Determinare l’austenite residua nei getti in acciaio

peltonSe osserviamo l’attuale panorama industriale, e lo facciamo basandoci sulla semplice logica dei numeri, è innegabile che tutt’oggi siamo ancora nell’era della ghisa e dell’acciaio.
Alluminio, titanio, materiali compositi e materiali artificiali di sintesi costituiscono sicuramente delle nicchie di tecnologia avanzata, ma si tratta appunto di nicchie: se dovessimo immaginare di eliminare dalla faccia della terra i materiali compositi indubbiamente il progresso tecnologico ne soffrirebbe, ma se per incanto (o per meglio dire per disgrazia) a sparire fossero i metalli ferrosi, probabilmente sarebbe la stessa civiltà industriale a venire meno…
Le motivazioni dell’enorme successo tecnologico dell’acciaio e della ghisa sono molte, e dipendono non solo da quelle che possono essere le loro prestazioni, ma anche dal fatto che tali prestazioni possono essere “modulate” non solo da lega a lega, ma anche all’interno della stessa lega e, addirittura, tra zone diverse dello stesso componente, sfruttando il meccanismo dei trattamenti termici
Il “segreto” di tale modulabilità del comportamento risiede in quelle che sono le caratteristiche della struttura dei materiali ferrosi.
Ricordando che acciaio e ghisa sono leghe di ferro e carbonio, eventualmente arricchite con piccole percentuali di altri materiali (manganese, cromo, molibdeno, nichel), la cui distinzione sta solo nella percentuale di carbonio presente accanto al ferro (con la linea di separazione posta al 2%), noi sappiamo come ad alta temperatura (< 900 – 950 °C) il ferro assuma una struttura cristallina cubica a facce centrate – CFC (il cosidetto ferro – a ), con gli atomi di carbonio che formano una “soluzione solida interstiziale”, ossia sono omogeneamente dispersi tra gli atomi di ferro: tale struttura prende il nome di AUSTENITE.
Nel corso del raffreddamento ideale gli atomi di carbonio si combinano con atomi di ferro a formare CEMENTITE (Fe3C) mentre la rimanente parte di atomi di ferro perde la configurazione reticolare CFC per assumere una configurazione Cubica a Corpo Centrato – CCC (il cosiddetto ferro – g) o FERRITE .
Pertanto in queste condizioni ideali la struttura interna di un acciaio risulta costituita da ferrite e cementite dispersi l’uno nell’altra, a realizzare la cosiddetta PERLITE.
La ferrite è l’elemento che impartisce all’acciaio la duttilità. Questi cristalli formati praticamente da solo ferro, hanno infatti un allungamento elevato (oltre il 50%) ma una bassa resistenza meccanica, mentre la cementite è un elemento che impartisce all’acciaio la resistenza. Questi cristalli, formati da carburo di ferro, sono infatti molto duri e pochissimo duttili. La combinazione di ferrite e cementite stabilisce la resistenza e la duttilità, e quindi la tenacità dell’acciaio. Maggiore è la quantità di cementite più alta risulta la resistenza e più bassa la duttilità. Poiché la quantità di cementite dipende dalla quantità di carbonio, si conclude che un acciaio sarà tanto più resistente e meno duttile quanto più elevato è il contenuto di carbonio.
Questo è quanto accade nel caso di un raffreddamento ideale (ossia per un tempo tendente a infinito) e per un materiale ideale (costituito internamente da Ferro e Carbonio).
Nella realtà la possibilità di modulare la velocità di raffreddamento e di arricchire la lega di ferro e carbonio con altri elementi fa si che l’acciaio possa assumere anche strutture diverse (es bainite, martensite…) con ulteriori differenziazioni delle prestazioni.

Il problema dell’austenite residua

(da: commons.wikimedia.org)

(da: commons.wikimedia.org)

Tra i vari effetti che possono verificarsi nel corso del raffreddamento, c’è anche quello che non tutta la struttura cristallina si trasformi da CFC a CCC, il che equivale a dire che non tutta la austenite si trasforma in ferrite.
Talvolta questo è un effetto voluto, e allora si parla di acciai austenitici, ma più spesso è un effetto indesiderato che può portare ad un indebolimento del materiale, indebolimento che può manifestarsi sia immediatamente sotto forma di cedimento del componente per le tensioni interne che questa difformità metallurgica può comportare, sia nelle successive rilavorazioni, sotto forma di rottura o di deformazione, o addirittura in esercizio.
Questa pericolosità è dovuta sia al fatto che le prestazioni meccaniche della struttura austenitica sono inferiori a quelle delle altre strutture, sia al fatto che il volume specifico del grano di austenite è maggiore rispetto a quello della ferrite, con il risultato che un eventuale successiva conversione dell’austenite residua in ferrite comporta la nascita di stati tensionali interni in trazione, e quindi molto pericolosi per la resistenza alla fatica e alla corrosione del materiale.
Come abbiamo visto, il problema dell’austenite residua è connesso alla gestione dei processi di raffreddamento e alla presenza di elementi alliganti nell’acciaio, due argomenti particolarmente critici per i getti in acciaio, soprattutto per quelli maggiormente massivi o con geometrie caratterizzate da alternanze di zone a diversa sezione (come ad esempio nelle giranti Pelton).

Determinazione dell’austenite residua mediante diffrazione a raggi X
Tradizionalmente, la determinazione dell’eventuale austenite residua passa attraverso un esame metallurgico di tipo visivo, con conseguenti problematiche di tempistica esecutiva e di dipendenza dal giudizio di chi osserva il campione al microscopio metallurgico.
Nel corso degli ultimi anni si è però resa disponibile anche una nuova tecnica di misurazione di estrema velocità e precisione, basata sulla diffrazione dei raggi X e codificata dalla normativa statunitense ASTM E-975 “Standard practice for X-ray determination of retine austenite in steel with near random crystallographic orientation”, una tecnica basata sulla diversa dimensione cristallina del grano di austenite e di ferrite
Il principio fisico che stà alla base della misura mediante diffrazione dei raggi X è abbastanza semplice: in tutti i metalli (e quindi anche negli acciai) gli atomi occupano nello spazio posizioni che si ripetono con regolarità geometrica, dando luogo ad una struttura che può essere pensata come la ripetizione di un modulo base, modulo solitamente indicato come “cella elementare”: tale struttura prende il nome di “reticolo cristallino”.
All’interno di un reticolo cristallino è possibile individuare famiglie di piani paralleli tra loro su cui giacciono gli atomi del reticolo e per i quali è possibile definire una distanza interplanare ‟d”.
Poichè la distanza interplanare ‟d” per un materiale è ovviamente funzione della sua struttura, e austenite e ferrite hanno appunto una diversa struttura, ne deriva che è possibile discriminare la presenza di austenite nella ferrite basandosi semplicemente sulla verifica delle diverse distanze interplanari.
Il problema diventa ora quello di misurare questa distanza, ed è qui che entra in gioco la DIFFRATTOMETRIA. La tecnica diffrattometrica prevede di colpire il materiale con un fascio di raggi X dotato di energia sufficiente da poter interagire con gli atomi posizionati sui piani reticolari interni del materiale.
Quando il fascio incidente colpisce il materiale genera un fascio diffratto distinto per ogni piano reticolare.
In base a semplici considerazioni trigonometriche è facile capire come le radiazioni emesse dagli atomi appartenenti a piani reticolari diversi risultino tra loro sfasate in maniera dipendente da:

  • l=lunghezza d’onda della radiazione
  • q=angolo di incidenza
  • d=distanza interplanare

In particolare, come scoperto dai Braggs nel 1913 (che dalla scoperta guadagnarono, oltre all’onore di poter definire con il loro nome la suddetta legge, anche il premio Nobel), data una radiazione di lunghezza d’onda nota λ0, l’interferenza tra le radiazioni emesse dal materiale è costruttiva quando l’angolo di incidenza q risulta tale che   ( 2*d*sin⁡θ)/λ=n. Dove “n” rappresenta un numero intero.
Nella rilevazione generatore e rilevatore vengono fatti ruotare in maniera sincrona così da variare con continuità l’angolo q e riuscire ad individuarne l’ampiezza per cui risulti massima la radiazione diffratta: quello che si ottiene sarà un grafico come quello in cui si osserva un picco in corrispondenza di un preciso angolo: una volta determinato tale angolo, dalla legge di Braggs, risulta immediato risalire alla distanza interplanare e quindi alla struttura presente nel materiale analizzato.
Nel caso in cui nell’area analizzata dal fascio dei raggi X (che solitamente ha un diametro che può variare da 0,5 a 3 mm) siano presenti due diverse tipologie di strutture, allora il grafico evidenzierà due distinti picchi in corrispondenza a due diversi valori di angolo: la distribuzione percentuale delle due strutture nel materiale sarà allora pari al rapporto tra le aree sottese alla curva in corrispondenza dei due picchi.
Come è facilmente intuibile, le misure mediante tecniche diffrattometriche costituiscono un metodo assolutamente puntuale, in grado di analizzare volumi spaziali dell’ordine del centinaio di mm cubi, in quanto lo spot del fascio incidente ha un raggio inferiore al mm ed anche la profondità di penetrazione non supera i 10 – 30 mm a seconda del materiale analizzato.
Tale estrema risoluzione nel senso della profondità costituisce sicuramente un vantaggio in termini di capacità di discriminare le tensioni superficiali rispetto al cuore, ma anche una limitazione quando ci sia la necessità di svolgere analisi negli strati immediatamente sottostanti quelli superficiali.
Tale limite può essere superato asportando progressivamente lo strato superficiale mediante un aggressione elettrochimica controllata, esponendo via via gli strati interni del materiale senza indurre perturbazione negli stati tensionali, come avverrebbe con una asportazione meccanica.

 

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