INTRODUZIONE
Gli acciai HSLA ( High-Strength Low-Alloy ) o acciai microlegati, coniugano basso costo ed elevate caratteristiche meccaniche: presentano carichi di rottura compresi tra 450 MPa e 750 MPa, carichi di snervamento tra 280 MPa e 600 MPa, buona tenacità, buona saldabilità e sono caratterizzati da piccole aggiunte di elementi microalliganti ( niobio, titanio, vanadio ) presenti in tenori inferiori allo 0,1%.
Le caratteristiche meccaniche degli acciai HSLA sono dovute sia alla composizione chimica che ai particolari trattamenti termomeccanici eseguiti che permettono il controllo della microstruttura finale, basato sulla conoscenza del modo in cui questi acciai rispondono ai processi applicati e di come tale risposta può essere influenzata dalla presenza di elementi di lega.
Uno dei modi per controllare la microstruttura è il trattamento termomeccanico di laminazione in controllo, processo che ha sostituito quello di normalizzazione, solitamente eseguito su questi acciai fino all’inizio degli anni ’80 e che porta all’affinamento del grano ferritico, responsabile dei miglioramenti delle proprietà meccaniche degli acciai considerati.
Il trattamento di laminazione in controllo consiste nel riscaldare la bramma ad una temperatura tale da provocare l’omogeneizzazione della sua composizione chimica.
Segue un primo ciclo di laminazione in passate successive, condotte in modo che l’acciaio ricristallizzi tra una passata e l’altra. Lo sbozzato viene lasciato raffreddare in campo austenitico fino ad una data temperatura e poi sottoposto ad un secondo ciclo di laminazione. Durante questa seconda fase di laminazione, se la composizione è adeguata, non si verifica più ricristallizzazione a causa della precipitazione di fasi secondarie. In questo modo la laminazione determina un progressivo aumento del rapporto superficie/volume del grano austenitico ( fenomeno del pancaking ), per cui, nella successiva trasformazione γ→α di norma si genera un grano ferritico molto fine.
Segue poi un raffreddamento accelerato fino ad una temperatura di mantenimento ed infine un lento raffreddamento a temperatura ambiente.
Come detto, gli acciai HSLA contengono piccole quantità di elementi microalliganti che mostrano una spiccata tendenza a combinarsi con carbonio e azoto. La conseguente formazione di precipitati ( carburi, nitruri e carbonitruri ), a seconda della composizione chimica, produce un affinamento dei grani dell’acciaio. Oltre ad affinare il grano, la
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formazione dei precipitati a partire dai microalliganti comporta l’ancoraggio delle dislocazioni: ciò porta ad un innalzamento del carico di snervamento.
Lo scopo principale dell’aggiunta degli elementi microalliganti è l’affinamento del grano ferritico, che costituisce l’unico modo per aumentare sia la resistenza che la tenacità del materiale.
Il vanadio si trova solitamente presente in quantità molto basse poiché la sua azione si avverte anche con un tenore del 0,05%: forma carburi che producono un effetto di indurimento. Il titanio conferisce indurimento per precipitazione e dà luogo a carburi molto stabili. Il niobio dà origine a carburi e carbonitruri che producono un affinamento del grano. Le aggiunte di tale elemento non superano lo 0,1%. [1]
Il controllo della microstruttura finale ( affinamento ) inizia durante la solidificazione e continua durante il riscaldamento, la laminazione a caldo e la trasformazione finale.
Poiché la microstruttura ottenuta riflette la composizione e la microstruttura dell’austenite prima della trasformazione, è evidente che l’affinamento di questa austenite finale è fondamentale per ottenere un’adeguata microstruttura ferritica e determinate proprietà. Per affinare la struttura austenitica è necessario il controllo della ricristallizzazione e dell’accrescimento del grano durante il processo di laminazione in controllo. La presenza di piccole quantità di elementi come niobio, titanio e vanadio è dunque particolarmente efficace durante i processi termomeccanici in virtù delle diverse solubilità dei precipitati nell’austenite in funzione della temperatura. L’uso di tali elementi permette che il ritardo della ricristallizzazione e l’accrescimento del grano siano controllati durante il processo. [2]
Gli acciai microlegati sono usati in molte applicazioni ingegneristiche per il loro basso costo, per la resistenza a fatica, insieme con una buona capacità di essere saldabili ( bisogna fare attenzione al possibile verificarsi di infragilimento nella zona termicamente alterata in prossimità del cordone di saldatura); vengono impiegati per gli impianti industriali, piattaforme offshore, tubi per gasdotti ed oleodotti, ecc..
Specialmente dopo l’introduzione del processo termomeccanico di laminazione in controllo alla fine degli anni ’70, tubi di largo diametro, la cui richiesta è molto aumentata negli ultimi anni, sono l’applicazione principale degli acciai al niobio. Tale applicazione richiede, oltre a buone caratteristiche resistenziali, un’ottima resistenza all’attacco da idrogeno. Tale elemento può essere presente nelle tubazioni ( sotto forma di H2S ), può derivare da reazioni chimiche che avvengono nell’ambiente esterno alla
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tubazione ( terreno ) o da errori di progettazione nella protezione catodica delle tubazioni interrate o sottomarine.
Per la realizzazione di pipelines per oleogasdotti il più usato è l’acciaio con grado API ( American Petroleum Institute ) X70, al quale corrisponde un carico di snervamento superiore a 480 MPa. Si tratta di un acciaio ad elevata resistenza e buona tenacità, con una composizione di circa 0,08% di carbonio e 1,5 % di manganese. E’ stato poi sviluppato l’acciaio X80, con un maggiore tenore di manganese, che presenta un carico di snervamento di 550 MPa ed una resistenza a rottura di 690 MPa. Attualmente sono stati realizzati tubi sperimentali con livelli di resistenza X100 finalizzati ad operare a pressioni superiori a 100 bar.[3]
L’obiettivo di questa tesi è mettere in evidenza le correlazioni tra microstruttura, parametri di laminazione ( temperatura, velocità di deformazione, deformazione indotta per passata ) e proprietà finali dell’acciaio.
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