferiore (1, 367) Carico unitario di scostamento dalla proporzionalità (1, 367) Carico unitario limite d’allungamento totale (1, 367) Carico unitario d’allungamento permanente (1, 367) Rottura (1, 367) Modulo d’elasticità (1, 367) Forma e dimensioni delle provette (1, 368) Provette da usare per prodotti sottili (lamiere, nastri o prodotti piani con spessore da 0,1 a 3 mm) (1, 368) Provette da usare per fili, barre e profilati con diametro o spessore < 4 mm (1, 369) Provette da usare per lamiere e prodotti piani con spessore ≥ 3 mm e di fili, barre e profilati con diametro o spessore ≥ 4 mm (1, 369) Provette da usare per i tubi (1, 370) Preparazione delle provette (1, 370) Marcatura della lunghezza iniziale tra i riferimenti (1, 370) Accuratezza della macchina di trazione (1, 370) Condizioni della prova di trazione (1, 371) Metodo di serraggio (1, 371) Velocità di prova (1, 371) Determinazione dell’allungamento percentuale dopo rottura (1, 371) Determinazione dell’allungamento percentuale totale sotto carico massimo (1, 372) Determinazione del carico unitario di scostamento dalla proporzionalità (1, 372) Determinazione del carico unitario limite d’allungamento totale (1, 373)

IX


Conversione della durezza in resistenza a trazione (Rm) (1, 388) Conversione tra le varie scale di durezza (1, 388) Affidabilità statistica delle misure di durezza (1, 388) Insufficienza dei durometri (1, 388) Condizione per la risoluzione dello strumento di misura (1, 389) Condizione per la ripetibilità dello strumento di misura (1, 389) Probabili fonti d'errore. Uso dell'algebra aleatoria (1, 390) Incertezza della provetta d’acciaio (1, 390) Confronto fra due serie di misure di durezza (1, 390) Confronto tra le medie di due serie di dati (caso di campioni di piccola numerosità, n < 30) (1, 391) Confronto della varianza di due serie di dati (caso di campioni di piccola numerosità, n < 30) (1, 391) Limiti di tolleranza ed idoneità del processo produttivo (1, 391) Indice d’idoneità critico del processo (1, 392) Indice d’idoneità del processo di misurazione della durezza (1, 392) Prove di resilienza (1, 393) Scorrimento (1, 394) Separazione (1, 394) Macchina di prova (1, 395) Tipi di provette e conversioni (1, 395) Considerazioni sulla prova di resilienza (1, 396) Influenza della temperatura sulla resilienza (1, 396) Temperatura di transizione (1, 397) Transizione della resilienza (1, 397) Invecchiamento (1, 397) Prova di resilienza strumentata (1, 398) Fattori fragilizzanti (1, 399) Considerazioni sull’incertezza della prova di resilienza (1, 399) Valutazione qualitativa delle fonti d’incertezza (1, 400) Bibliografia (1, 401)

Olografia ottica ed acustica (1, 417) Optometria (1, 418) Emissione acustica (AT) (1, 418) Microonde (1, 419) Prove termiche (1, 420) Rilevazione di fughe (LT) (1, 420) Rapida identificazione della composizione chimica (1, 421) Conclusioni (1, 422) Bibliografia (1, 422)

Capitolo ventiduesimo CENNI DI METALLOGRAFIA (1, 427) Premessa (1, 427) Preparazione delle provette micrografiche (1, 427) Selezione dei saggi (1, 427) Taglio dei saggi (1, 427) Lavaggio delle provette (1, 428) Inglobatura delle provette (1, 429) Resine epossidiche (1, 429) Resine fenoliche (1, 430) Resine acriliche (1, 431) Prelevigatura, levigatura e polimentazione delle provette (1, 431) Prelevigatura (1, 431) Levigatura (1, 431) Levigatura manuale (1, 431) Prepolimentazione (1, 435) Polimentazione finale (1, 436) Prepolimentazione e polimentazione di provette di particelle di polvere metallica (1, 438) Polimentazione automatica (1, 438) Polimentazione grezza (1, 439) Polimentazione finale (1, 439) Lucidatura elettrolitica (1, 439) Attacco micrografico (1, 439) Reattivo: nital 2 % (1, 440) Reattivo: nital 5 % (1, 440) Reattivo: picral 4 % (1, 440) Reattivo: picral saturo (1, 440) Reattivo: picrina (1, 440) Reattivo: picrato sodico alcalino (1, 440) Reattivo: picrato sodico neutro (1, 440) Reattivo: ferricianuro potassico (1, 440) Reattivo: Benedicks (1, 441) Reattivo: Kurbatoff (1, 441) Reattivo: Bolton (1, 441) Reattivo: Pilling (1, 441) Reattivo: soda o potassa caustica (1, 441) Reattivo: persolfato ammonico (1, 441) Reattivo: Valenta (1, 441) Reattivo: Cogne unico (1, 441) Reattivo: Murakani (1, 441) Reattivo: Kalling (1, 441) Reattivo: Vilella (1, 441) Norme italiane per la micrografia (1, 442) Strutture metallografiche dei materiali ferrosi (UNI 4227) (1, 442) Ferrite (1, 443) Austenite (1, 443)

Capitolo ventunesimo PROVE NON DISTRUTTIVE (1, 403) Premessa (1, 403) Esame visivo (1, 404) Prove di durezza (1, 404) Micrografia per replica (1, 405) Liquidi penetranti (1, 405) Limiti del metodo (1, 406) Magnetoscopia (1, 406) Ultrasuoni (1, 408) Tecnica ad ultrasuoni T.O.F.D. (Time Of Flight Diffraction) (1, 410) Limiti della tecnica T.O.F.D. (1, 412) Tecnica ad ultrasuoni Phased Array (1, 412) Aspetti teorici e pratici del “Phased Array” (1, 412) Ottimizzazione e miglioramenti della grafica di visualizzazione (1, 413) Vantaggi della tecnologia Phased Array (PA) (1, 413) Radiografia con raggi X o raggi γ (1, 414) Tomografia industriale computerizzata (1, 415) Radiografia neutronica (1, 416) Correnti indotte (ET) (1, 416)

X


Martensite (1, 444) Grafite (1, 444) Cementite (1, 445) Carburi (1, 446) Fasi sigma (1, 447) Ledeburite (1, 447) Struttura di Widmanstatten (1, 447) Perlite (1, 448) Troostite (1, 448) Bainite (1, 448) Martensite rinvenuta (1, 449) Sorbite (1, 449) Steadite (1, 449) Determinazione delle inclusioni negli acciai (UNI 3244 e ASTM E 45) (1, 452) Prelievo e preparazione delle provette (1, 452) Determinazione delle inclusioni, metodo K, UNI 3244 (1, 452) Determinazione delle inclusioni, metodo A, ASTM E 45 (1, 455) Valutazione della grossezza del grano austenitico o ferritico (UNI 3245) (1, 456) Grano (1, 456) Grano austenitico (1, 456) Grano ferritico (1, 456) Indice convenzionale di grossezza del grano “G” (1, 456) Numero dei grani per unità di superficie “m” (1, 456) Numero convenzionale di grani nella sezione unitaria “n100” (1, 456) Ingrandimento “g” (1, 456) Segmento intersecato (1, 456) Preparazione delle provette e messa in evidenza del grano (1, 456) Metodo Béchet-Beaujard, o attacco diretto all’acido picrico concentrato (1, 457)

Morfologia della decarburazione (1, 461) Misura dello spessore degli strati decarburati (1, 462) Classificazione della struttura a bande degli acciai (UNI 8449) (1, 462) Esame microscopico mediante replica con vernici o film (UNI 6327) (1, 463) Lucidatura ed attacco (1, 464) Applicazione della replica (1, 464) Replica con vernici (1, 464) Replica con supporto metallico (1, 465) Replica con film senza supporto (1, 465) Scollamento della replica (1, 465) Fissaggio della replica (1, 465) Osservazione delle repliche (1, 465) Bibliografia (1, 465)

Capitolo ventitreesimo CONTROLLO STATISTICO DI PROCESSO (1, 467) Leggi statistiche (1, 467) Confidenza (1, 467) Controllo statistico di processo (1, 467) Statistica descrittiva (1, 467) Statistica inferenziale (1, 467) Metodologia statistica (1, 467) Statistica applicata (1, 467) Applicazione della statistica al controllo di processo (1, 467) SPC e qualità totale (1, 467) Progettazione degli esperimenti (1, 467) Analisi delle modalità ed effetti dei guasti (FMEA) (1, 468) Affidabilità (1, 468) Guasto (1, 468) Avaria (1, 468) Difetto (1, 468) Non conformità (1, 468) Probabilità (1, 468) Gravità o severità (1, 468) Rilevabilità (1, 468) Indice di priorità di rischio RPN (1, 469) Applicazione delle FMEA (1, 469) FMEA di progetto (1, 469) FMEA di prodotto (1, 469) FMEA di processo (1, 469) Conduzione della FMEA (1, 469) Modalità operative per la FMEA (1, 470) Valutazione della probabilità (1, 470) Valutazione della gravità o severità (1, 471) Valutazione della rivelabilità (1, 471) Classificazione delle caratteristiche (1, 471) Variabilità di un processo (1, 471) Cause comuni (1, 471) Cause speciali (1, 471) Valutazione della capacità di un processo (1, 471) Istogramma (1, 471) Curva di distribuzione (1, 472) Indice d’idoneità o capacità del processo (Cp) (1, 472)

Metodo Köhn, o dell’ossidazione controllata (1, 457) Metodo Mc Quaid Ehn, o dell’ipercementazione a 925 °C (1, 457) Procedura di valutazione della grossezza del grano (1, 457) Valutazione della grossezza del grano mediante confronto con immagini tipo (1, 457) Valutazione della grossezza del grano mediante conteggio (1, 457) Valutazione della grossezza del grano per gli acciai rapidi, secondo Snyder-Graff (1, 459) Misura dello spessore di strati induriti mediante rilievo delle strutture (UNI 4847) (1, 459) Metodo della frattura (1, 459) Metodo macroscopico (1, 460) Metodo micrografico (1, 460) Strati carbocementati o carbonitrurati temprati (1, 460) Strati carbocementati ricotti (1, 460) Strati nitrurati e nitrocarburati (1, 460) Strati induriti per tempra superficiale (1, 460) Misura della profondità di decarburazione (UNI 4839) (1, 460) Metodo macroscopico (1, 460) Metodo microscopico (1, 461)

XI


Indice d’idoneità critica (Cpk) (1, 473) Carte di controllo (1, 473) Carta X-R (1, 474) Raccolta dati e formazione di sottogruppi (1, 474) Elaborazione dei dati raccolti (1, 474) Calcolo dei limiti di controllo (1, 474) Costruzione del grafico (1, 474) Interpretazione delle carte di controllo X-R (1, 475) Punti fuori o sui limiti di controllo (1, 475) Sequenza (1, 475) Vicinanza ai limiti di controllo (1, 476) Sequenza di punti crescente o decrescente - trend o tendenza (1, 476) Carte di controllo per attributi (1, 476) Considerazioni sull’uso delle carte di controllo (1, 476) Tecnica e carta di precontrollo (1, 477) Regole del precontrollo (1, 477) Regola n° 1 (1, 477) Regola n° 2 (1, 477) Regola n° 3 (1, 477) Regola n° 4 (1, 477) Potere statistico del precontrollo (1, 478) Bibliografia (1, 478)

Iter d’apposizione della marcatura CE (1, 486) Emanazione delle direttive UE (1, 488) Sistema internazionale delle unità di misura SI (1, 488) Rassegna delle norme italiane sugli argomenti trattati nel primo volume (1, 490) Principi e tecniche di tempra (1, 490) Temprabilità (1, 490) Saldatura e saldabilità (1, 491) Lavorabilità (1, 492) Trattamenti termici (1, 492) Atmosfere controllate (1, 493) Deformazioni e trattamenti termici (1, 493) Impianti per i trattamenti termici (1, 494) Qualificazione e controllo dei trattamenti termici (1, 494) Misura della temperatura (1, 495) Analisi chimica delle atmosfere controllate e dei mezzi cementanti (1, 495) Valutazione degli strati cementati (1, 495) Rivestimenti antiusura PVD e CVD (1, 495) Rivestimenti metallici (1, 495) Acciai sinterizzati (1, 496) Controllo qualità (1, 496) Analisi chimica (1, 496) Prove meccaniche (1, 496) Prove non distruttive (1, 498) Esame visivo (VT) (1, 498) Liquidi penetranti (PT) (1, 498) Magnetoscopia (particelle magnetiche – MT) (1, 498) Ultrasuoni (UT) (1, 498) Radiografia (RT) (1, 499) Tomografia (1, 499) Correnti indotte (ET) (1, 499) Emissione acustica (1, 500) Termografia (1, 500) Prove di tenuta (1, 500) Esami metallografici (1, 500) Controllo statistico di processo (1, 501) Bibliografia (1, 502)

Capitolo ventiquattresimo NORME E DIRETTIVE SISTEMA INTERNAZIONALE DI MISURA RASSEGNA DELLE NORME NAZIONALI (1, 479) Normazione (1, 479) Attività di normazione (1, 480) Enti internazionali di normazione (1, 480) ISO (1, 480) IEC (1, 480) Enti europei di normazione (1, 480) CEN (1, 480) Membri associati al CEN (1, 481) CENELEC (1, 481) ETSI (1, 481) Enti di normazione in Italia (1, 481) UNI (1, 481) Elenco degli Enti federati all’UNI (1, 481) CEI (1, 481) Convenzioni UNI - CEI (1, 481) SINCERT (1, 481) SINAL (1, 482) Attività di normazione europea nel settore siderurgico (1, 482) Struttura dell’ECISS (1, 482) Direttive (1, 482) Principali direttive relative ai prodotti (1, 484) Elementi distintivi delle direttive nuovo approccio Ampio campo d’applicazione (1, 484) Obbligatorietà dei requisiti essenziali (1, 485) Rinvio a norme tecniche e presunzione di conformità (1, 485) Norme Armonizzate (1, 485) Armonizzazione totale (1, 486) Marcatura CE (1, 486)

XII


INDICE DEGLI AUTORI Hanno collaborato alla prima edizione (1979): Antona Dr. Paolo Centro Ricerche FIAT Bavaro Dr. Antonio Trattamenti Termici Soliveri Bocchini Ing. G. Filippo Merisinter Cesti Dr. Giuseppe Cerimet Cibaldi Dr. Cesare Analisi De Santis Ing. Rodolfo Sigen Di Gianfrancesco Dr. Enrico Teksid Di Teodoro Dr. Luigi Istituto Ricerche Breda Dumini Dr. Walfredo Istituto Ricerche Breda Faedi Sig. Marco VEW Italia Filippi P.I. Pietro Breda Siderurgica Gubiotti Ing. Roberto C.S.M. Morosini Ing. G. Paolo Acciaierie di Bolzano Raveglia Dr. Maurizio Alfa Romeo Sacchi Dr. Giuseppe SBS Metalconsult Spirito Dr. Giorgio Teksid Venturelli Dr. Tancredo C.S.M.

Orbassano (TO) Caravaggio (BG) Arzano (NA) Torino (TO) Brescia (BS) Milano (MI) Torino (TO) Milano (MI) Milano (MI) Milano (MI) Milano (MI) Roma (Roma) Bolzano (BZ) Arese (MI) Milano (MI) Torino (TO) Roma (Roma)

Hanno collaborato alla seconda edizione (1990): Agalbato Ing. Dario I.G.Q. Milano (MI) Bavaro Dr. Antonio Trattamenti Termici Soliveri Caravaggio (BG) Belagyi Sig. Nikolaus Böhler Ges. m.b.h. Kapfemberg (Austria) Bertani Dr. Arrigo Analisi Brescia (BS) Biasi Dr. Antonia Studio Associato Biasi Dr. Antonia & C. Borgosatollo (BS) Cibaldi Dr. Cesare Analisi Brescia (BS) Hribernik Sig. Bruno Böhler Ges. m.b.h. Kapfemberg (Austria) Leban Ing. Karl Böhler Ges. m.b.h. Kapfemberg (Austria) Lombardi P.I. Sergio Analisi Brescia (BS) Mantovani Dr. Claudio Acciaierie Bertoli Safau Udine (UD) Montevecchi Ing. Italo Bioteco Segrate (MI) Montevecchi Ing. Franco Bioteco Segrate (MI) Rabezzana Ing. Franco Metec Tecnologie Torino (TO) Hanno collaborato alla terza edizione (2006) - volume primo: Biasi Dr. Antonia Studio Associato Biasi Dr. Antonia e Cibaldi Dr. Cesare. Cibaldi Dr. Cesare Studio Associato Biasi Dr. Antonia e Cibaldi Dr. Cesare. Corvo Sig. Giuseppe AQM Mancuso Ing. Antonio Colmegna Petta Dr. Danilo Houghton Italia Vari Istituto Italiano della Saldatura

XIII

San Zeno Naviglio (BS) San Zeno Naviglio (BS) Provaglio d’Iseo (BS) Siziano (VA) Genova (GE) Genova (GE)


Capitolo primo CENNI DI FISICA DEI METALLI Intorno al nucleo che contiene praticamente tutta la massa dell’atomo esistono altre particelle: gli elettroni, di massa trascurabile rispetto a quella dei protoni o dei neutroni (m = 9,1 x 10-28 grammi), dotati di carica elettrica d’ugual entità, ma di segno opposto a quella dei protoni (e = - 1,60 x 10-19 coulomb).

103

FERMIONI Seconda generazione

BOSONI terza generazione Bosone di Higgs

102

Z W

101 Quark bottom

Quark charm 100

Particella tau Quark strano

10-1 Muone Quark giù 10-2 Quark su 10-3 Elettrone 10-4

FOTONI PRIVI DI MASSA

10-10

10-11

Nucleo

Atomo

Prima generazione

Quark top

Massa (GeV)

L’ATOMO La fisica moderna ha dimostrato che non è possibile farsi un’idea esatta di come sia realmente l’atomo, immaginato dai filosofi dell’antica Grecia come la più piccola ed indivisibile particella della materia. Tuttavia, per spiegare molti fenomeni fisici o chimici legati al comportamento della materia, è riconosciuta l’utilità di modelli più o meno semplificati, a condizione che si considerino come rappresentazioni molto approssimate della realtà. Così, se chiederete ad un fisico di descrivervi l’atomo, si dilungherà soprattutto nella descrizione dei nuclei, cioè dell’insieme di tutte le particelle che ne costituiscono la massa. Scoprirete così che oltre ai protoni, ciascuno caratterizzato da una massa (m = 1,67 x 10-24 grammi) e da una carica elettrica di segno convenzionalmente positivo (e = + 1,60 x 10-19 coulomb), esistono i neutroni, di circa ugual massa, ma privi di carica. Protoni e neutroni sono a loro volta costituiti da particelle più piccole: i quark e i gluoni (figura 1.01). Ed ancora scoprirete che nel nucleo esistono tante altre particelle, alcune molto più piccole dei protoni e neutroni, il cui contributo alla massa totale dell’atomo è trascurabile, ma la cui esistenza e proprietà sono fondamentali per comprendere l’intima essenza della materia (figura 1.02). Queste particelle subnucleari spesso sono state scoperte teoricamente, prima che sperimentalmente, attraverso il puro calcolo matematico. Dunque, ciò che ad un primo esame sembrava indivisibile vi apparirà sempre più frazionato, indefinito e difficile da comprendere.

Neutrino muonico Neutrino elettronico

Fotone Neutrino Tau

Gluone

10-12

Protone

I Fermioni si suddividono in Quark e Leptoni. Questi ultimi includono l’elettrone, il muone, la particella tau e i tre tipi di neutrini

Figura 1.02. Particelle subatomiche. Fermioni e Bosoni.

Orbitali

Neutrone

Protone Quark su Gluone Elettrone Quark su Quark giù

Figura 1.01. Rappresentazione moderna dell’atomo con le particelle fondamentali.

Tutte le particelle nucleari sono ammassate in uno spazio ridottissimo dove la densità della materia raggiunge valori da capogiro. Ricordate che la densità (d) è la quantità di massa (m) dell’unità di volume (V), cioè:

d=

m . V

Nel nucleo dell’atomo di ferro, che contiene trenta neutroni e ventisei protoni, e il cui volume è approssimativamente 4,19 x 10-33 mm3, la densità è di circa 100 000 tonnellate per mm3. Tradotto in scala macroscopica ciò significa che se il nucleo dell’atomo di ferro fosse grande quanto una palla da tennis, peserebbe alcuni miliardi di tonnellate.

Gli elettroni interessano relativamente poco al fisico nucleare e per saperne di più dovremo rivolgerci al chimico teorico. Con sorpresa constateremo come il chimico consideri il nucleo dell’atomo di secondaria importanza, tenendone conto soltanto perché contiene un certo numero di protoni. Infatti, il numero di protoni caratterizza la specie o l’elemento chimico. Il chimico teorico è fondamentalmente interessato agli elettroni, che ci descrive minuziosamente, con tale pignoleria e tanto entusiasmo, da lasciarci sgomenti. Così apprendiamo che gli elettroni, oltre alle proprietà che loro derivano dalla natura corpuscolare, perché dotati di massa, hanno anche proprietà ondulatorie, simili a quelle dell’energia elettromagnetica, cioè come quelle della luce. Perciò il loro moto intorno al nucleo non può essere descritto dalla meccanica classica, ma dalla meccanica quantistica, che ragiona in termini probabilistici. Per questa ragione non sapremo mai con esattezza dove un elettrone si trovi rispetto al nucleo e quale traiettoria stia percorrendo in un dato istante, ma potremo affermare che la probabilità di trovarlo nell’intorno del nucleo è definibile in termini matematici. La funzione matematica che descrive questa probabilità si definisce orbitale. Intuitivamente l’orbitale rappresenta la parte di spazio (volume), talvolta di forma assai complicata, entro la quale si può trovare, con una certa probabilità,

-1-


l’elettrone dell’atomo esaminato. In altri termini l’elettrone potrà esser vicino o lontano dal nucleo e muoversi da un punto all’altro secondo traiettorie disparate (figura 1.03). Se immaginiamo di poter riprendere continuamente la sua posizione su una lastra fotografica, otterremmo la rappresentazione dell’orbitale, che sembrerà una nuvola di forma anche complessa, sfumata all’infinito. Per questo si parla di nuvola elettronica che avvolge il nucleo dell’atomo.

quantico è ben rappresentato in figura 1.05. Si desume che l’atomo, rappresentato con tutti gli orbitali disponibili, assume una forma quasi sferica di cui è possibile calcolare il diametro medio. Tale modello è puramente ideale, ma utile per definire le dimensioni dell’atomo.

Figura 1.05. Atomo con gli orbitali che completano il secondo livello quantico. Figura 1.03. Rappresentazione del moto caotico degli elettroni intorno all’atomo, secondo la meccanica quantistica.

L’orbitale assume un volume definito, quando si fissa un valore della probabilità. Per esempio la certezza di trovare l’elettrone intorno al nucleo in un certo istante (probabilità al 100%) si ha, quando è infinito il volume che l’elettrone può occupare, ma se si riduce il valore della probabilità al 95%, si ottiene un volume di dimensioni di circa 10-27 mm3, che in prima approssimazione si può considerare il volume dell’atomo. Z

X

Y

Orbitale s

Orbitale p z

Orbitale p x

Orbitale p y

Orbitale d x2y2 Orbitale d z2 Orbitale d xz

Orbitale d xy

Orbitale d yz

Tutto questo è molto bello, ma serve soprattutto al chimico per spiegare come gli atomi si leghino fra loro per formare le molecole, di cui è possibile definire le proprietà attraverso lo studio dei tipi di legame tra gli atomi. Infatti, i legami dipendono proprio dagli elettroni, da come sono disposti intorno al nucleo (configurazione elettronica dell’atomo) e dalle interazioni reciproche e con i nuclei di due o più atomi. È un modello troppo complicato per il metallurgico che generalmente ragiona in scala macroscopica, ovvero studia come grandissime quantità di atomi si leghino fra loro, soprattutto nei due stati fondamentali della materia: il liquido ed il solido. Perciò chiediamo ad un insigne metallurgista come rappresenti gli atomi nei metalli, che sono appunto il tipo di materia che ci accingiamo a studiare. «Sfere elastiche», è la risposta. C’è da rimanerci male! «Sfere elastiche con massa pari alla somma della massa dei protoni e neutroni presenti nel nucleo e diametro pari al diametro medio degli orbitali più esterni». «Ma come! non servono a nulla tutte le nozioni di cui i fisici ed i chimici ci hanno riempito la testa?» «La conoscenza più approfondita è sempre utile, ed è indispensabile ai chimici ed ai fisici per descrivere le proprietà più recondite della materia. Ma a noi metallurgisti interessa poco conoscere come l’atomo sia fatto o come due o pochi più atomi possano legarsi per dare molecole; a noi interessa soprattutto come gli atomi, in grande quantità, si dispongano nello spazio ed interagiscano fra loro, perché proprio dalla loro disposizione spaziale ed interazione reciproca dipendono le caratteristiche dei metalli».

Figura 1.04. Orbitali atomici fino al terzo livello quantico.

I vari orbitali assumono le forme illustrate in figura 1.04 e il loro insieme, fino al completamento del secondo livello -2-


-3-


CINETICA DI TRASFORMAZIONE DELL’AUSTENITE Influenza della velocità di raffreddamento Il tempo gioca un ruolo importante nelle trasformazioni che avvengono allo stato solido ad elevata e/o a bassa temperatura. Infatti la loro cinetica è assai più lenta di quella delle trasformazioni allo stato gassoso o liquido. Per esempio la decomposizione dell’austenite in ferrite e cementite richiede un tempo talvolta sufficientemente lungo per poterla evitare ad alta temperatura, sfruttando il fenomeno d’isteresi. Così se si raffredda con sufficiente rapidità, si può trasformare a bassa temperatura in strutture metastabili, assai diverse da quelle d’equilibrio ed addirittura una nuova fase: la martensite. Tutto ciò conferisce agli acciai le più svariate caratteristiche meccaniche. Velocità di raffreddamento sufficienti per ottenere la trasformazione dell’austenite a temperature relativamente basse si realizzano facilmente temprando i vari tipi d’acciaio in acqua, in olio e talvolta in aria, dopo averli correttamente austenitizzati, cioè dopo avere riscaldato quelli ipoeutettoidici a temperatura superiore ad Ac3 e quelli eutettoidici ed ipereutettoidica sopra Ac1 (vedi capitolo precedente). Di seguito tratteremo delle microstrutture ottenibili nelle leghe Fe-C per trasformazione dell’austenite a temperature inferiori a quella d’equilibrio, cioè a 723 °C, limitatamente agli acciai. Microstrutture ottenibili, secondo la velocità di raffreddamento Per semplificare la trattazione, consideriamo un acciaio eutettoidico, cioè contenente lo 0,8 % di carbonio, per il quale i due punti critici A3 ed A1 coincidono. Dopo austenitizzazione, a temperatura di 20÷50 °C superiore ad Acl, raffreddando molto lentamente quest’acciaio (condizioni prossime a quelle d’equilibrio), alla temperatura Ar1 dovrebbero avvenire contemporaneamente i seguenti fenomeni: 1. la diffusione del carbonio dall’austenite, con formazione di cementite, perché l’austenite deve trasformarsi in ferrite e quest’ultima non può contenere carbonio che in quantità trascurabile; 2. la trasformazione del ferro γ (cfc) in ferro α (ccc); 3. la coalescenza della cementite, tendente alla forma sferoidale. Se il raffreddamento è molto lento, la trasformazione avverrà in condizioni di quasi equilibrio, per la mancanza di significativi fenomeni d’isteresi; Acl non sarà molto diverso da Arl. I tre fenomeni citati avverranno senza intoppi e la microstruttura finale dell’acciaio sarà perlitica globulare, cioè una matrice ferritica con cementite, omogeneamente dispersa in globuli di discrete dimensioni (figura 3.32). La trasformazione dell’austenite incomincia a temperatura sempre più bassa, con l’aumentare della velocità di raffreddamento, perché s’accentuano i fenomeni d’isteresi. La differenza di temperatura tra Acl e Arl diventa importante. Quando Ar1 scende tra 700 e 600 °C circa: ¾ la diffusione del carbonio è ancora elevata, ma diminuisce col diminuire della temperatura; ¾ la nucleazione dei cristalli di fase α è modesta, perchè è piccolo il sottoraffreddamento da cui dipende. Perciò la

trasformazione γ ⇒ α è controllata dalla nucleazione ed avviene lentamente; ¾ la coalescenza della cementite praticamente s’arresta, perché resta significativa fino a temperatura 10÷15 °C sotto A1. Dunque la cementite non coalesce e resta lamellare (figura 2.28).

Figura 3.32. Perlite globulare.

Verso i 600 °C, la diffusione del carbonio è minore di quella a 700 °C, pertanto le lamelle della perlite (cementite e ferrite) che si forma a questa temperatura sono più fini, perché il carbonio percorre minor spazio a parità di tempo e quindi ha minor probabilità di depositarsi ed ingrossare le lamelle di cementite. Al diminuire della temperatura di trasformazione dell’austenite, ovvero con l’aumentare della velocità di raffreddamento, la perlite s’affina progressivamente e la durezza dell’acciaio aumenta. Questo dipende dalla dispersione della fase dura (cementite) nella fase tenera (ferrite), come usuale in tutti i sistemi eterogenei. Pensate, per esempio, ad un metro cubo di gelatina (fase tenera), che contenga un mattone (fase dura). La resistenza dell’insieme è ovviamente quella della gelatina, come potrete constatare penetrandola, nel caso assai probabile di non intercettare il mattone. Se macinate il mattone e lo impastate con la gelatina, l’insieme cresce in durezza e resistenza tanto più fine è la macinatura, cioè la dispersione della fase dura in quella tenera. Quando le lamelle della perlite diventano così fini da esser risolte al microscopio ottico solo con forte ingrandimento (1000÷1500 volte), la perlite si definisce perlite compatta. Quando Arl scende tra i 600 e 500 °C circa: ¾ la diffusione del carbonio diminuisce; ¾ la nucleazione cresce sensibilmente per l’incremento del sottoraffreddamento; ¾ la trasformazione γ ⇒ α avviene rapidamente perché sono ottimizzati entrambi i fenomeni che la governano: la diffusione del carbonio e la nucleazione; ¾ ovviamente la coalescenza è nulla. Le lamelle della perlite sono ormai così fini da non poter esser risolte al microscopio ottico al massimo dell’ingrandimento possibile con luce bianca (1800 x). Per risolvere tale struttura è necessario il microscopio elettronico a scansione (SEM) o a trasmissione (TEM). La microstruttura perlitica, irrisolvibile al microscopio ottico, assume talvolta l’aspetto di rosette e si definisce Troostite (figura 3.33), in onore del metallurgista Troost, contemporaneo di Austed, cui si deve il primo studio del diagramma Fe-C. Oggi si preferisce definirla perlite irrisolta, perché si tratta comunque di una struttura lamellare perlitica.


Ø1

Prima e durante il riscaldamento

Ø2 > Ø1

Ø2

Dopo il raffreddamento

Figura 6.05. Contrazione di una barretta riscaldata a dilatazione assiale vincolata.

Se la barretta fosse vincolata alle estremità in modo che sia impedita anche la contrazione, a raffreddamento ultimato sarà geometricamente uguale, ma conterrà sollecitazioni residue di trazione (tensioni residue), d’intensità proporzionale alla differenza tra le tensioni di compressione generate al riscaldamento in condizioni d’elasticità infinita (assenza di deformazione plastica) e la resistenza allo snervamento del metallo a caldo. Un comportamento simile a quello della barretta vincolata si verifica in tutti i casi di riscaldamento localizzato, come nella saldatura. Infatti, la zona riscaldata si dilata, ma la dilatazione è impedita dalla massa circostante fredda. Se durante il riscaldamento è superata la resistenza allo snervamento del materiale, la parte riscaldata si deforma plasticamente, ricalcandosi. Nel successivo raffreddamento la parte riscaldata sarà in tensione, mentre quelle circostanti, rimaste fredde, saranno compresse, perché la sommatoria delle tensioni interne deve sempre essere nulla. La figura 6.06 rappresenta l’andamento della resistenza allo snervamento e a rottura di un acciaio dolce. Si osserva che, verso i 600 °C, la resistenza allo snervamento è molto bassa. Ciò facilita la deformazione plastica. Durante la saldatura le zone dei normali acciai al carbonio, che subiscono le maggiori deformazioni a caldo, sono appunto quelle che superano i 600 °C.

500

400

300

Sollecitazione (N/mm2)

DEFORMAZIONI Se una barretta metallica, inserita tra due vincoli rigidi, in modo che ne sia impedita la dilatazione (figura 6.05), è sottoposta a riscaldamento, si comprime a causa della dilatazione impedita. La sollecitazione di compressione aumenta con l’aumentare della temperatura raggiunta. Finché la temperatura non raggiungerà un valore specifico, la sollecitazione di compressione non supera il limite elastico o la resistenza allo snervamento a caldo del metallo. Perciò, dopo raffreddamento, la barretta tornerà come prima, senza alcuna variazione geometrica. Se la temperatura raggiunta supera questa soglia, la sollecitazione di compressione supera la resistenza allo snervamento, perciò la barretta si deforma plasticamente, scaricando istantaneamente le sollecitazioni. Durante il raffreddamento la sua lunghezza diminuisce ed a temperatura ambiente, sarà minore di quella iniziale, mentre il diametro sarà proporzionalmente maggiore, per la costanza del volume. In entrambi i casi la barretta non conterrà alcuna sollecitazione residua.

Resistenza a trazione

200

Resistenza allo snervamento

100

00

100

200

300

400 500 Temperatura °C

600

700

800

Figura 6.06. Variazione delle caratteristiche meccaniche di un acciaio dolce con la temperatura.

Qualitativamente, l’andamento delle deformazioni dei giunti saldati, che sono comunemente definite ritiri di saldatura, dipende da due distinte cause: • contrazione propria del cordone di saldatura che dalle dimensioni possedute immediatamente dopo la solidificazione tende a restringersi ed accorciarsi durante il raffreddamento; • riscaldamento a caldo e successivo accorciamento delle zone riscaldate a temperatura superiore a quella corrispondente ad una sollecitazione di compressione uguale alla resistenza allo snervamento del materiale. I ritiri sono trasversali, angolari e longitudinali. I primi due agiscono nel piano perpendicolare all’asse del giunto; l’ultimo parallelamente all’asse stesso. RITIRO TRASVERSALE Consideriamo un giunto di testa AB durante l’esecuzione della saldatura (figura 6.07). La sorgente termica, nell’istante considerato, si trova in V e definisce il campo termico, descritto dalle ellissi isoterme. Quella dei 600° C è stata grassettata perché rappresenta il limite della zona più suscettibile di ricalcarsi a caldo. C

t 0 60

A E

°C

B

V t

D

Figura 6.07. Origine del ritiro trasversale in un giunto di testa.

Una striscia sufficientemente sottile, come quella tra le due rette tratteggiate trasversali, subisce un ciclo termico ed i fenomeni descritti per la barretta con estremità appoggiate; infatti è riscaldata nella zona centrale, per cui tenderebbe a dilatarsi, ma la dilatazione è impedita dalla continuità della striscia con la parte precedentemente saldata, che già si trova a più bassa temperatura. La zona della striscia compresa nell’isoterma di 600° C subisce un notevole riscaldamento e ricalcatura, per cui, nel successivo raffreddamento, s’accorcia generando tensioni che tendono ad avvicinare i lembi uniti.


Il ritiro trasversale aumenta al diminuire dello spessore dei pezzi da saldare e all’aumentare dalla sezione della saldatura. A parità di spessore, l’aumento della sezione di saldatura comporta l’aumento della larghezza del cordone (figura 6.08), per cui, il ritiro è tanto maggiore quanto più grande è la larghezza media della saldatura.

Figura 6.08. Variazione della sezione di saldatura con la larghezza del cordone.


TRATTAMENTI ISOTERMICI FINALI Tempra bainitica o Austempering Lo schema di questo trattamento termico è rappresentato in figura 8.50. AC3

Temperatura

AC1

B

Ms Temperatura ambiente

Mf Tempo in scala logaritmica

Figura 8.50. Schema del ciclo di tempra bainitica.

Consiste in un riscaldamento d’austenitizzazione completa simile a quello dei trattamenti di tempra convenzionale, seguito da un veloce raffreddamento nel campo di metastabilità dell’austenite, fino alla temperatura di poco superiore a Ms e permanenza a questa temperatura fino alla completa trasformazione dell’austenite in bainite inferiore. A fine trasformazione il raffreddamento può esser veloce a piacere; tuttavia si completa in aria calma fino a temperatura ambiente. La microstruttura bainitica inferiore possiede un’elevata omogeneità e la più fine dispersione della cementite o dei carburi possibile (figure 8.51 e 8.52), perciò conferisce all’acciaio elevate caratteristiche tensili (resistenza a trazione e resistenza allo snervamento), elevata durezza, eccellente tenacità ed ottima riserva plastica.

Figura 8.51. Provetta diametro 10 mm, d’acciaio 39NiCrMo3 UNI 7845, sottoposta a trattamento di tempra bainitica. Bainite inferiore. Micrografia SEM - 3000 x.

Figura 8.52. Acciaio C95 austenitizzato a 880 °C e temprato in bagno di sali a 450 °C per 1 ora, poi raffreddato all’aria. Bainite inferiore. Attacco nital 2 % - 600 x.

Dunque conferisce caratteristiche assai migliori di quelle ottenibili con la bonifica tradizionale (figura 8.53), col miglior compromesso possibile tra resistenza e tenacità. Poiché la trasformazione bainitica avviene a temperatura sufficientemente elevata per permettere un’efficace autodistensione, dopo questo trattamento non è necessario alcun rinvenimento di distensione o d’addolcimento. Inoltre le distorsioni dei pezzi, assai comuni durante la tempra convenzionale, sono contenute, poiché la trasformazione dell’austenite avviene tranquillamente a temperatura costante. Perciò la tempra bainitica è un trattamento termico particolarmente interessante ed economicamente vantaggioso. Purtroppo possiede un limite fisico invalicabile dettato dalla necessità d’evitare la trasformazione dell’austenite a temperatura elevata, ovvero nella zona del naso perlitico, pena l’ottenimento di strutture miste che farebbero decadere le caratteristiche meccaniche e la tenacità dell’acciaio. Perciò è molto usato solo per i pezzi di piccolo spessore (chiodi, bulloni, molle) e i pezzi di geometria complicata, dove la tempra tradizionale comporterebbe il rischio di forti distorsioni o di rotture.


Elettrodi

Sistema d’eccitazione

Figura 9.13. Schema d’un LASER molecolare a flusso gassoso.

Il LASER a CO2 è capace di fornire un fascio di luce continuo, di potenza fino a 15 kW, capace cioè di trasferire a distanza una grande potenza: si pensi che un LASER della potenza di 8 kW può forare una lastra d’acciaio inossidabile di 6 mm in soli 10 secondi. Indurimento superficiale con LASER Per ottenere l’indurimento superficiale con LASER è necessario regolare il fascio in modo che il metallo sia riscaldato da una corretta energia, assorbita da un’unità di superficie (densità d’energia), pena la fusione o l’insufficiente riscaldamento. Pertanto è molto importante la regolazione della densità d’energia agendo sulla dimensione dell’area del fascio e sulla distanza focale. In figura 9.14 è schematizzato il dispositivo di focalizzazione d’un raggio LASER per la tempra di leghe ferrose. Per la tempra di metalli comuni (acciai debolmente legati e ghise), il diametro del fascio focalizzato sulla superficie è di circa 6÷8 mm e la densità di potenza è di circa 200÷250 W/mm2. Un altro parametro da regolare è la velocità di spostamento relativo pezzo / fascio LASER. Pertanto, oltre all’apparecchiatura, acquista notevole importanza l’attrezzatura necessaria per il sostegno ed il movimento del pezzo da trattare, come nel caso della tempra ad induzione.

Sp ec

ch io

pia no

Raggio LASER

Distanza focale

Specchio sferico

Possibili posizioni del pezzo da trattare

Pezzo da trattare

Figura 9.14. Schema del dispositivo di focalizzazione d’un raggio LASER per la tempra superficiale.

Per migliorare l’uniformità del riscaldamento il raggio LASER è dotato d’un movimento oscillatorio molto rapido unidirezionale o bidirezionale, riuscendo così a riscaldare zone estese di forma rettangolare (fino a 18 mm di larghezza). Le superfici da trattare devono essere annerite con nerofumo o grafite, oppure mediante fosfatazione o brunitura, per elevare il rendimento del riscaldamento, cioè per ridurre la quantità di radiazione riflessa dal pezzo. Il miglior processo d’annerimento è la fosfatazione al Mn, perché l’annerimento con nerofumo o grafite potrebbe consentire la diffusione del carbonio nell’acciaio e la formazione di cementite reticolare. I LASER ad alta potenza richiedono l’impegno d’energia praticamente uguale a quello dei generatori per la tempra ad induzione, ma con minori inconvenienti. Per l’elevata velocità di riscaldamento il gradiente termico sulla superficie dei pezzi riscaldati con il LASER è tale da permettere la tempra senza l’uso di mezzi tempranti; infatti l’assorbimento di calore da parte delle zone fredde confinanti con quelle riscaldate è sufficiente per garantire un’elevata velocità di spegnimento, generalmente superiore a quella critica di tempra. In figura 9.15 è riportato il gradiente di durezza dello strato superficiale d’un albero a camme d’acciaio 42CrMo4, temprato LASER, senza l’uso di fluidi tempranti. 800 Durezza HV0,5

Gas attivo

Specchio convergente

Finestra areodinamica

Alla pompa

Fascio LASER

TEMPRA LASER LASER significa Light Amplification of Stimulated Emission of Radiations (amplificazione luminosa mediante emissione stimolata di radiazioni). Il principio di funzionamento del LASER è il seguente: in un materiale attivo, opportunamente preparato, è eccitato un numero elevato d’atomi o molecole, mediante apporto d’energia esterna di natura ottica od elettrica (energia di pompaggio). L’apporto d’energia esterna continua finché il numero di particelle attivate al livello superiore E2 risulta maggiore di quello del livello inferiore E1. A questo punto per decadimento avviene l’emissione di radiazioni elettromagnetiche in campo di frequenze visibili o non visibili, dotate di coerenza spaziale e temporale. Tra i LASER di potenza nati dal 1960 ad oggi i più importanti sono quelli a gas molecolare e soprattutto quello a CO2, che consiste in un tubo pieno d’anidride carbonica a bassa pressione contenente anche vapori metallici. Alle estremità il tubo è chiuso da due specchi, per formare una cavità ottica risonante (figura 9.13). Sottoponendo il gas ad una scarica elettrica, si fornisce energia agli elettroni liberati dai vapori metallici nel gas. Gli elettroni urtando le molecole di CO2 le eccitano a livelli d’energia superiori. Nel decadimento ai livelli d’energia primitivi le molecole restituiscono l’energia sottoforma di fotoni di ben definita lunghezza d’onda, che, riflessi in risonanza, escono dal tubo LASER come fascio di radiazioni coerenti.

600 400 200 0 0

0,2

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Distanza dalla superficie (mm)

Figura 9,15. Gradiente di durezza HV0,5 dello strato superficiale di un albero d’acciaio 42CrMo4, indurito con LASER da 2kW.


Capitolo undicesimo TRATTAMENTI TERMOCHIMICI: CARBOCEMENTAZIONE INTRODUZIONE I trattamenti termochimici sfruttano il fenomeno della diffusione in fase solida (cementazione) per modificare la composizione chimica dello strato superficiale dei metalli e conferire loro determinate proprietà. L’indurimento superficiale degli acciai con basso contenuto di carbonio (minore dello 0,25 %) è spesso ottenuto ad alta temperatura mediante diffusione del carbonio nell’austenite (carbocementazione), o del carbonio e dell’azoto (carbonitrurazione), seguita da tempra e rinvenimento di distensione. Così s’ottiene uno strato superficiale molto duro, perché possiede una struttura martensitica ricca di carbonio, ed un nucleo molto resistente e tenace, perché possiede una struttura bainitica e/o martensitica con basso contenuto di carbonio. L’indurimento superficiale degli acciai è possibile anche senza tempra (indurimento per precipitazione), tramite la nucleazione di nitruri o carbonitruri in campo ferritico, mediante diffusione dell’azoto (nitrurazione) o dell’azoto e del carbonio (nitrocarburazione), a temperatura inferiore ad AC1. Soprattutto l’azoto, diffondendo nella ferrite, forma submicroprecipitati di nitruri complessi coerenti con la matrice (zone di Guinier Preston - vedi capitolo 1), che ostacolano efficacemente il movimento delle dislocazioni e conferiscono all’acciaio, se adeguatamente legato, un’elevatissima durezza. Anche i nitruri precipitati sono generalmente molto duri e contribuiscono all’aumento della durezza complessiva dello strato di diffusione. Altri trattamenti di cementazione conferiscono durezza a strati di conversione sottili, perché formano composti chimici molto duri col ferro e con gli elementi di lega, come il boro, che forma boruri di straordinaria durezza. I trattamenti termochimici d’indurimento superficiale industrialmente più importanti sono: • carbocementazione o diffusione del solo carbonio a temperatura superiore ad AC3 o in campo austenitico. Tale trattamento è definito cementazione per antonomasia; • carbonitrurazione o diffusione contemporanea del carbonio e dell’azoto a temperatura superiore ad AC3, in campo austenitico; • nitrurazione o diffusione del solo azoto a temperatura inferiore ad AC1 in campo ferritico; • nitrocarburazione o diffusione contemporanea dell’azoto e del carbonio a temperatura inferiore ad AC1, in campo ferritico; • borurazione o diffusione del boro ad altissima temperatura; • cromizzazione o diffusione del cromo; • silicizzazione o diffusione del silicio; • alluminizzazione o diffusione dell’alluminio; • sherardizzazione o diffusione dello zinco; • manganesizzazione o diffusione del manganese. Gli ultimi cinque trattamenti di cementazione citati sono poco usati industrialmente. Ognuno conferisce all’acciaio determinate proprietà (resistenza all’usura, resistenza alla corrosione, resistenza all’ossidazione a caldo, ecc.), e non migliorano necessariamente la resistenza all’usura od alla

fatica, mediante indurimento della superficie o precompressione dello strato di diffusione. Un particolare cenno merita il trattamento di solfonitrurazione o solfonitrocarburazione (a suo tempo noto come SULFINUZ), che conferiva agli acciai un discreto incremento della durezza superficiale per diffusione dell’azoto e del carbonio a temperatura inferiore ad AC1 e depositava un velo di solfuri di ferro, che migliorava notevolmente le capacità autolubrificanti e quindi la resistenza al grippaggio della superficie. Questo trattamento è stato abbandonato per ragioni ecologiche ed economiche, ma non è stato ancor oggi sostituito da alcun altrettanto efficace trattamento termochimico. CARBOCEMENTAZIONE La carbocementazione è il trattamento termico che mira ad arricchire di carbonio lo strato superficiale dei particolari d’acciaio, attraverso il fenomeno della diffusione in fase solida. Essendo il più antico e diffuso trattamento di cementazione, ne prende il nome per antonomasia. Dunque, quando si parla di cementazione, senza specificare quale sia l’elemento che diffonde, ci si riferisce al trattamento termico di carbocementazione, ovvero alla diffusione del carbonio. La carbocementazione s’esegue normalmente a temperatura compresa tra 850 e 950 °C in un mezzo capace di generare carbonio allo stato nascente, che può diffondere nell’acciaio. I mezzi cementanti possono essere gassosi, liquidi o solidi, ma in ogni caso è sempre la fase gassosa che libera C nascente con attività cementante. La profondità degli strati di diffusione arricchiti di carbonio, che sono fortemente induriti con la tempra, può variare da 0,25 a 3 mm. Teoricamente è possibile carbocementare anche strati più sottili, tuttavia la durata troppo breve del trattamento termico non consente un buon controllo del processo, fatto salvo quello in bagni di sali fusi, che non ha limiti inferiori. In certe applicazioni, infatti, è usata con successo la cianurazione o trattamento di carbocementazione mirato a generare un arricchimento di carbonio in uno strato ≤ 0,05 mm. Dopo la carbocementazione, i pezzi devono esser sempre temprati, per conferire al guscio superficiale la corretta struttura martensitica e l’elevata durezza desiderata. La tempra può esser diretta, cioè seguire subito la carbocementazione, oppure indiretta. In questo caso avviene dopo un successivo riscaldamento (riaustenitizzazione) dei pezzi, che erano già stati raffreddati dopo la carbocementazione fino a completa trasformazione dell’austenite del guscio cementato in perlite e di quella del cuore in ferrite e perlite. La tempra diretta è meno costosa e dà luogo a minori deformazioni dei pezzi, specialmente quando eseguita dalla corretta temperatura d’austenitizzazione, generalmente più bassa di quella di carbocementazione. Infatti, dopo la carbocementazione, prima della tempra è consigliato abbassare la temperatura dei pezzi a quella più idonea per la tempra diretta.

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Rivestimento CVD degli utensili d’acciaio rapido Dalla positiva esperienza sui rivestimenti CVD degli utensili di carburi metallici sinterizzati, acquisita nella seconda metà degli anni 1970, si è partiti per applicare questa tecnologia anche agli utensili d’acciaio rapido. I migliori risultati si sono ottenuti depositando microstrati di carburi o nitruri di titanio, oppure carburi di tungsteno o vanadio, mirando soprattutto ad ottenere uno o più strati superficiali molto duri e resistenti all’usura, perfettamente ancorati al substrato, sufficientemente duro e tenace ed entro certi limiti anche meno pregiato (per esempio un acciaio rapido senza cobalto). Le maggiori difficoltà nel rivestire CVD gli utensili d’acciaio rapido dipendono dall’alta temperatura del processo (800÷1200 °C) e dal difficile controllo della microstruttura del rivestimento. L’alta temperatura porta inevitabilmente a fenomeni di diffusione dal rivestimento al substrato e viceversa e alla radicale modifica della microstruttura del substrato. La diffusione del titanio nel substrato può portare alla sua decarburazione, data la grande affinità di questo ele-

mento per il carbonio. Uno strato decarburato di bassa durezza è uno scadente supporto per il rivestimento. In ogni caso il maggior inconveniente è il cambiamento microstrutturale dell’acciaio. Infatti, quando l’utensile d’acciaio rapido è portato per più ore a temperatura compresa tra gli 800 e i 1000 °C, subisce profonde trasformazioni di fase, con variazioni volumetriche e dimensionali capaci di modificarne anche sensibilmente la geometria. In figura 15.03 è riportato schematicamente il ciclo termico che subisce un acciaio rapido temprato e rinvenuto, rivestito con il processo CVD e necessariamente ritemprato ed ancora rinvenuto per recuperarne le caratteristiche decadute durante il riscaldamento condotto ad una temperatura nettamente superiore a quella dei rinvenimenti dopo tempra. 1200 Processo CVD 1000

800

Temperatura (°C)

APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEI RIVESTIMENTI CVD Le applicazioni industriali della tecnica CVD spaziano nei più svariati settori e sono in continuo rapido sviluppo. Le principali sono per esempio: • il deposito di film superconduttori, semiconduttori od isolanti per circuiti integrati; • la formazione di strati ad elevata durezza, destinati a ridurre l’usura di componenti meccanici; • la produzione di strati protettivi contro la corrosione o l’ossidazione ad alte temperature; • le barriere di diffusione; • le barriere termiche; • l’infiltrazione di materiali porosi o fibrosi; • la produzione di materiali compositi di sintesi complessa; • alcune applicazioni ottiche. Nel caso degli acciai, la maggior applicazione del processo CVD è mirata al rivestimento degli utensili d’acciaio rapido per asportazione di truciolo, purché non siano richieste strette tolleranze dimensionali. Nello stesso settore ha assunto particolare importanza il mercato dei rivestimenti CVD multistrato degli inserti di carburi metallici sinterizzati. I risultati sono eccellenti, tanto da spingere i ricercatori a sperimentare anche depositi costituiti da rivestimenti multipli fino a 10 strati successivi di composti antiusura differenti. Quale esempio d’eccezionale successo si può citare il rivestimento multistrato d’allumina su films di TiC e TiN, applicato agli inserti di carburi sinterizzati che devono lavorare in condizioni di taglio particolarmente severe. L’allumina possiede un’ottima resistenza all’usura per abrasione ed un’eccellente stabilità chimica ad alta temperatura; entrambe caratteristiche indispensabili alle alte velocità di taglio. È noto che in queste severe condizioni sono possibili fenomeni di diffusione tra il materiale da lavorare ed il tagliente dell’utensile, soggetto anche ad ossidazione ed usura abrasiva. Anche gli utensili destinati alla deformazione plastica a freddo (estrusione, tranciatura, ecc.), dove non sono indispensabili tolleranze dimensionali molto strette, hanno dato ottime rese, se rivestiti con strati di TiC e TiN.

600

400

Preriscaldo

T R

T

R

200

0 Tempo S -200

S

T = tempra; R = rinvenimento; S = sottozero

Figura 15.03. Ciclo termico completo per un utensile d’acciaio rapido rivestito con processo CVD.

Il primo trattamento di tempra e rinvenimento è indispensabile per conferire all’utensile la geometria finale, previa rettifica, mentre il secondo trattamento di tempra e tre rinvenimenti finali sono necessari per recuperare le proprietà meccaniche originali. Sappiamo che ogni trattamento termico porta inevitabilmente a variazioni dimensionali e distorsioni, d’entità talvolta inaccettabili, soprattutto dove sono imposte tolleranze dimensionali molto strette. L’utensile rivestito non può essere riaffilato né rettificato dopo l’ultimo trattamento termico, perché perderebbe il rivestimento ed ogni vantaggio conseguito. Il trattamento termico finale deve essere necessariamente condotto in atmosfera rigorosamente neutra (generalmente sotto vuoto), per non alterare il rivestimento. Poiché la maggior parte degli acciai rapidi è ancor oggi temprata e rinvenuta in bagno di sali, che non sono compatibili con i rivestimenti di TiC e TiN, la differenza tra il primo e l’ultimo trattamento termico di tempra e rinvenimento può provocare variazioni dimensionali e distorsioni maggiori del previsto e spesso inaccettabili. Per queste ragioni l’applicabilità del procedimento CVD è limitata agli utensili d’acciaio rapido con ampie tolleranze dimensionali. Secondo la “Scientific Coating Inc.”, solo utensili con tolleranza superiore a ± 0,03 mm possono essere rivestiti con successo con il processo CVD. Questa limitazione esclude da questo tipo di rivestimento tutti gli utensili d’acciaio rapido di forma complessa, quali creatori, coltelli stozzatori, maschi,


brocce, punte elicoidali, alesatori, frese, tutti con tolleranze necessariamente strette. L’altra grande difficoltà da superare per la buona riuscita del processo CVD, applicato agli utensili d’acciaio rapido, è lo scarso controllo della microstruttura e delle caratteristiche degli strati. Ciò dipende dal meccanismo di formazione dei rivestimenti, che avviene sempre in tre fasi successive: • la sintesi del materiale da depositare; • il trasporto dei vapori dalla sorgente al substrato; • la condensazione dei vapori sul substrato seguita da nucleazione dei composti del rivestimento e loro accrescimento. Nei processi di deposizione chimica in fase vapore i tre stadi avvengono simultaneamente sul substrato e non possono essere controllati indipendentemente. Pertanto è difficile controllare la microstruttura e le conseguenti proprietà dello strato, operando sulla variabile temperatura, in quanto è generalmente vincolata da quella di decomposizione o riduzione del composto attivo e di sintesi del materiale del rivestimento, nonché dalla velocità di deposizione. Il problema dello scarso controllo della morfologia degli strati CVD depositati sugli acciai rapidi orienta spesso la scelta del progettista verso i processi di deposizione fisica in fase vapore (PVD). Applicazioni industriali dei rivestimenti CVD sugli utensili d’acciaio rapido Prima d’occuparci dei rivestimenti PVD degli utensili di forma complessa, analizzeremo alcuni risultati ottenuti con i rivestimenti CVD, applicati agli utensili d’acciaio rapido con larghe tolleranze dimensionali. Ciò è utile per confrontare i due metodi di rivestimento, in termini di resa. In particolare considereremo i risultati ottenuti sugli utensili da deformazione plastica a freddo (coniatura, estrusione, stampaggio, ecc.) e su alcuni tipi d’utensili per asportazione di truciolo, quali gli utensili di forma (ferri da tornio e frese generiche), i creatori di classe C (cioè con ampie tolleranze) e gli inserti d’acciaio rapido sinterizzato. Utensili per deformazione plastica In figura 15.04 è riportata la resa percentuale degli utensili rivestiti CVD, riferita a quella del corrispondente utensile non rivestito, posta uguale a 100. Durante la coniatura e la piegatura (produzione di guarnizioni metalliche) si verificano spesso fenomeni d’adesione a freddo e di micro saldatura fra utensili e materiale lavorato. Attraverso il rivestimento di TiN, ottenuto con processo CVD, tali fenomeni sono eliminati e la durata degli utensili aumenta di 2÷3 volte. Nell’estrusione sono attualmente impiegate anche filiere d’acciaio rapido, che richiedono elevata tenacità e resistenza all’attrito radente sotto le forti pressioni specifiche della formatura. Con il rivestimento di TiN, o multistrato TiC + TiN, ottenuto con processo CVD, la durata degli stampi è stata incrementata da 2 a 5 volte, secondo le specifiche condizioni d’impiego, soprattutto per la riduzione dei coefficiente d’attrito e la migliore resistenza all’usura dello strato depositato.


Capitolo diciottesimo CONTROLLO QUALITÀ Nelle industrie modernamente organizzate il Controllo Qualità svolge una funzione indispensabile, in quanto si propone di garantire al prodotto il livello di qualità atteso dal cliente. Il prodotto è considerato affidabile non solo se tutte le operazioni che concorrono alla sua fabbricazione sono sotto controllo, ma anche e soprattutto quando è stato correttamente progettato e seguito, con le opportune manutenzioni, durante tutta la sua vita. L’affidabilità del progetto, il controllo qualità in produzione e lo studio delle anomalie che avvengono durante l’esercizio, anche durante la sperimentazione dei prototipi, sono attività indispensabili al raggiungimento degli obiettivi della qualità (figura 18.01). Affidabilità del progetto + Controllo qualità + Studio delle anomalie

Affidabilità del prodotto

Figura 18.01. Schema delle attività necessarie per raggiungere l’affidabilità del prodotto.

Di questo schema, valido per qualsiasi attività industriale, discuteremo in questo capitolo soltanto i primi due aspetti, rimandando l’approfondimento delle tecniche di controllo ai capitoli successivi e la trattazione della diagnosi dei difetti, o studio delle anomalie, al quinto volume. AFFIDABILITÀ DEL PROGETTO L’attività di progetto comprende generalmente il momento creativo, lo sviluppo del prototipo, la sua sperimentazione e la decisione finale della messa in produzione. Durante tutte queste fasi numerosi eventi si ripercuotono sul progetto iniziale che si modifica da bozza a sperimentale e poi in definitivo, acquisendo così la sua concretezza industriale. Durante lo sviluppo del progetto, il progettista accorto dialoga continuamente con i metallurgisti, esperti di scienza dei metalli, con i tecnologi, esperti dei processi di fabbricazione, con i contabili degli uffici acquisti, per l’analisi della fattibilità economica, e con gli esperti della qualità, per raggiungere l’obiettivo fondamentale della garanzia della qualità del prodotto. È ormai universalmente acquisito che la qualità che nasce col progetto costa assai meno di quella rincorsa più tardi durante la produzione o peggio ancora dopo un insuccesso in esercizio. Secondo la stima di una nota casa automobilistica un difetto fermato in progettazione costa 10, quello fermato in produzione costa 100 e quello segnalato da un reclamo del cliente costa 1000.

È altrettanto vero che anche la sperimentazione su prototipo può garantire il raggiungimento degli obiettivi della garanzia qualità, ma a costi e tempi spesso eccessivi. Perciò è assai più economico affidare alle prove di laboratorio il compito di aiutare il progettista nelle necessarie scelte dei materiali e del processo di fabbricazione. Verifica della validità delle scelte La scelta dei materiali e del processo di fabbricazione, se non deriva da esperienza acquisita o da stretta analogia con altri progetti o produzioni, presuppone alcune prove che consentano di raccogliere dati realistici: • sulla resistenza meccanica del pezzo progettato; • sulla tenacità; • sulla sua resistenza a fatica; • sulla resistenza all’usura. Acquisire rapidamente e correttamente questi dati significa essere in grado d’intervenire sul progetto ancor prima che abbia inizio la sperimentazione su prototipo, modificandolo se inadeguato, od esuberante e perciò troppo costoso. I materiali e le tecnologie sono così strettamente collegati, che la scelta dell’uno condiziona quella dell’altro. Inoltre le possibilità sono limitate dalle disponibilità impiantistiche dell’azienda o dei fornitori. Se la resistenza richiesta è globale, cioè interessa il pezzo nella sua globalità, è importante soprattutto la scelta del tipo d’acciaio, da cui deriva il ciclo di fabbricazione (per esempio una biella d’acciaio da bonifica, stampata, trattata termicamente e lavorata). Se invece la resistenza richiesta è limitata alla sola superficie o ad alcune parti del pezzo, come nel caso di particolari prevalentemente sollecitati ad usura, è il trattamento termico o la tecnologia di rivestimento o finitura superficiale a pilotare la scelta del materiale e del processo di produzione (per esempio un albero a camme, d’acciaio da cementazione, cementato e temprato, oppure d’acciaio da tempra superficiale, temprato ad induzione sulle sole camme e sedi di cuscinetto). A volte è il costo di trasformazione dei materiali che impone precise scelte di processo e quindi di materiale o di trattamento (per esempio i processi di fusione o di sinterizzazione da polveri, scelti in alternativa a quelli d’estrusione a freddo o di stampaggio a caldo o alle lavorazioni meccaniche con asportazione di truciolo). Implicazioni energetiche ed ecologiche giocano e giocheranno un ruolo sempre più importante nell’imporre alcune tecnologie rispetto ad altre; infatti, il contenuto energetico del prodotto ed il costo ecologico di un processo devono essere attentamente

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CONDIZIONI DELLA PROVA DI TRAZIONE Metodo di serraggio Le provette devono essere tenute in posizione da mezzi idonei quali cunei, ganasce di serraggio filettate, ganasce a facce parallele per teste piane, ganasce con intagli longitudinali a V, per teste cilindriche, o supporti di spallamento.

Figura 20.10. Sistemi di serraggio a cuneo della macchina di trazione Zwik Z150, con estensimetro posizionato su provetta cilindrica.

È importante che le provette siano mantenute in corretta posizione per applicare il carico nel modo più assiale possibile per ridurre al minimo la flessione. Ciò è particolarmente rilevante quando il materiale di prova è fragile o quando si determina il carico unitario di scostamento dalla proporzionalità o il carico unitario limite d’allungamento totale o la resistenza allo snervamento. Per assicurare l’allineamento della provetta e la disposizione delle teste di serraggio, si può applicare una forza preliminare purché non superi il 5 % della resistenza allo snervamento specificata o prevista. In tal caso è opportuno correggere l’allungamento per annullare l’effetto della forza preliminare. Velocità di prova Se non diversamente specificato nella norma di prodotto, la velocità di prova, dipendente dalla natura del materiale, deve essere conforme ai seguenti requisiti, sebbene non siano necessari dispositivi specifici di controllo asserviti alla macchina di prova. In campo elastico e fino al raggiungimento di ReH, la velocità d’allontanamento delle teste opposte della macchina di trazione deve essere la più costante possibile e compresa tra i valori minimo e massimo della seguente tabella: Modulo elastico del materiale (E)

Velocità d’applicazione del

(MPa) <150 000 ≥150 000

carico unitario (MPa/s) min. max. 2 20 6 60

Se si determina soltanto ReL, la velocità di deformazione durante lo snervamento della provetta deve essere compresa tra 0,00025 s-1 e 0,0025 s-1. La velocità di deformazione deve essere mantenuta più costante possibile. Se questa velocità non può essere regolata direttamente, deve essere fissata regolando la velocità d’applicazione del carico immediatamente prima dell’inizio dello snervamento; successivamente i comandi della macchina non devono più essere regolati fino al termine dello snervamento. Se si determinano contemporaneamente ReH e ReL devono essere rispettate le condizioni per la determinazione di ReL. La velocità d’applicazione del carico unitario per la determinazione del carico unitario di scostamento dalla proporzionalità (Rp) e carico unitario limite d’allungamento totale (Rt) deve essere come quella in campo elastico. In campo plastico e fino al raggiungimento di Rp o Rt, la velocità di deformazione non deve essere maggiore di 0,0025 s1 . Se la macchina di prova non è in grado di misurare o di controllare la velocità di deformazione, deve essere impostata e mantenuta la velocità d’allontanamento delle teste opposte indicata nella precedente tabella. Dopo la determinazione della resistenza allo snervamento, la velocità di prova può essere aumentata fino alla velocità di deformazione (o alla velocità equivalente all’allontanamento delle teste opposte), ma non può essere maggiore di 0,008 s-1. Se è richiesta soltanto la misurazione della resistenza a trazione del materiale (Rm), la velocità di prova non deve essere maggiore di 0,0


MAGNETOSCOPIA (MT) Gli esami magnetoscopici, o magnetic particle testing, trovano applicazione principalmente su materiali ferromagnetici (permeabilità magnetica relativa µ molto maggiore di 1). Generalmente le linee di flusso, che rappresentato l’intensità locale del campo magnetico, attraversano l’acciaio (metallo generalmente ferromagnetico a temperatura ambiente) in modo uniforme anche presso le superfici, ma nei pressi di una discontinuità, quale per esempio una microcricca, una cavità od un’inclusione, si addensano o disperdono, deviando localmente e creando delle polarità ai bordi del difetto (proprietà associativa e dissociativa dei magneti elementari). Se quest’ultimo affiora o giace in prossimità della superficie può disperdere almeno una parte delle linee di flusso del campo magnetico oltre la superficie stessa, consentendo di rivelare il difetto.

N S

S

N

H Figura 21.07. Schema concettuale della magnetoscopia.

Figura 21.09. Banco fisso per esami magnetoscopici. In primo piano il sistema di smagnetizzazione.

L’apparecchiatura necessaria è composta dal generatore di campo magnetico, che potrà essere alimentato in corrente continua od alternata, secondo le esigenze del sistema di rivelazione. Il campo magnetico generato da un elettromagnete può esser trasferito nel pezzo da esaminare, usandolo per chiudere il circuito magnetico tra due espansioni polari in banchi fissi (figura 21.09), o in strumenti portatili, generalmente adattabili alla sua geometria (giogo – figure 21.10 e 21.11), oppure si può generare direttamente nel pezzo mediante il passaggio di corrente elettrica, continua o alternata al alta intensità e bassa tensione, resa disponibile da un opportuno generatore (Magnaflux) il cui circuito è chiuso sul pezzo da provare con opportuni puntali (figura 21.12).

Figura 21.08. Pezzo saldato con cricca (freccia), rivelata dalla magnetoscopia con polveri fluorescenti. Figura 21.10. Giogo magnetico portatile.

Infatti, basta applicare particelle magnetiche a secco o in sospensione umida, colorate o fluorescenti, affinché si concentrino lungo le linee di flusso del campo magnetico disperso, mostrandone l’allineamento. Il diverso colore delle polveri o la luce emessa per fluorescenza nello spettro visibile quando le si irradino con luce ultravioletta (luce di Wood), evidenzia ogni loro concentrazione e di conseguenza i difetti affioranti o subcorticali (figure 21.07 e 21.08).

Figura 21.11. Uso del giogo magnetico per l’esame magnetoscopico di uno stampo.


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