Leghe ferrose

Le leghe ferrose sono quelle in cui il ferro è il principale componente. Gli acciai sono le leghe più importanti e sono costituiti da ferro, piccole quantità di carbonio (< 2%) e, molte volte, da altri elementi. In quest’ultimo caso si parla di elementi alliganti e i relativi acciai sono definiti legati. Le ghise sono altre leghe ferro-carbonio: rispetto agli acciai hanno un contenuto di carbonio superiore, in genere dal 2 al 4,6%.

Il gran consumo di acciaio e ghisa è dovuto a tre motivi fondamentali:

  • i composti contenenti ferro sono abbondanti nella crosta terrestre;
  • il ferro e le leghe sono prodotti relativamente economici;
  • la facilità con la quale se ne può variare la microstruttura, e quindi le caratteristiche meccaniche, in funzione del contenuto di carbonio e di trattamenti termici.

 

Lo svantaggio di quasi tutte le leghe ferrose è la loro predisposizione a corrodersi.

Acciai

Con il nome di acciaio si definiscono le leghe ferro-carbonio in cui il tenore di quest’ultimo elemento è inferiore al 2,0%, limite massimo di solubilità del C nell’austenite. Con il nome di acciai speciali o acciai legati s’intendono quelli che, oltre al ferro e al carbonio, contengono altri elementi volutamente introdotti (alliganti).
I comuni acciai al carbonio contengono solo residue impurezze, mentre gli acciai speciali contengono elementi diversi in concentrazioni ben determinate. Esistono migliaia di acciai con differenti composizioni c/o trattamenti termici. Le proprietà meccaniche sono sensibili al contenuto di C che, in genere, è inferiore all’ 1%(in peso).
Il ruolo del C è così importante che nell’identificazione dei vari acciai è indicato il suo contenuto. Sono denominati anche dolci (quelli a basso contenuto di C), semidolci (medio contenuto di C) e duri (alto contenuto di C).
Manganese, nichel, cromo, molibdeno sono gli elementi più di frequente introdotti come alliganti negli acciai. Quando queste aggiunte sono contenute entro il 5% in peso, gli acciai sono definiti acciai bassolegati. Le caratteristiche di questi acciai sono molto condizionate dai trattamenti termici.
Gli acciai che devono operare in condizioni particolari contengono gran quantità di alliganti (acciai altolegati). Fra questi sono noti gli acciai inossidabili.

Acciai nell’edilizia

Gli acciai in edilizia sono utilizzati sotto diversissime forme e dimensioni, in un’ampia gamma di prodotti ottenuti sia per lavorazione a caldo” sia per lavorazione a freddo, o per una combinazione di entrambi, in funzione dei requisiti meccanici voluti. Si utilizzano sotto forma di lamiere, tubi, profilati e fili.
Le lamiere sottili (spessore sotto i 3 mm) sono ottenute da acciaio dolce o semiduro. La resistenza meccanica a trazione varia da 340 a 500 MPa e allungamento dal 20 al 25%. Per aumentarne la resistenza a flessione sono profilate per indurre sagome ondulate, grecate ecc. Sono utilizzabili per pareti di facciata, pannelli di rivestimento. pareti mobili ecc. Queste lamiere quando sono rivestite sulle due facce di zinco sono utilizzate per serrande, grondaie, coperture, condizionatori ecc. Sono infine ricopribili, a causa dell’alto grado di rifinitura superficiale, con pitture e vernici, con smalti inorganici.
Le lamiere di maggiore spessore, da 3 a 50 mm, presentano resistenza a trazione che varia da 340 a 850 MPa, tensione di snervamento da 20 a 35 MPa, secondo lo spessore, e allungamento dal 10 a125%. Sono utilizzate per piastre di fondazione, piastre di giunzione e per l’ottenimento di profili composti per strutture portanti. A caldo sono ottenute le lamiere striate e bugnate, vale a dire con un disegno a forma di losanghe o a forma di tacche, su una sola faccia. Sono utilizzabili per piani di calpestio, scale metalliche ecc.
Acciai a basso contenuto di C (extradolci e semidolci) sono utilizzati per tubi a sezione quadrata, rettangolare o circolare. Le dimensioni sono molto varie e gli usi i più diversi: dalle colonne portanti alle reti di distribuzione di gas, aria, acqua e per lavori di carpenteria leggera. Per una maggiore resistenza alla corrosione sono usati con rivestimenti vari (zinco, malta di cemento ecc.).
I tubi a sezione circolare tipo Mannesmann (tubi non saldati) sono prodotti con l’omonimo laminatoio partendo da un lingotto cilindrico che, trascinato da speciali cilindri trono-conici con assi sghembi, è perforato in senso longitudinale da una spina con punta ovoidale e poi rifinito con altre lavorazioni. Questi tubi presentano elevate caratteristiche meccaniche e sono adatti per condotte idrauliche ad alta pressione.
I profilati, di diverse dimensioni e forme e sezioni, sono utilizzati per la carpenteria metallica. Profilati di grandi dimensioni sono utilizzati per la realizzazione di strutture portanti, coperture, solai, orditure per pareti. l fili di acciaio, ottenuti per trafilatura a freddo, richiedono l’utilizzo di un acciaio extradolce. Le tensioni indotte nell’incrudimento sono in parte rimosse a seguito di ricottura o durante la loro ricopertura con zinco. Con questi fili si fabbricano, per esempio, le reti elettrosaldate per calcestruzzo armato.

Acciai per conglomerato cementizio, normale o precompresso

Le armature per il calcestruzzo armato sono prodotte per laminazione e trafilatura a caldo, in barre tonde di diametri variabili. In funzione delle caratteristiche superficiali, le armature sono divise in barre lisce e ad aderenza migliorata.
Barre non saldabili sono ottenute da acciai con elevati tenori di C (fino al 0,5% e presenza di Mn e Si). Per garantire maggiore resistenza e duttilità nelle strutture, con contemporanea possibilità di saldature e la realizzazione di reti elettrosaldate in cantiere, sono stati posti sul mercato prodotti ottenuti mediante trattamenti termo-meccanici, pur utilizzando acciaio a basso contenuto di C (0,2%). Il massiccio utilizzo di questi acciai ha portato alla formulazione della norma UNI EN 10080

Acciai inossidabili nell’ingegneria edile

Inizialmente, la scelta di questi acciai è stata legata alla caratteristica di resistere inalterati, senza rivestimenti protettivi, all’aggressione atmosferica conservando, nel tempo, la loro apparenza bianco-argentea.
Successivamente, sono stati utilizzati nell’edilizia in funzione anche di caratteristiche non estetiche, quali manutenzione contenuta, elevata sicurezza e, nel caso degli acciai austenitici, buona resistenza al fuoco. Il loro utilizzo va valutato in termini di reale economia, rapportando i maggiori costi alla vita dell’edificio.
Gli acciai inossidabili attualmente utilizzati sono:

  • i tipi austenitici come l’AISI 304 per tutte le applicazioni esterne, in atmosfere non molto aggressive, come pannelli, rivestimenti esterni, serramenti;
  • il tipo legato al molibdeno, l’AISI 316, per le applicazioni esterne, in severe condizioni ambientali, marine o industriali;
  • l’acciaio AISI 430 ferritico, di costo inferiore, per le applicazioni interne (rivestimenti ecc.) e per le applicazioni esterne in atmosfere rurali.

 

Ghisa

Le ghise sono leghe ferrose con contenuti di C superiori al 2,0% (in peso). In pratica, la maggior parte delle ghise contiene tra i13,0 e il 4,5% di C e, spesso, altri elementi di lega. Nella maggior parte delle ghise, il C si presenta sotto forma di grafite. Le ghise più comuni si distinguono in grigie, nodulari, bianche e malleabili.

Ghisa grigia

In queste ghise, la grafite esiste sotto forma di lamine circondate da una matrice ferritica. Per la presenza di queste lamine di grafite, la superficie di frattura ha un colore grigio, da cui il nome. Dal punto di vista meccanico, la ghisa grigia presenta bassa resistenza a trazione ed è fragile: infatti, le estremità delle lamine di grafite sono appuntite e possono agire come punti di concentrazione delle tensioni. La resistenza a compressione è abbastanza elevata.
Le ghise grigie hanno, peraltro, alcune caratteristiche positive per le quali trovano largo impiego. Esse sono molto efficaci nello smorzamento delle energie vibrazionali. Le strutture di base di macchinari pesanti, esposti alle vibrazioni, sono costruite con questa ghisa. In aggiunta, le ghise grigie presentano elevata resistenza all’usura e allo stato liquido hanno un’elevata fluidità alla temperatura di colata: ciò fa sì che i pezzi ottenuti possano avere anche forme molto complicate. La contrazione, poi, al raffreddamento, è bassa. Infine, le ghise grigie sono le meno costose fra tutte quelle prodotte.

Ghisa duttile (o nodulare o sferoidale)

Aggiungendo una piccola quantità di magnesio e/o di cerio alla ghisa grigia prima della colata nello stampo, si forma ancora grafite ma sotto forma di noduli o particelle sferiche invece che di fiocchi. La lega risultante è detta ghisa duttile o nodulare o sferoidale.
La ghisa duttile, pur avendo ancora quasi tutti i pregi delle ghise grigie lamellari, possiede caratteristiche che si avvicinano a quelle dell’acciaio. Per esempio, la ghisa duttile ferritica ha una resistenza alla trazione di circa 380-480 MPa e una duttilità (espressa come percentuale di allungamento) del 10-20%. Con queste ghise si possono colare getti complicati che si lavorano bene alle macchine utensili. Tipiche applicazioni di questo materiale sono valvole, corpi di pompe, ingranaggi.

Ghisa bianca e ghisa malleabile

Nelle ghise con contenuto minore del 2% di silicio, raffreddate rapidamente, la maggior parte del C si trova combinato sotto forma di cementite piuttosto che di grafite. La superficie di frattura si presenta bianca, per questo è denominata ghisa bianca. In conseguenza della gran quantità di cementite presente, la ghisa bianca è molto dura ma anche molto fragile, al punto che non è possibile lavorarla alle macchine utensili. Il suo impiego è limitato alle applicazioni che necessitano di una superficie molto dura e resistente all’usura ma priva di duttilità, per esempio, macine di mulini e ruote di treni. Comunque, in genere, la ghisa bianca è utilizzata come intermediaria nella produzione di un’altra ghisa, la ghisa malleabile.
La ghisa malleabile è ghisa bianca riscaldata a lungo ad una temperatura compresa tra 800 e 950 °C, a contatto di sola sabbia (per prevenire l’ossidazione del C), entro recipienti refrattari. Tale ricottura non decarbura di molto la ghisa, ma più che altro provoca la separazione del C grafitico in noduli distribuiti con uniformità nella massa. Il processo è detto a cuore nero ed è applicato su oggetti anche di spessore elevato (fino a 20-25 mm).
Le applicazioni tipiche sono ingranaggi di trasmissione, flange, parti di valvole, raccordi filettati per tubazioni o altri pezzi meccanici che richiedono una buona resistenza a trazione e tenacità.