Acciai

Gli acciai sono leghe ferro–carbonio che possono contenere concentrazioni apprezzabili di altri elementi di lega. L’aggiunta di una piccola quantità di carbonio non metallico al ferro scambia la sua grande duttilità per la maggiore duttilità. Grazie alla sua resistenza molto elevata, ma ancora sostanziale tenacità, e la sua capacità di essere notevolmente alterata dal trattamento termico, l’acciaio è una delle leghe ferrose più utili e comuni nell’uso moderno., Ci sono migliaia di leghe che hanno diverse composizioni e / o trattamenti termici. Le proprietà meccaniche sono sensibili al contenuto di carbonio, che è normalmente inferiore a 1,0% in peso. Secondo la classificazione ot AISI, l’acciaio al carbonio è suddiviso in quattro classi in base al contenuto di carbonio.,

Tipi di Acciai – Classificazione in Base alla Composizione

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  Acciaio. Gli acciai sono leghe ferro-carbonio che possono contenere concentrazioni apprezzabili di altri elementi di lega., L’aggiunta di una piccola quantità di carbonio non metallico al ferro commercia la sua grande duttilità per una maggiore resistenza. Grazie alla sua resistenza molto elevata, ma ancora sostanziale tenacità, e la sua capacità di essere notevolmente alterata dal trattamento termico, l’acciaio è una delle leghe ferrose più utili e comuni nell’uso moderno. Ci sono migliaia di leghe che hanno diverse composizioni e / o trattamenti termici. Le proprietà meccaniche sono sensibili al contenuto di carbonio, che è normalmente inferiore a 1,0% in peso., Secondo la classificazione ot AISI, l’acciaio al carbonio è suddiviso in quattro classi in base al contenuto di carbonio:

  • Acciai a basso tenore di carbonio. L’acciaio a basso tenore di carbonio, noto anche come acciaio dolce, è ora la forma più comune di acciaio perché il suo prezzo è relativamente basso mentre fornisce proprietà materiali accettabili per molte applicazioni. L’acciaio a basso tenore di carbonio contiene circa lo 0,05-0,25% di carbonio rendendolo malleabile e duttile. L’acciaio dolce ha una resistenza alla trazione relativamente bassa, ma è economico e facile da formare; la durezza superficiale può essere aumentata attraverso la carburazione.
  • Acciai a medio carbonio., L’acciaio al carbonio medio ha circa 0,3-0,6% di contenuto di carbonio. Bilancia duttilità e resistenza e ha una buona resistenza all’usura. Questo tipo di acciaio è utilizzato principalmente nella produzione di componenti della macchina, alberi, assi, ingranaggi, alberi motore, giunti e pezzi fucinati e potrebbe essere utilizzato anche in rotaie e ruote ferroviarie.
  • Acciai ad alto tenore di carbonio. L’acciaio ad alto tenore di carbonio ha circa 0,60-1,00% di contenuto di carbonio. La durezza è superiore agli altri gradi ma la duttilità diminuisce. Gli acciai ad alto tenore di carbonio potrebbero essere utilizzati per molle, fili di corda, martelli, cacciaviti e chiavi.,
  • Acciai ad alto tenore di carbonio. Ultra–alto tenore di carbonio in acciaio ha circa 1.25-2.0% contenuto di carbonio. Acciai che possono essere temperati a grande durezza. Questo grado di acciaio potrebbe essere utilizzato per prodotti in acciaio duro, come molle per camion, utensili per il taglio di metalli e altri scopi speciali come coltelli, assi o punzoni (non industriali). La maggior parte degli acciai con un contenuto di carbonio superiore al 2,5% sono realizzati con metallurgia delle polveri.
• Acciai legati., L’acciaio è una lega di ferro e carbonio, ma il termine acciaio legato di solito si riferisce solo agli acciai che contengono altri elementi— come vanadio, molibdeno o cobalto—in quantità sufficienti per alterare le proprietà dell’acciaio di base. In generale, l’acciaio legato è l’acciaio che è legato con una varietà di elementi in quantità totali tra l ‘ 1,0% e il 50% in peso per migliorare le sue proprietà meccaniche. Gli acciai legati sono suddivisi in due gruppi:
  • Acciai bassolegati.
  • Acciai altolegati.
• Acciaio inossidabile., Gli acciai inossidabili sono definiti come acciai a basso tenore di carbonio con almeno il 10% di cromo con o senza altri elementi di lega. Resistenza e resistenza alla corrosione spesso lo rendono il materiale di scelta in attrezzature di trasporto e lavorazione, parti del motore e armi da fuoco. Il cromo aumenta la durezza, la resistenza e la resistenza alla corrosione. Nichel dà benefici simili, ma aggiunge durezza senza sacrificare la duttilità e tenacità. Riduce anche l’espansione termica per una migliore stabilità dimensionale.,

Leghe di titanio

Il titanio puro è più forte dei comuni acciai a basso tenore di carbonio, ma il 45% più leggero. È anche due volte più forte delle leghe di alluminio deboli, ma solo il 60% più pesante. Le due proprietà più utili del metallo sono la resistenza alla corrosione e il rapporto forza-densità, il più alto di qualsiasi elemento metallico. La resistenza alla corrosione delle leghe di titanio a temperature normali è insolitamente elevata. La resistenza alla corrosione del titanio si basa sulla formazione di uno strato di ossido protettivo stabile., Anche se il titanio” commercialmente puro ” ha proprietà meccaniche accettabili ed è stato utilizzato per impianti ortopedici e dentali, per la maggior parte delle applicazioni il titanio è legato con piccole quantità di alluminio e vanadio, tipicamente 6% e 4% rispettivamente, in peso. Questa miscela ha una solubilità solida che varia drammaticamente con la temperatura, permettendo che subisca il rafforzamento della precipitazione.

Le leghe di titanio sono metalli che contengono una miscela di titanio e altri elementi chimici. Tali leghe hanno un’elevata resistenza alla trazione e tenacità (anche a temperature estreme)., Sono leggeri, hanno una straordinaria resistenza alla corrosione e la capacità di resistere a temperature estreme.

Grado 2

Il grado di titanio commercialmente puro 2 è molto simile al grado 1, ma ha una resistenza superiore al grado 1 e eccellenti proprietà di formatura a freddo. Fornisce eccellenti proprietà di saldatura e ha un’eccellente resistenza all’ossidazione e alla corrosione. Questo grado di titanio è il grado più comune dell’industria del titanio commercialmente puro., È la scelta principale per molti campi di applicazioni:

• Aerospaziale,
• Automobilistico,
• Elaborazione chimica & Produzione di clorato,
• Desalinizzazione
• Generazione di energia

Grado 5 – Ti-6Al-4V

Il grado 5 è la lega più comunemente usata è una lega alfa + beta. La lega di grado 5 rappresenta il 50% dell’utilizzo totale del titanio in tutto il mondo. Ha una composizione chimica di 6% alluminio, 4% vanadio, 0,25% (massimo) ferro, 0,2% (massimo) ossigeno e il resto titanio., Generalmente, Ti-6Al-4V viene utilizzato in applicazioni fino a 400 gradi Celsius. Ha una densità di circa 4420 kg / m3. È significativamente più forte del titanio commercialmente puro (gradi 1-4) grazie alla sua possibilità di essere trattato termicamente., Questo grado è un’ottima combinazione di resistenza, resistenza alla corrosione, di saldatura e di fabricability è la prima scelta per molti tipi di applicazioni:

• turbine di Aerei
• i componenti del Motore
• i componenti strutturali aeronautici
• dispositivi di fissaggio Aerospaziale
• ad Alte prestazioni automatica parti
• applicazioni Marine

Applicazione delle Leghe di Titanio – Usa

Le due proprietà più utili del metallo sono la resistenza alla corrosione e resistenza-a-rapporto tra la densità, il più alto di qualsiasi elemento metallico., La resistenza alla corrosione delle leghe di titanio a temperature normali è insolitamente elevata. Queste proprietà determinano l’applicazione del titanio e delle sue leghe. La prima applicazione di produzione del titanio fu nel 1952, per le gondole e i firewall dell’aereo di linea Douglas DC – 7. Elevata resistenza specifica, buona resistenza alla fatica e vita allo scorrimento e buona tenacità alla frattura sono caratteristiche che rendono il titanio un metallo preferito per le applicazioni aerospaziali., Le applicazioni aerospaziali, compreso uso in entrambe le componenti strutturali (cellula) e motori a reazione, ancora rappresentano la maggior parte dell’uso della lega di titanio. Sul velivolo supersonico SR-71, il titanio è stato utilizzato per l ‘ 85% della struttura. A causa dell’inerzia molto elevata, il titanio ha molte applicazioni biomediche, che si basano sulla sua inerzia nel corpo umano, cioè sulla resistenza alla corrosione da parte dei fluidi corporei.,

Proprietà dell’acciaio vs Titanio

Le proprietà del materiale sono proprietà intensive, il che significa che sono indipendenti dalla quantità di massa e possono variare da luogo a luogo all’interno del sistema in qualsiasi momento. La base della scienza dei materiali comporta lo studio della struttura dei materiali e la loro relazione con le loro proprietà (meccaniche, elettriche ecc.). Una volta che uno scienziato dei materiali conosce questa correlazione struttura-proprietà, può quindi continuare a studiare le prestazioni relative di un materiale in una data applicazione., I principali fattori determinanti della struttura di un materiale e quindi delle sue proprietà sono i suoi elementi chimici costituenti e il modo in cui è stato trasformato nella sua forma finale.

Densità dell’acciaio rispetto al titanio

La densità dell’acciaio tipico è di 8,05 g / cm3.

La densità della lega di titanio tipica è 4.43 g / cm3 (Ti-6Al-4V).

La densità è definita come la massa per unità di volume., È una proprietà intensiva, che è matematicamente definita come massa divisa per volume:

ρ = m/V

In parole, la densità (ρ) di una sostanza è la massa totale (m) di quella sostanza divisa per il volume totale (V) occupato da quella sostanza. L’unità SI standard è di chilogrammi per metro cubo (kg/m3). L’unità inglese standard è libbre di massa per piede cubo (lbm / ft3).,

Poiché la densità (ρ) di una sostanza è la massa totale (m) di tale sostanza, diviso per il totale del volume (V) occupata da quella sostanza, è ovvio, la densità di una sostanza dipende fortemente dalla sua massa atomica e anche il numero atomico densità (N; atomi/cm3),

• Peso Atomico. La massa atomica è trasportata dal nucleo atomico, che occupa solo circa 10-12 del volume totale dell’atomo o meno, ma contiene tutta la carica positiva e almeno il 99,95% della massa totale dell’atomo. Pertanto è determinato dal numero di massa (numero di protoni e neutroni).,
• Densità del numero atomico. La densità del numero atomico (N; atomi/cm3), che è associata ai raggi atomici, è il numero di atomi di un dato tipo per unità di volume (V; cm3) del materiale. La densità del numero atomico (N; atomi / cm3) di un materiale puro con peso atomico o molecolare (M; grammi/mol) e la densità del materiale (⍴; gram/cm3) è facilmente calcolata dalla seguente equazione usando il numero di Avogadro (NA = 6.022×1023 atomi o molecole per mole):
• Struttura cristallina., La densità della sostanza cristallina è significativamente influenzata dalla sua struttura cristallina. La struttura FCC, insieme al suo relativo esagonale (hcp), ha il fattore di imballaggio più efficiente (74%). I metalli contenenti strutture FCC includono austenite, alluminio, rame, piombo, argento, oro, nichel, platino e torio.

Proprietà meccaniche dell’acciaio vs Titanio

I materiali sono spesso scelti per varie applicazioni perché hanno combinazioni desiderabili di caratteristiche meccaniche., Per le applicazioni strutturali, le proprietà dei materiali sono cruciali e gli ingegneri devono tenerne conto.

Resistenza dell’acciaio rispetto al titanio

Nella meccanica dei materiali, la resistenza di un materiale è la sua capacità di sopportare un carico applicato senza guasti o deformazioni plastiche. La resistenza dei materiali considera fondamentalmente la relazione tra i carichi esterni applicati a un materiale e la deformazione o il cambiamento risultante nelle dimensioni del materiale. La forza di un materiale è la sua capacità di resistere a questo carico applicato senza guasti o deformazioni plastiche.,

Resistenza alla trazione finale

La resistenza alla trazione finale dell’acciaio a basso tenore di carbonio è compresa tra 400 e 550 MPa.

La resistenza alla trazione dell’acciaio ad alto tenore di carbonio è 1100 MPa.

La resistenza alla trazione della lega di titanio Ti-6Al-4V-Grade 5 è di circa 1170 MPa.

La resistenza alla trazione finale è il massimo sulla curva di sforzo-deformazione dell’ingegneria. Ciò corrisponde allo stress massimo che può essere sostenuto da una struttura in tensione. La resistenza alla trazione è spesso ridotta a “resistenza alla trazione” o anche a “l’ultimo.,”Se questo stress viene applicato e mantenuto, si verificherà una frattura. Spesso, questo valore è significativamente superiore alla tensione di snervamento (fino al 50-60 percento in più rispetto alla resa per alcuni tipi di metalli). Quando un materiale duttile raggiunge la sua massima resistenza, sperimenta il collo dove l’area della sezione trasversale si riduce localmente. La curva stress-deformazione non contiene sollecitazioni superiori alla resistenza finale. Anche se le deformazioni possono continuare ad aumentare, lo stress di solito diminuisce dopo che è stata raggiunta la forza finale., È una proprietà intensiva; quindi il suo valore non dipende dalla dimensione della provetta. Tuttavia, dipende da altri fattori, come la preparazione del campione, la presenza o meno di difetti superficiali e la temperatura dell’ambiente di prova e del materiale. Le resistenze alla trazione variano da 50 MPa per un alluminio fino a 3000 MPa per acciai ad altissima resistenza.

Carico di snervamento

Il carico di snervamento dell’acciaio a basso tenore di carbonio è 250 MPa.

La resistenza allo snervamento dell’acciaio ad alto tenore di carbonio è di 800 MPa.,

La resistenza allo snervamento della lega di titanio Ti-6Al-4V – Grade 5 è di circa 1100 MPa.

Il punto di snervamento è il punto su una curva stress-deformazione che indica il limite del comportamento elastico e il comportamento plastico iniziale. Il carico di snervamento o stress di snervamento è la proprietà del materiale definita come lo stress in cui un materiale inizia a deformarsi plasticamente mentre il punto di snervamento è il punto in cui inizia la deformazione non lineare (elastica + plastica). Prima del punto di snervamento, il materiale si deformerà elasticamente e tornerà alla sua forma originale quando lo stress applicato viene rimosso., Una volta superato il punto di snervamento, alcune frazioni della deformazione saranno permanenti e non reversibili. Alcuni acciai e altri materiali presentano un comportamento definito fenomeno di snervamento. I carichi di snervamento variano da 35 MPa per un alluminio a bassa resistenza a maggiore di 1400 MPa per acciai ad altissima resistenza.

Modulo di elasticità di Young

Il modulo di elasticità di Young in acciaio a basso tenore di carbonio è di 200 GPa.

Il modulo di elasticità di Young della lega di titanio Ti-6Al-4V – Grade 5 è di circa 114 GPa.,

Il modulo di elasticità di Young è il modulo elastico per sollecitazioni di trazione e compressione nel regime di elasticità lineare di una deformazione uniassiale e viene solitamente valutato mediante prove di trazione. Fino a uno stress limitante, un corpo sarà in grado di recuperare le sue dimensioni sulla rimozione del carico. Le sollecitazioni applicate fanno sì che gli atomi in un cristallo si spostino dalla loro posizione di equilibrio. Tutti gli atomi sono spostati della stessa quantità e mantengono ancora la loro geometria relativa. Quando le sollecitazioni vengono rimosse, tutti gli atomi ritornano alle loro posizioni originali e non si verifica alcuna deformazione permanente., Secondo la legge di Hooke, lo stress è proporzionale alla tensione (nella regione elastica) e la pendenza è il modulo di Young. Il modulo di Young è uguale allo stress longitudinale diviso per lo sforzo.

Durezza dell’acciaio vs Titanio

La durezza Brinell dell’acciaio a basso tenore di carbonio è di circa 120 MPa.

La durezza Brinell dell’acciaio ad alto tenore di carbonio è di circa 200 MPa.

La durezza Rockwell della lega di titanio Ti-6Al-4V – Grade 5 è di circa 41 HRC.,

Il test di durezza Rockwell è uno dei test di durezza di indentazione più comuni, che è stato sviluppato per il test di durezza. In contrasto con il test Brinell, il tester Rockwell misura la profondità di penetrazione di un penetratore sotto un grande carico (carico maggiore) rispetto alla penetrazione fatta da un precarico (carico minore). Il carico minore stabilisce la posizione zero. Il carico principale viene applicato, quindi rimosso mantenendo il carico minore., La differenza tra la profondità di penetrazione prima e dopo l’applicazione del carico principale viene utilizzata per calcolare il numero di durezza Rockwell. Cioè, la profondità di penetrazione e la durezza sono inversamente proporzionali. Il vantaggio principale della durezza Rockwell è la sua capacità di visualizzare direttamente i valori di durezza. Il risultato è un numero adimensionale indicato come HRA, HRB, HRC, ecc., dove l’ultima lettera è la rispettiva scala di Rockwell.

Il test Rockwell C viene eseguito con un penetratore Brale (cono diamantato a 120°) e un carico maggiore di 150 kg.,

Proprietà termiche dell’acciaio vs Titanio

Le proprietà termiche dei materiali si riferiscono alla risposta dei materiali ai cambiamenti della loro temperatura e all’applicazione del calore. Come un solido assorbe energia sotto forma di calore, la sua temperatura aumenta e le sue dimensioni aumentano. Ma diversi materiali reagiscono all’applicazione del calore in modo diverso.

La capacità termica, l’espansione termica e la conduttività termica sono proprietà che sono spesso critiche nell’uso pratico dei solidi.

Punto di fusione di acciaio vs titanio

Punto di fusione di acciaio a basso tenore di carbonio è di circa 1450°C.,

Il punto di fusione della lega di titanio Ti-6Al-4V – Grade 5 è di circa 1660°C.

In generale, la fusione è un cambiamento di fase di una sostanza dalla fase solida a quella liquida. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale si verifica questo cambiamento di fase. Il punto di fusione definisce anche una condizione in cui il solido e il liquido possono esistere in equilibrio.

Conducibilità termica dell’acciaio vs titanio

La conducibilità termica dell’acciaio tipico è di 20 W / (m. K).

La conducibilità termica della lega di titanio Ti-6Al-4V – Grade 5 è 6.7 W/(m.K).,

Le caratteristiche di trasferimento di calore di un materiale solido sono misurate da una proprietà chiamata conducibilità termica, k (o λ), misurata in W/m.K. È una misura della capacità di una sostanza di trasferire calore attraverso un materiale per conduzione. Si noti che la legge di Fourier si applica per tutta la materia, indipendentemente dal suo stato (solido, liquido o gas), quindi, è anche definita per liquidi e gas.

La conduttività termica della maggior parte dei liquidi e dei solidi varia con la temperatura. Per i vapori, dipende anche dalla pressione., In generale:

La maggior parte dei materiali sono quasi omogenei, quindi di solito possiamo scrivere k = k (T). Definizioni simili sono associate alle conduttività termiche nelle direzioni y e z (ky, kz), ma per un materiale isotropico la conduttività termica è indipendente dalla direzione di trasferimento, kx = ky = kz = k.