Transcript Capitolo terzo

Capitolo terzo
Acciai per impieghi a bassa temperatura
INTRODUZIONE
Gli acciai per impieghi a bassa temperatura o criogenici
sono acciai da costruzione che possiedono una soddisfacente tenacità a temperatura inferiore a -10 °C e talvolta oltre i
-200 °C, tale da permetterne l’impiego a temperatura anche
molto bassa. Queste applicazioni sono ormai comuni
nell’industria criogenica che è cresciuta progressivamente
d’importanza nei settori dell’energia, della chimica, della
metallurgia ed alimentare. Per esempio, l’industria
dell’energia impiega sempre più idrocarburi liquefatti con
punto d’ebollizione compreso tra -40 e -160 °C circa,
l’industria chimica e metallurgica impiega grandi quantità
d’ossigeno e azoto liquidi (punto ebollizione -182,9 °C e 196 °C rispettivamente), ottenuti dalla distillazione dell’aria
liquida, portata a -200 °C circa. Molti gas liquefatti sono
usati anche nella tecnologia aerospaziale, nella ricerca nu-
cleare, elettrotecnica ed elettronica, dove spesso la temperatura è portata fino a 1,8 K (-271,36 °C).
Per tutte queste applicazioni sono necessari recipienti e
tubazioni di contenimento o trasporto, generalmente costruiti con acciai che devono possedere buone proprietà e
resistenza alla frattura a freddo. Essi devono possedere soprattutto una soddisfacente tenacità a freddo, ma anche adeguata resistenza meccanica e buona saldabilità.
La selezione dell’acciaio più appropriato per la specifica applicazione a bassa temperatura (tabella 3.01) richiede
una notevole conoscenza dei fenomeni che influiscono sulle
proprietà meccaniche ed in particolare sulla tenacità al diminuire della temperatura. Una corretta scelta deve imporre
che l’infragilimento dell’acciaio non avvenga mai a temperatura superiore a quella d’impiego.
P255KT e P355KT
11MnNi5-3
13MnNi6-3
15NiMn6
12Ni14
X12Ni5
X7NiMo6
X8Ni9
Acciai Austenitici
Come mostra la figura 3.01, la tenacità alla frattura può
aumentare o decrescere al diminuire della temperatura, in
dipendenza di fattori metallurgici.
Tenacità alla frattura JIc (kJm-2)
300
Acciaio AISI 310 (cfc)
200
Acciaio al 9 % Ni (ccc)
100
Lega Ti5Al2,5Sn (ec)
0
4
100
200
Temperatura K
300
Figura 3.01. Andamento della tenacità alla frattura in funzione
della temperature di tre diverse strutture cristalline.
Per essere adatte ad impieghi criogenici, le leghe strutturali dovrebbero possedere un comportamento duttile a
qualunque temperatura d’esercizio.
La frattura duttile avviene per formazione e crescita di
microvuoti, la cui evidenza resta sulla superficie di frattura.
Così la tenacità dei metalli duttili è legata a fattori che in-
Elio
Idrogeno
Azoto
27
40
40
40
40
40
40
70
55
-47
Argon
-50
-60
-60
-80
-100
-110
-170
-196
-196
-42
Ossigeno
255 e 355
285
355
355
355
390
490
490 ÷ 585
240÷340
0
Metano
J
Etilene
°C
Etano
N/mm2
CO2
Resilienza
minimo
Propilene
Acciaio
Temperatura
di prova
Propano
ReH o Rp0,2
minimo
Butano
Tabella 3.01. Acciai con buona tenacità a bassa temperatura e loro campo d’impiego nel settore dei gas liquefatti.
Resilienza KV
Gas liquefatto
Temperatura d’ebollizione (°C)
-78 -89 -104 -164 -183 -186 -196 -253 -269
fluenzano la nucleazione e la crescita dei microvuoti.
Essi nucleano facilmente all’interfaccia delle particelle
di seconde fasi, come le inclusioni e i precipitati, con dimensioni da 1 a 10 µm, per scollamento della superficie
dalla matrice, frattura delle particelle o lacerazione della
matrice per la concentrazione di sforzi vicino alle particelle.
I vuoti crescono e coalescono per taglio (frattura duttile)
della matrice. La resistenza alla frattura duttile è funzione
della resistenza e della duttilità della matrice. Come la resistenza della matrice aumenta, meno energia è dissipata per
deformazione plastica durante la lacerazione e la tenacità
diminuisce. L’aumento della resistenza della matrice tende
ad attivare ulteriori siti di nucleazione dei vuoti. Pertanto la
resistenza allo snervamento è inversamente proporzionale
alla tenacità alla frattura, come mostrato in figura 3.02.
La frattura fragile richiede assai meno energia per la
formazione della superficie rispetto alla frattura duttile. I
modi di bassa energia della frattura includono il clivaggio e
la frattura intercristallina (bordo del grano).
Il clivaggio è un modo di frattura in cui la separazione
del materiale procede lungo piani cristallografici preferiti,
senza apprezzabile deformazione prima della frattura. I metalli soggetti a clivaggio mostrano generalmente un forte
aumento della resistenza allo snervamento al diminuire della temperatura.
-1-
Acciai austenitici
Fe, Cr, Ni, N
200
150
100
50
0
0
Ferro Armco
Tenacità alla frattura KQ (MPa√m)
250
Acciai
TRIP
Austenite
Austenite ––
martensite
martensite
Ferrite
Ferrite ++
perlite
perlite
Acciai medio
legati e alto N
40
Ni
Cr
M
Ac
cia
18 i ma
% ra g
Ni in
g
o7
500
1000
1500
Carico unitario di snervamento (MPa)
2000
Figura 3.02. Tenacità alla frattura in funzione del carico unitario
di snervamento di alcuni acciai strutturali e di acciai TRIP (transformation induced plasticity).
Il clivaggio avviene quando è raggiunta la sollecitazione
per la frattura, prima che sia superata l’energia di formazione dei microvuoti.
La frattura intercristallina avviene quando la resistenza
coesiva del bordo grano è superata, prima che avvenga il
clivaggio o la frattura duttile. Come aumenta la resistenza
al diminuire della temperatura, la frattura intergranulare
può avvenire più agevolmente nelle leghe che ne sono suscettibili.
La figura 3.01 indica che la struttura cristallina è una
guida affidabile per valutare qualitativamente la dipendenza
della tenacità dalla temperatura:
• le leghe con reticolo cubico facce centrate (cfc) possiedono tipicamente un’alta tenacità da temperatura ambiente fino a temperature criogeniche;
• le leghe con reticolo cubico corpo centrato (ccc) mostrano una rapida caduta della tenacità alla frattura in un
intervallo di temperatura o alla temperatura di transizione critica;
• le leghe con reticolo esagonale compatto (ec) sono note
per la modesta tenacità a tutte le temperature.
da una frattura prevalentemente duttile ad una prevalentemente fragile ad una definita temperatura, tipica di ogni colata, detta temperatura di transizione. Tale comportamento
è pericoloso perché, sotto la temperatura di transizione,
l’eventuale frattura non è preceduta da deformazione plastica e può avvenire per cedimento repentino senza alcun preavviso.
La temperatura di transizione degli acciai ferritici non
dipende solo dalla composizione chimica e dal loro stato
metallurgico, ma in larga misura anche dalla velocità e dalle condizioni d’applicazione del carico.
Per la loro transizione da comportamento duttile a fragile, le leghe con reticolo ccc possiedono un limite negli impieghi criogenici. La transizione è associata al cambiamento del tipo di frattura da coalescenza di microvuoti al clivaggio, al diminuire della temperatura. L’intervallo della
temperatura di transizione è funzione delle variabili metallurgiche e meccaniche che modificano la resistenza della
matrice. I fattori che tendono ad aumentare la temperatura
di transizione per una data lega e condizioni di trattamento
termico sono la grossezza del grano, lo spessore della sezione resistente e le alte velocità d’applicazione del carico.
Il nichel fa diminuire la temperatura di transizione degli acciai ferritici.
Leghe esagonali compatte. La tenacità alla frattura di metalli e leghe con reticolo esagonale compatto è generalmente piuttosto bassa. Molte leghe evidenziano un comportamento di transizione come le leghe a reticolo ccc. Il berillio,
per esempio, a temperatura ambiente possiede una KIc di
circa 7÷23 MPa√m, che si riduce del 30 % alla temperatura
di circa 77 K (-196°C). La transizione duttile/fragile a bassa
temperatura è stata osservata per lo Zn, Be e Mg, ma non
per il Cd. In certe condizioni le leghe di titanio mostrano
una brusca caduta della tenacità.
Fattori metallurgici, quali la composizione, purezza e
processo di fabbricazione, possono fortemente modificare il
comportamento alla frattura e in ogni tipo di struttura cristallina esistono leghe che fanno eccezione.
Leghe cubico face centrate. Le leghe cfc allo stato ricotto
possiedono bassa resistenza ed elevata tenacità alla frattura.
A questo gruppo appartengono le leghe di rame e alluminio, gli acciai austenitici e le superleghe di nichel. In queste
leghe la frattura duttile è tipica anche in sezioni di grosso
spessore. I valori della tenacità alla frattura generalmente
aumentano da 295 a 4 K (22÷-269 °C) e spesso mostrano
un largo massimo a 77 K (-196 °C) circa.
Molti acciai austenitici, con reticolo cubico facce centrate, mostrano una diminuzione della tenacità al diminuire
della temperatura, ma assai meno dei ferritici. Tuttavia
quello che più li contraddistingue è l’assenza della caduta
repentina della tenacità ad una data temperatura. Di fatto
non mostrano una temperatura di transizione.
Leghe cubico corpo centrato. Com’è noto, tutti gli acciai
ferritici, con reticolo cubico corpo centrato (ccc), non legati
e mediamente legati, sono soggetti ad una sensibile caduta
della resilienza col diminuire della temperatura, passando
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