Nel presente intervento ci dedicheremo ai cosiddetti TRIP-steels (transformation induced plasticity steels), ossia acciai con caratteristiche di plasticità che si modificano proprio durante il processo di deformazione plastica.
Nel panorama siderurgico si sviluppano spesso alcune tipologie di acciaio che non trovano immediatamente un mercato pronto ad accettarle e a procedere ad una loro rapida applicazione. Questo è il caso, ad esempio, di quelli che potremmo definire "acciai multifasici", che mostrano al loro interno la presenza simultanea di costituenti strutturali che nei prodotti siderurgici non è usuale. I primi esempi significativi di questi acciai possono essere fatti risalire a circa venti anni fa con la produzione dei cosiddetti acciai dual-phase. Nel presente intervento ci dedicheremo ai cosiddetti TRIP-steels (transformation induced plasticity steels), ossia acciai con caratteristiche di plasticità che si modificano proprio durante il processo di deformazione plastica. E' vero che molti di questi aspetti sono ancora adesso oggetto di ricerca nel campo della fisica metallurgica, ma essi non faranno parte della presente trattazione il cui scopo è quello di delineare in modo chiaro e sintetico:
• la composizione di questi acciai;
• la struttura del TRIP-steel e le modifiche che hanno luogo durante la deformazione plastica;
• le proprietà meccaniche che rendono questi acciai di estremo interesse anche in esercizio e non solo durante l'operazione di lavorazione per deformazione plastica.
Molti produttori e trasformatori di acciaio si stanno intensamente dedicando allo sviluppo della messa a punto dei parametri del processo industriale per produrre su larga scala manufatti realizzati in questa tipologia di acciaio, in virtù dei vantaggi a livello di deformazione plastica e di affidabilità dei componenti in esercizio.
LA COMPOSIZIONE CHIMICA DEL TRIP-STEEL
Date le particolarissime caratteristiche strutturali e meccaniche, si sarebbe indotti a pensare che questi acciai siano caratterizzati dall'introduzione di elementi chimici inusuali e magari anche costosi. La situazione è esattamente opposta. Infatti, i TRIP-steels presentano una composizione chimica giocata prevalentemente sulla corretta inserzione di carbonio, silicio e manganese (tabella).
Composizione chimica indicativa dei TRIP-steels
Di conseguenza, se ne conclude che dal punto di vista chimico non è necessario procedere all'alligazione con elementi che possono far lievitare significativamente il costo dell'acciaio.
LA STRUTTURA DEL TRIP-STEEL
La peculiarità di acciai con una composizione chimica che si posizioni all'interno degli intervalli mostrati è quella di mantenere a temperatura ambiente, e a seguito di un opportuno ciclo termico, una struttura che vede la compresenza di ferrite, di bainite, di martensite, di cementite (carburo di ferro [Fe3C]) e/o di perlite ed infine l'austenite. Quest'ultima non è generalmente presente negli acciai alla temperatura ambiente ma è fondamentale nei TRIP-steels. Da questa varietà sorge la definizione di acciai multifasici. Giusto per non spaventare il lettore è bene ricordare brevemente le caratteristiche e le differenze tra questi costituenti strutturali:
• la ferrite è una struttura cristallina composta da atomi di ferro disposti secondo un reticolo cubico a corpo centrato;
• la bainite è un costituente strutturale distorto in cui le lamelle di ferro con reticolo cubico a corpo centrato ed il carburo di ferro si dispongono secondo forme allungate e appuntite, dette aciculari;
• la martensite è una struttura ancor più distorta della bainite (possiede un reticolo ottaedrale, anche se esistono pure altre forme cristalline di forma esagonale compatta e cubica a corpo centrato) ed è assai dura e fragile;
• l'austenite è una struttura cristallina composta da atomi di ferro disposti secondo un reticolo cubico a facce centrate e, grazie a questa struttura cristallina particolare, essa risulta più facilmente deformabile rispetto alla ferrite;
• la perlite è costituite da lamelle di ferro (disposto secondo un reticolo cubico a corpo centrato) e lamelle di carburo di ferro (carburo di ferro [Fe3C]);
• la cementite è costituita da isole di carburo di ferro che possono assumere forme globulari o lamellari a seconda, soprattutto, del ciclo termico a cui viene sottoposto l'acciaio.
La composizione chimica propria dei TRIP-steels produce la presenza di austenite residua in questi acciai anche a temperatura ambiente.
La combinazione tra i vari costituenti strutturali è ottenuta attraverso la definizione di una corretta composizione chimica e l'applicazione di opportuni cicli termici. Il fatto che permanga dell'austenite residua è essenziale, poiché durante la deformazione plastica la deformazione indotta produce la generazione di martensite proprio a partire dall'austenite residua.
Si distinguono tre tipi fondamentali di TRIP-steel:
• PF in cui alle isole di austenite si accompagna la ferrite poligonale;
• BF in cui alle isole di austenite si accompagna una matrice bainitica;
• MF in cui alle isole di austenite si accompagna una matrice martensitica.
L'aspetto fondamentale su cui si basano i TRIP-steel è che l'austenite presente, a seguito della deformazione plastica, si trasforma in martensite (cubica a corpo centrato o a struttura esagonale compatta) che produce un forte incrudimento del materiale durante il processo di deformazione. Esiste anche una categoria di TRIP-steels (detta TRIP-TWIP) in cui non avviene questa trasformazione, ma la particolare struttura conduce a meccanismi di scorrimento sui piani cristallini che comportano elevati carichi di snervamento e significativi allungamenti.
LE PROPRIETÀ MECCANICHE
I TRIP-steel, a causa della loro particolare struttura possiedono diverse proprietà meccaniche che li rendono materiali formabili profondamente per deformazione plastica ed affidabili in esercizio:
• facilità di deformazione, poiché l'austenite residua risulta facilmente deformabile, tanto che sui gradi a maggior contenuto di manganese e di silicio, si raggiungono carichi resistenziali di snervamento pari a 600-1100MPa ed allungamenti percentuali tra 60%-95%, il che rende l'acciaio particolarmente formabile. Inoltre la formazione di martensite comporta elevati tassi di incrudimento che aumentano le proprietà resistenziali dell'acciaio;
• dato che è raro che il processo di formatura si spinga sino ai limiti delle risorse di allungamento, il materiale conserva ancora apprezzabili capacità di allungamento prima di giungere a rottura. Questo è assai interessante, non tanto perché in esercizio si possano sfruttare direttamente le proprietà dell'allungamento, ma perché materiali con discrete risorse di allungamento sono in generale anche materiali molto tenaci, quindi in grado di limitare la propagazione di cricche, rallentare i fenomeni di frattura e resistere bene ai fenomeni di urto;
• la resistenza a fatica di questi acciai risulta assai elevata, contrariamente a quanto si potrebbe pensare, visto ad esempio il forte incrudimento a cui sono soggetti in seguito ai processi di formatura. Questo singolare comportamento, che a prima vista dovrebbe sorprendere, perché in genere più un acciaio è incrudito più dovrebbe essere infragilito, è dovuto al fatto che la martensite che si genera dall'austenite per deformazione plastica produce uno stato di sforzo di compressione all'interno dell'acciaio che rende difficoltosa la propagazione di cricche per fatica, ossia quando il materiale è sottoposto a carico ciclico. Per dare un indicazione di massima si può rilevare che un TRIP- steel non risulta praticamente soggetto a fenomeni di frattura per fatica se gli viene applicato un carico 0.65 volte il carico unitario di snervamento, che è un risultato moto superiore ai consueti acciai per profondo stampaggio o ai microalligati, che presentano rispettivamente valori pari a 0.55 e 0.4;
Si conclude che, pur essendo acciai che non comportano per il produttore difficoltà relative a particolari e costosi processi di affinazione, se non l'inserzione di maggiori quantità di manganese, silicio e/o alluminio, essi garantiscono prestazioni meccaniche e di affidabilità assai pregevoli. Vale la pena che i trasformatori comincino a prendere consapevolezza delle proprietà di questi acciai e ad indirizzare verso di essi la realizzazione di molti componenti. Ne guadagnerebbe sia l'efficienza del processo produttivo sia la sicurezza degli utilizzatori.
A cura dell'Ing. Carlo Mapelli - Dipartimento di Meccanica - Politecnico di Milano
