Acciaio

In questo articolo andremo a scoprire cos’è l’acciaio, quali sono i diversi tipi di acciaio, le diverse caratteristiche che li contraddistinguono, ed infine ne vedremo gli utilizzi principali.

Metalli

Prima di partire, facciamo però un passo indietro, definendo brevemente i metalli. Un metallo è un elemento appartenente ad una famiglia della tavola periodica ed avente delle caratteristiche particolari dovute al tipo di legame tra gli atomi (il legame metallico appunto), che prevede la condivisione da parte degli atomi degli elettroni di valenza a formare una vera e propria “nube elettronica”. Ciò conferisce ai metalli stessi:

Elevata conducibilità termica ed elettrica
Elevata densità
Elevata compattezza
Assenza di proprietà direzionali
Ecc.

I metalli difficilmente vengono utilizzati allo stato puro; solitamente vengono create le cosiddette leghe (esattamente come quelle dei cerchioni della macchina). Una lega non è altro che una “miscela solida”, composta da:

metallo di base (in quantità maggiore)
elemento di lega (solitamente in percentuali molto basse, inferiori all’1%).

Ma in che modo le leghe hanno proprietà differenti dal metallo puro? Possiamo avere 2 casi:

La formazione di soluzioni solide Omogenee (gli atomi dell’elemento di lega sono integrati nel reticolo)
L’aggiunta di componenti intermetallici o interstiziali (gli atomi dell’elemento di lega sono al di fuori del reticolo)

A seconda della configurazione, del materiale aggiunto e del tipo di Lega, il materiale ottenuto avrà proprietà differenti.

Ferro puro e limitazioni

Il ferro puro non ha praticamente applicazione industriale: il motivo di ciò è la sua bassa resistenza e il costo alto di realizzazione ad alta purezza.

Questo è valido anche quando si sente parlare, in maniera inesatta, di ferro per indicare l’acciaio comune (denominato Fe360B o S235JR) e di acciaio per indicare l’acciaio inossidabile: siamo in entrambi i casi di fronte a tipologie diverse di acciaio.

L’acciaio è una lega composta da ferro (materiale base) e carbonio (elemento di lega), in cui a concentrazione di quest’ultimo sia minore o uguale a 2,11%. Qualora tale quantitá venga superata, si parlerá di ghisa.

La presenza del carbonio conferisce all’acciaio ed alla ghisa maggiore resistenza. Inoltre, maggiore è la quantitá di carbonio, minore sará la plasticizzazione del materiale stesso (il caso limite sono le ghise: hanno una forte resistenza ma sono al contempo molto fragili, tanto da rompersi se dovessero cadere a terra). Chiameremo quindi acciai dolci gli acciai con una bassa concentrazione di carbonio (sotto lo 0,25%) e acciai duri quelli con concentrazione alta (sopra lo 0,60%).

Per un approccio più preciso allo studio della struttura degli acciai a seconda della concentrazione di Carbonio, utilizzeremo il diagramma Ferro-Carbonio, rappresentato qui sotto.

Sull’asse orizzontale è rappresentata la concentrazione di carbonio, mentre quello verticale indica la temperatura: perciò, a seconda della quantità di carbonio presente nella lega, avremo differenti composizioni (che prendono il nome di fasi) del materiale lungo il raffreddamento, con conseguenti variazioni di proprietà del materiali.

Lo stesso ferro, a seconda della disposizione reticolare, può assumere differenti strutture reticolari (in altre parole, la disposizione degli atomi può variare schema di disposizione), generando diverse configurazioni dello stesso materiale:

Ferro α, avente struttura cubica a corpo centrato (genera metalli molto resistenti, poco deformabili ma fragili)
Ferro γ, avente struttura cubica a facce centrate (stabile solitamente sopra i 700°C: quando legata con materiali che la rendano stabile a T ambiente, genera metalli duttili e resistenti alla corrosione)
Ferro δ, avente struttura cubica a corpo centrato (ma stabile a più alte temperature a differenza di del ferro α)

Tra queste le fasi principali da ricordare sono:

Austenite, vale a dire la soluzione solida di ferro γ e carbonio. A parte in alcune leghe, che la rendono stabile a Temperatura ambiente, l’austenite non esiste sotto i 700°C. A seconda di come viene raffreddata, può trasformarsi in perlite (vedi sotto), bainite (tipo di ferro duttile, duro, tenace e resistente) o martensite (a seguito di un raffreddamento rapido, “congela” la struttura dell’acciaio ad alta temperatura, dando una struttura dura, molto dura e fragile)
Ferrite, vale a dire la soluzione solida di ferro α e carbonio
Cementite, vale a dire il composto Fe₃C
Perlite, vale a dire la soluzione di austenite con lamelle di cementite e ferrite

Il concetto principale è che una diversa percentuale di carbonio genera strutture reticolari e presenza di composti differenti all’interno del materiale, responsabili della variazione delle proprietà meccaniche e chimiche dell’acciaio

Leghe

Oltre alle diverse composizioni di Ferro e Carbonio, è possibile “inserire” materiali diversi nella soluzione solida. Tale pratica genera le cosiddette leghe, particolarmente utilizzate qualora caratteristiche particolari del materiale siano richieste (resistenza all’usura, alla corrosione ecc.)

Per l’acciaio, alcuni tra i principali elementi di lega sono i seguenti:

Nichel: aumenta la durezza e la resistenza dei materiali, varia il coefficiente di dilatazione termica, aumenta la temprabilità del materiale
Cromo: aumenta la resistenza all’usura ed aumenta la temprabilità. La presenza di cromo è fondamentale negli acciai inossidabili
Molibdeno: aumenta la resistenza a caldo del materiale, aumenta la temprabilità ed aumenta la resistenza al pitting, vale a dire al fenomeno della corrosione localizzata (a punti)
Azoto: favorisce l’invecchiamento del materiale (processo di indurimento che sfrutta la precipitazione e l’ingrandimento di particelle all’interno del materiale)
Alluminio: favorisce resistenza all’ossidazione ed aumento della resistività elettrica

Vi sono a sua volta elementi che risultano deleteri per l’acciaio. Tra questi ricordiamo:

Fosforo: rende l’acciaio meno tenace
Idrogeno: rende l’acciaio più fragile
Ossigeno: comporta una riduzione delle proprietà meccaniche

Utilizzi principali

Dire che l’acciaio abbia impieghi principali è impreciso: infatti, con tutte le sue configurazioni e leghe, trova applicazioni in qualsiasi ambito e settore. L’industria meccanica in generale sfrutta un utilizzo costante dell’acciaio (quindi per la costruzione di macchinari, macchine utensili, automobili ecc) così come l’industria chimica, oleodinamica ecc.

L’utilizzo dell’acciaio è riscontrabile anche nelle nostre case: lo troviamo come elemento principale di elettrodomestici, posate, strumenti da cucina ecc.

Possiamo dire che ciò di cui vi ho parlato oggi ci circondi dovunque noi siamo!

Conclusioni

Lo scopo dell’articolo era quello di dare una panoramica generale sul mondo dell’acciaio. Fatemi sapere nei commenti se l’articolo vi è stato utile. A presto

Domande di sintesi

Cos’è un metallo? Quali sono le sue caratteristiche principali?
Quali sono le limitazioni del ferro puro?
Cos’è l’acciaio? Che caratteristiche possiede?
Descrivere brevemente il diagramma ferro-carbonio e le principali fasi
Descrivere le leghe dell’acciaio e definire i principali elementi di lega con le sue caratteristiche
Dove è principalmente utilizzato l’acciaio?