Dai risultati ottenuti dalla prova a trazione si può osservare che:

CAPITOLO 5: RISULTATI SPERIMENTALI E DISCUSSIONE

Prodotti lunghi industriali

I risultati delle prove termomeccaniche condotte sugli acciai Fe 430 con le varianti viste in tabella 4.1, secondo le procedure sperimentali descritte nel capitolo precedente, vengono riportate in tabella 5.1.

Dai risultati ottenuti dalla prova a trazione si può osservare che:

z Le proprietà meccaniche delle varianti contenenti vanadio (34511-34512) evidenziano un forte aumento rispetto all’acciaio Fe 430 di riferimento (34510). Si nota in particolare che la presenza di titanio in una delle due varianti ricche di vanadio e azoto (34512) non apporta alcuna significativa differenza in termini resistenziali rispetto a quella che ne è privo (34511).

z E’ stato misurato un aumento di almeno 50 MPa nel carico di snervamento e di rottura delle varianti ricche di vanadio e azoto quando sottoposte al processo di laminazione hold rispetto alla laminazione standard.

N°COLATA 34510

0%V-0.0107%N-0.001%Ti

34511

0.105%V-0.0122%N-0.003%Ti

34512

0.125%V-0.014%N-0.01%Ti

TIPO DI

LAMINAZIONE HOLD STANDARD HOLD STANDARD HOLD STANDARD

CARICO DI

SNERVAMENTO 386 353 487 445 487 428

CARICO

DI ROTTURA 521 491 596 512 596 546

Tab.5.1 : Proprietà meccaniche dei campioni dei profili sperimentali UPN.

z Per quanto riguarda il confronto tra gli acciai contenenti V e N (34511 e34512) e quello di riferimento (34510), in relazione alla laminazione hold, si ha un aumento del carico di snervamento di circa 100MPa e di circa 80MPa per il carico di rottura.

N°COLATA 34510 34511 34512

A ( % )

STANDARD 36.3 32.3 32.7 A ( % )

HOLD 34.2 27.2 26.9 Tab.5.2: Allungamento percentuale a rottura.

I risultati, nella tabella 5.2, confermano come incrementi di limiti resistenziali comportino sempre decrementi dell’allungamento a rottura dei prodotti, anche se tali decrementi sono contenuti ed i valori ottenuti sono in tutti i casi accettabili.

Sono state inoltre condotte prove di resilienza Charpy a temperature variabili (-50°C, - 20 °C, 0 °C e +20°C) ed i risultati sono riportati nella tabella 5.3.

Come noto, la tendenza degli acciai ad esibire rotture di tipo fragile aumenta al diminuire della temperatura di prova.

In genere viene assunto come criterio di riferimento per la tendenza verso fratture duttili

valori superiori a 27 J di energia a rottura. Dai risultati ottenuti si osservano variazioni

significative di resilienza in funzione della temperatura di prova, risulta infatti evidente

la riduzione di energia a frattura a -50 °C .

COLATA LAMINAZIONE R(+20°C) R (0°C) R (-20°C) R (-50°C)

HOLD 106 100 95 40 10×10

34510

STANDARD 104 106 95 84 7.5×10

HOLD 92 35 17 5 10×10

34511

STANDARD 86 85 27 9 7.5×10

HOLD 80 44 25 11 7.5×10

34512

STANDARD 92 93 73 29 7.5×10

Tab.5.3: Risultati delle prove di resilienza Charpy dei profili sperimentali UPN.

Si è quindi condotta l’analisi microstrutturale dei diversi prodotti, avendo cura di rilevare mediante metallografia quantitativa le dimensioni medie del grano ferritico, e si sono ricavate le distribuzioni delle dimensioni dei grani.

Le figure da 5.1 a 5.3 mostrano le micrografie ottiche delle microstrutture ottenute nei tre acciai nelle condizioni di trattamento termomeccanico indicato come laminazione hold.

I campioni sono stati estratti dall’ala del profilo UPN, e la superficie esaminata è stata

quella trasversale alla direzione di laminazione, come mostrato in figura 4.7.

Fig. 5.1: Colata 34510. Microstruttura in seguito a laminazione hold

Fig. 5.2 : Colata 34511. Microstruttura in seguito a laminazione hold.

Fig.5.3: Colata 34512.Microstruttura in seguito a laminazione hold.

Nella tabella 5.4 sono sintetizzati i valori medi delle dimensioni dei grani ferritici, mentre nelle figure 5.4, 5.5, 5.6 sono rappresentate le distribuzioni delle dimensioni del grano ferritico.

COLATA LAMINAZIONE D (µm) HOLD 12.9 34510

STANDARD -

HOLD 9.6 34511

STANDARD -

HOLD 9.9 34512

STANDARD -

Tab.5.4: Diametro medio del grano ferritico dei profili sperimentali UPN.

0 10 20 30 40 50 0

20 40 60 80 100

Mean SD --- 12.9 7.6

Counts

Grain size (microns) Sample 1A

Fig.5.4: Campione 34510.Laminazione hold.Distribuzione delle dimensioni del grano.

0 10 20 30 40

0 50 100 150 200 250 300

Counts

Grain size (microns)

Fig.5.5: Campione 34511.Laminazione hold.Distribuzione delle dimensioni del grano

0 10 20 30 0

10 20 30 40 50 60 70 80

Counts

Grain size (micron)

Fig.5.6: Campione 34512.Laminazione hold.Distribuzione delle dimensioni del grano.

Si osserva una diminuzione del diametro medio del grano ferritico delle varianti ricche di vanadio rispetto all’acciaio di riferimento, ma l’affinamento ottenuto non giustifica gli incrementi resistenziali ottenuti nei prodotti contenenti vanadio e titanio sia dopo laminazione “standard” che, a maggior ragione, dopo laminazione “hold”.

Un possibile meccanismo di indurimento su questi prodotti è per precipitazione. Per verificare la presenza dei precipitati di carburi/carbonitruri di vanadio è stata sottoposta ad analisi al TEM la variante Fe 430 con il contenuto di vanadio più alto e con titanio (34512) sottoposto a laminazione “hold”.

Sono state analizzate sia lamine sottili trasparenti agli elettroni sia repliche di estrazione al carbonio. La figura 5.7 mostra la tipica immagine in campo chiaro di una replica ad estrazione in carbonio con l’evidenza della presenza di particelle di dimensione variabile fino a 20µm in diametro. In fig.5.8 si mostra la diffrazione ad anelli ottenuta da un certo numero di precipitati estratti dal campione.

L’ indicizzazione degli anelli più intensi si accorda con la presenza di particelle di fase

V ( N, C ), con struttura cubica ed un parametro reticolare di quasi 0.416 nm.

La stessa indicazione può essere ottenuta dall’indicizzazione del relativo polo cristallografico (tecnica SAD), derivante da una singola particella di dimensioni relativamente grandi, come si vede in figura 5.9.

Le dimensioni dei precipitati variano fino a 20 nm. I precipitati di queste dimensioni sono tipicamente quelli precipitati sugli ex-bordi di grano austenitico deformato. A tale conclusione si giunge osservando il loro tipico allineamento all’interno del grano ferritico, fig.5.9 da immagini ottenute sulla lamina sottile. Queste particelle essendo di bassa frazione volumetrica, dimensioni relativamente grandi ed del tutto incoerenti con la matrice ferritica non si crede possano contribuire in modo significativo all’indurimento dell’acciaio.

.

Fig.5.7: Campo chiaro, micrografia TEM dei precipitati orientati casualmente su replica di estrazione al carbonio.

(d) MISURATI

(d)

CALCOLATI hkl

1 2.37 2.4 (111)

2 2.01 2.08 (200)

3 1.43 1.47 (220)

Fig.5.8: Indicizzazione di diffrazione ad anelli (SAD),da precipitati orientati casualmente su replica di

estrazione al carbonio .

002

020 022

Fig.5.9: Diffrazione indicizzata (SAD), da una singola particella di V(N, C).

Dall’analisi della struttura su lamina sottile è stato inoltre possibile trarre evidenze sperimentali della presenza di una precipitazione indurente.

In fig.5.10 e 5.11 è mostrata un’immagine del campo chiaro, ad alto ingrandimento, vicino al polo cristallografico della matrice ferritica. Si nota la presenza di un’intensa precipitazione di precipitati di dimensioni molto ridotte all’interno della matrice ferritica.

I poli cristallografici relativi a questa matrice, nelle figure seguenti, mostrano la presenza di extraspots, data infatti la presenza di precipitati coerenti con la matrice ferritica. E’ noto che i carburi e i carbonitruri di vanadio a struttura cubica, precipitati all’interno della ferrite seguono la relazione di orientamento di Baker-Nutting:

[100]

// [110]

; (011)

// (011)

Gli extraspots visibili sui relativi poli cristallografici della matrice possono essere usati

per ottenere l’immagine in campo scuro dei precipitati coerenti.Tuttavia, essendo

abbastanza comune avere sottili lamine debolmente ossidate, gli extraspots che derivano

dagli ossidi di ferro Fe

O

devono essere opportunamente considerati

nell’indicizzazione.

Fig.5.10: Ingrandimento dell’immagine e corrispondente diffrazione dell’acciaio 3451

Fig.5.11: Ingrandimento dell’immagine e corrispondente diffrazione

La figura 5.12 mostra una diffrazione sperimentale (SAD) indicizzata, relativa al polo con B vicino a [011]

. Dall’indicizzazione degli extraspots si nota la presenza sia dei precipitati coerenti di V(C, N), sia dagli ossidi di ferro.

Davenport(1968) mostrò che la distinzione tra il carburo di vanadio e l’ossido di ferro Fe

O

può essere estremamente difficoltosa, durante i primi stadi di precipitazione per le particolari differenze di combinazione del VC e del Fe

O

Per esempio, se le varianti sono combinati per dare B<111> VC e <111> Fe

O

, le riflessioni del VC {220} sono delle “streak” parallele a <100> per precipitati paralleli su {100}, come

Illustrato in fig.5.13.

La diffrazione indicizzata può essere confrontata con la diffrazione di fig.5.14.

In questo lavoro gli extraspots segnati, in fig.5.14, sono stati usati per ottenere l’immagine in campo scuro delle piccole particelle, mostrata in fig.5.15.

Fig.5.12: Diffrazione indicizzata SAD.

Fe

O

011 α-iron_

Streaks from the [111]

VC

Fig.5.13: Diagramma, mostra la presenza di streaks.

Fig.5.14: Diffrazione sperimentale SAD con B vicino al polo [011]

.

Fig.5.15: Micrografia TEM camposcuro.Mostra piccoli precipitati di VC corrispondenti alla diffrazione di fig.5.14.

La precipitazione di carburi/carbonitruri di vanadio osservata risulta massiva. Inoltre le ridottissime dimensioni dei precipitati permettono senza dubbio un’elevata coerenza con la matrice ferritica. Pertanto, è presumibile che l’elevato incremento resistenziale rilevato sugli acciai ricchi in V e N con la laminazione “hold” sia da attribuire in gran parte all’indurimento per precipitazione.

Evidenze di nucleazione di grani ferritici si sono ottenute su particelle di fasi secondarie di dimensioni macrometriche costituite da ossidi e solfuri di silicio/alluminio, come mostrato nelle figure 5.16 (a)/(b)/(c) e 5.17(a)/(b).

Fig.5.16(a): Micrografia elettronica in campo chiaro (TEM), (40000x).

Fig.5.16 (b): Microanalisi sul precipitato di figura 5.16(a).

−α

)

1 1 2 (

−α

)

0 1 1 (

Fig.5.16 (c): Diffrazione nella zona tra matrice e precipitato in figura 5.16(a)

Fig.5.17 (a): Micrografia elettronica in campo chiaro (TEM), (60000x).

Fig.5.17 (b): Diffrazione nella zona tra precipitato e matrice in figura 5.17(a)

Come mostrato in queste figure esiste una chiaro orientamento cristallografico tra inclusioni e grano ferritico adiacente, chiaramente possibile solo se le particelle hanno agito come nucleanti della fase ferritica. Sebbene si siano raccolte tali evidenze della nucleazione di ferrite intragranulare sulle superfici di inclusioni micrometriche di solfuri ed ossidi, l’affinamento strutturale rilevato nei prodotti contenenti vanadio non è stato di forte entità. In tal senso è presumibile che le ridotte dimensioni dei carburi/nitruri di vanadio precipitati dopo passaggio al finitore limitino l’efficacia di tali particelle come promotori di nucleazione per i grani ferritici.

Prodotti piani spessi

Visti gli aumenti resistenziali ottenuti per le varianti degli acciai contenenti vanadio, nel caso di prodotti lunghi, con una perdita limitata in termini di energia a rottura si è pensato alla possibilità di ripetere questi risultati per i prodotti piani spessi. E’ stata prodotta un’unica colata industriale (colata 115), con la composizione vista nella tabella 4.3. dalla quale si sono ricavati otto provini e sono stati sottoposti a due cicli termomeccanici, per mezzo di un simulatore siderurgico, il Gleeble 3800, come visto nel capitolo precedente.

I risultati ottenuti ad opera della Riva Acciai su questi campioni, operando la prova a trazione e la prova di resilienza, sono riportati in tab.5.5.

Dai valori ottenuti, si può notare un aumento più marcato, in termini di limiti resistenziali, nei campioni sottoposti al ciclo termomeccanico in cui si varia la velocità di raffreddamento durante la trasformazione γ → α , ed in particolare il campione n.22

che presenta i valori più alti, un carico di snervamento di 446 MPa ed un carico di

rottura di 654 MPa. E’ interessante osservare che anche in corrispondenza di questo

aumento di resistenza il valore di energia a rottura (33.6 J/cm

) resta piuttosto alto, calcolato con la prova di resilienza ad una temperatura di -20˚C, proprio come nel caso dei prodotti lunghi prima visti.

Si evidenziano valori di energia a rottura più elevati nella seconda simulazione.

I risultati delle prove di macrodurezza Vickers e Rockwell, sono riportati in tab.5.9, non si sono evidenziate differenze particolarmente rilevanti tra i due cicli se non dei valori leggermente più alti nei campioni del primo ciclo.

N˚CAMPIONE

CARICO DI ROTTUR

A R

(MPa)

CARICO DI SNERVAMENTO

R

0.2%(MPa)

R

/R

%A

RESILIENZA (-20˚C) J/cm

19 572 355 0.62 34.50 57.1

20 612 413 0.68 32.25 62.1

21 621 410 0.66 32.34 -

22 654 446 0.69 29.73 33.6

CICLO1

23 600 367 0.61 32.27 41.9

24 575 355 0.62 33.78 55.5

25 560 328 0.59 34.07 48.7

26 557 323 0.58 35.28 62.6

CICLO2

Tab.5.5 : Proprietà meccaniche dei campioni sottoposti ai due cicli termomeccanici.

N.CAMPIONE VICKERS ROCKWELL

19 174.8 4.67 20 195.5 5.67 21

22 173 10 23 167.6 10.67 24 173 3.67 25 168.5 3.00 26 163.9 3.67

Tab.5.9: Risultati delle prove di microdurezza .

Tab.5.10: Diametro medio del grano ferritico ottenuto dalle simulazioni termomeccaniche al Gleeble.

N.CAMPIONE CICLO D(µm)

19 1 5.9 20 1 8.2 21 1 7.1 22 1 7.1 23 2 7.3 24 2 6.8 25 2 6.5 26 2 9.5

Nelle figure da 5.18 a 5.24 si riportano i risultati ottenuti dall’analisi metallografia dei differenti campioni e le corrispondenti distribuzioni di dimensioni del grano.

La Tab.5.10 riassume le misure del grano ferritico sui vari campioni. Le differenze

rilevate anche in questo caso non sono marcate. Pertanto è presumibile che le forti

variazioni resistenziali osservate siano ancora da associare ad un effetto di

precipitazione indurente di carburi/carbonitruri di V nella matrice ferritica.

0 5 10 15 20 25

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Count s

Particle Size (micron)

Fig.5.18: O:M del campione 19 e la corrispondente distribuzione della dimensione del grano.

0 5 10 15 20 25 30

0 20 40 60 80 100 120

Count s

Particle size (micron)

Fig.5.19: O:M del campione 20 e la corrispondente distribuzione della dimensione del grano.

0 5 10 15 20 25 0

20 40 60 80 100 120

Co un ts

Particle size (micron)

Fig.5.20: O:M del campione 22 e la corrispondente distribuzione della dimensione del grano.

0 5 10 15 20 25 0

20 40 60 80 100

Co unt s

Grain size (micron)

Fig.5.21: O:M del campione 23 e la corrispondente distribuzione della dimensione del grano.

0 5 10 15 20 0

20 40 60 80 100 120 140 160

Co unts

Grain size (micron)

Fig.5.22: O:M del campione 24 e la corrispondente distribuzione della dimensione del grano.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

20 40 60 80

C oun ts

Grain size (micron)

Fig.5.23: O:M del campione 25 e la corrispondente distribuzione della dimensione del grano.

0 5 10 15 20 25 30 0

10 20 30 40 50 60 70

Count s

Grain size (micron)

Fig.5.24: O:M del campione 26 e la corrispondente distribuzione della dimensione del grano.