Acciaio a medio tenore di carbonio: composizione, proprietà, gradi e usi

Barre in acciaio al carbonio medio

L'acciaio a medio tenore di carbonio è un acciaio legato il cui contenuto di carbonio varia tra lo 0.30 e lo 0.60% in peso. Il carbonio conferisce all'acciaio una maggiore resistenza e una maggiore resistenza alla rottura. Sono presenti altri elementi di lega, come silicio e zolfo, che gli conferiscono resistenza all'usura e lo rendono adatto al trattamento termico, donandogli tenacità per applicazioni come alberi, ingranaggi, assi e per applicazioni durevoli e soggette a carichi pesanti come i componenti ferroviari. 

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Che cos'è l'acciaio a medio tenore di carbonio?

Prima di addentrarci nell'acciaio a medio tenore di carbonio, è importante avere una solida comprensione della classificazione dell'acciaio, che ti aiuterà a chiarire molte confusioni comuni riguardanti i tipi di acciaio e la differenza tra acciaio legato vs acciaio al carbonio. Come potete vedere nella Figura 1, acciaio al carbonio L'acciaio viene ulteriormente classificato in tre sottoclassi principali in base al contenuto di carbonio. L'acciaio a medio tenore di carbonio occupa una posizione intermedia tra queste; pertanto, in un certo senso, colma il divario tra gli acciai a basso e ad alto tenore di carbonio.

Classificazione dell'acciaio

Si tratta di un equivoco comune che suscita molti interrogativi. L'acciaio al carbonio è composto principalmente da ferro e carbonio, con solo piccole quantità di altri elementi che fungono da impurità. Gli acciai legati, invece, contengono intenzionalmente altri elementi metallici aggiunti, come cromo e nichel. 

Gli acciai al carbonio sono progettati per migliorare la resistenza e la durezza per applicazioni strutturali, mentre gli acciai legati sono ottimizzati per ottenere proprietà specifiche come la resistenza alla corrosione e la durabilità. Trova un confronto completo di acciaio legato vs acciaio al carbonio.

Contenuto di carbonio dell'acciaio a medio tenore di carbonio

L'acciaio a medio tenore di carbonio generalmente contiene 0.30-0.60% di carbonio e solitamente dallo 0.60 all'1.65% di manganese. Inoltre, si possono trovare piccole quantità di silicio, zolfo, fosforo, ecc. come impurità. Nella tabella sottostante, è possibile notare chiaramente il posizionamento dell'acciaio a medio tenore di carbonio all'interno della famiglia degli acciai al carbonio, sia dal punto di vista quantitativo che qualitativo.

Tabella 1: Confronto tra acciaio a medio tenore di carbonio, altri acciai al carbonio e ghisa.

Si può notare che sia l'acciaio a basso che ad alto tenore di carbonio rappresentano semplicemente gli estremi opposti l'uno dell'altro. La teoria è semplice: l'aumento della percentuale di carbonio aumenta la durezza e la resistenza, ma a scapito della duttilità e con una maggiore fragilità. Le proprietà dell'acciaio a medio tenore di carbonio, invece, si mantengono nel mezzo, offrendo una maggiore resistenza rispetto all'acciaio dolce pur rimanendo lavorabile e trattabile termicamente. È inoltre possibile ottenere una visualizzazione più dettagliata degli acciai e della ghisa facendo riferimento a diagrammi di fase ferro-carbonio.

Composizione chimica dell'acciaio a medio tenore di carbonio

Gli acciai a medio tenore di carbonio non sono una singola lega; sono una famiglia di diversi gradi che si trovano nel elenco dei gradi di acciaio legato con composizioni leggermente variabili. Nella tabella sottostante, è possibile trovare le percentuali medie in peso degli elementi più comuni presenti nell'acciaio a medio tenore di carbonio. Gli ingegneri solitamente variano queste composizioni per ottenere proprietà personalizzate.

Tabella 2: Composizione degli elementi di lega comuni dell'acciaio a medio tenore di carbonio

Risposta al trattamento termico dell'acciaio a medio tenore di carbonio

Una proprietà molto speciale dell'acciaio a medio tenore di carbonio è la sua eccellente risposta al trattamento termico, che ci permette di modificarne le proprietà per soddisfare esigenze specifiche. Né gli acciai a basso tenore di carbonio né quelli ad alto tenore di carbonio possiedono questa capacità perché:

• Gli acciai a basso tenore di carbonio non contengono abbastanza carbonio per un'efficace tempra.
• Gli acciai ad alto tenore di carbonio contengono un eccesso di carbonio, pertanto diventano molto fragili e soggetti a fessurazioni durante il trattamento.

Ma l'acciaio a medio tenore di carbonio contiene una percentuale di carbonio moderata e la microstruttura risultante è altamente favorevole alla trasformazione di fase che avviene durante il trattamento termico. Se sottoposti a un trattamento termico adeguato, gli acciai a medio tenore di carbonio possono raggiungere livelli di resistenza paragonabili a quelli degli acciai ad alto tenore di carbonio, offrendo al contempo una maggiore durezza e resistenza all'usura. Ancora più importante, mantengono un'elevata tenacità e presentano un rischio di fessurazione molto basso. Controllando i parametri del processo di trattamento termico, è inoltre possibile ottenere prestazioni personalizzate, rendendo l'acciaio a medio tenore di carbonio un materiale estremamente utile per la lavorazione di precisione dei metalli.

Proprietà dei materiali dell'acciaio a medio tenore di carbonio

Le proprietà uniche dell'acciaio a medio tenore di carbonio derivano non solo dalla quantità di carbonio, ma anche dal modo in cui il carbonio è distribuito all'interno della matrice di ferro. Non si tratta di un semplice schema ordinato di atomi di carbonio all'interno della maggioranza degli atomi di ferro. 

Microstruttura dell'acciaio a medio tenore di carbonio

L'acciaio a medio tenore di carbonio non è costituito da un'unica fase uniforme a temperatura ambiente. La sua microstruttura è composta da una miscela di due fasi, ovvero ferrite e perlite. 

• Fase ferritica: Una fase morbida e duttile. La ferrite è responsabile della duttilità dell'intero materiale.
• Fase perlitica: Una struttura stratificata composta da ferrite e carburo di ferro (cementite). Il carburo di ferro è l'unico elemento in cui è presente il carbonio. La perlite contribuisce principalmente alla resistenza e alla durezza dell'acciaio.

Alla luce della spiegazione precedente, dovrebbe essere chiaro il motivo per cui la resistenza aumenta all'aumentare del contenuto di carbonio. Ciò spiega anche perché l'acciaio a medio tenore di carbonio ha naturalmente una resistenza maggiore rispetto all'acciaio a basso tenore di carbonio, pur rimanendo meno fragile dell'acciaio ad alto tenore di carbonio.

In che modo il trattamento termico modifica la microstruttura?

Forno per trattamento termico

Grazie al trattamento termico, la struttura interna dell'acciaio a medio tenore di carbonio può essere ulteriormente modificata per ottenere proprietà personalizzate. Di seguito viene spiegato in termini semplici cosa accade durante il trattamento termico di un acciaio a medio tenore di carbonio.

• Riscaldamento converte la microstruttura in un'unica fase uniforme. In questa fase, gli atomi di carbonio vengono liberati dalle fasi in cui erano intrappolati e possono ridistribuirsi all'interno della struttura.
• ammollo L'acciaio alla temperatura sopra indicata permette al carbonio di dissolversi completamente e di distribuirsi uniformemente. Il tempo di mantenimento è di fondamentale importanza perché rappresenta uno dei principali parametri di controllo del processo.
• tempra Si tratta di un processo di raffreddamento rapido. Il tempra intrappola improvvisamente gli atomi di carbonio senza dare loro il tempo sufficiente per riorganizzarsi correttamente. Ciò si traduce nella formazione di una fase diversa, che è la martensite. La martensite ha una struttura interna significativamente più dura e resistente.
• tempra La fase finale di riscaldamento a bassa temperatura riduce l'eccessiva fragilità. Questo processo ripristina anche una notevole tenacità, preservando gran parte della resistenza acquisita.

Alcune tecniche di trattamento termico prevedono più fasi di riscaldamento controllato e successivo raffreddamento, in cui è possibile variare parametri di processo come temperatura, tempo e mezzo di tempra per ottenere proprietà specifiche.

Proprietà meccaniche dell'acciaio a medio tenore di carbonio

L'acciaio a medio tenore di carbonio è apprezzato per le sue proprietà meccaniche intrinseche altamente bilanciate, dovute alla sua composizione. Tuttavia, se è necessario incrementare ulteriormente resistenza e durezza, possiamo ottenere questo risultato tramite trattamenti termici, mantenendo al contempo valori accettabili di duttilità e tenacità.

Forza e Durezza

L'acciaio a medio tenore di carbonio offre una buona resistenza e durezza, che generalmente soddisfano i requisiti di componenti soggetti a carichi moderati e resistenti all'usura. Di seguito sono riportati i valori medi di resistenza e durezza degli acciai a medio tenore di carbonio (allo stato normalizzato o laminato a caldo). Questi valori possono variare leggermente in base al tipo di acciaio e alle tecniche di lavorazione.

• Resistenza alla trazione: 550 - 850 MPa
• Resistenza allo snervamento: 350 - 600 MPa
• Durezza Brinell: 170 – 230 HB (può essere elevato fino a 280 – 300+ HB) (dopo trattamento termico)

L'acciaio AISI 1045 è la tipologia più diffusa di acciaio a medio tenore di carbonio. Generalmente presenta una resistenza alla trazione di circa 635 MPa, ma può raggiungere valori intorno ai 900 MPa tramite trattamento termico, risultando quindi adatto per bulloni e alberi in acciaio a medio tenore di carbonio per il settore automobilistico.

duttilità

Gruppo martelletti del pianoforte

Anche se la duttilità diminuisce con l'aggiunta di carbonio, gli acciai a medio tenore di carbonio possono solitamente mantenere una flessibilità utilizzabile con un Allungamento a rottura del 15-25%. valore. Questo è generalmente considerato un valore sufficiente per deformarsi in modo sicuro sotto carichi imprevisti anziché fratturarsi improvvisamente.

Durezza

Gli acciai a medio tenore di carbonio mostrano una buona tenacità allo stato normalizzato. Tuttavia, un'eccessiva tempra o la completa omissione della fase di rinvenimento possono ridurre drasticamente la resistenza all'urto. Per questo motivo, cicli di trattamento termico controllati e adeguati sono fondamentali.

Proprietà fisiche dell'acciaio a medio tenore di carbonio

Un altro enorme vantaggio dell'acciaio a medio tenore di carbonio è che possiede proprietà fisiche ideali per la produzione di componenti industriali. È una scelta eccellente per applicazioni che richiedono resistenza e un comportamento termico prevedibile.

Tabella 3: Proprietà fisiche dell'acciaio a medio tenore di carbonio

Classi e standard dell'acciaio a medio tenore di carbonio

Barre in acciaio al carbonio medio

L'acciaio a medio tenore di carbonio è disponibile in un'ampia gamma di gradi standardizzati, progettati per soddisfare requisiti specifici in termini di resistenza, tenacità e lavorabilità. Questi gradi condividono un contenuto di carbonio simile, ma differiscono principalmente per composizione, processo di lavorazione e trattamento termico. Comprendere queste distinzioni è fondamentale per scegliere il grado più adatto per componenti critici per le prestazioni e per la produzione su misura.

Serie AISI 10xx (acciaio AISI 1045 e altri gradi comuni)

Gli acciai a medio tenore di carbonio più diffusi appartengono alla serie AISI 10xx. Capire questa denominazione è semplice: le prime due cifre rappresentano la classe dell'acciaio e le ultime due indicano la percentuale di carbonio. Ad esempio, decodifichiamo l'acciaio AISI 1045:

• "10" sta per acciaio al carbonio semplice
• "45" rappresenta lo 0.45% di carbonio

Nella Tabella 4 sono elencati alcuni dei tipi più diffusi di acciaio a medio tenore di carbonio. Tra questi, l'acciaio AISI 1045 è il tipo più comune, con numerose applicazioni in una vasta gamma di settori industriali.

Tabella 4: Tipi più comuni di acciaio a medio tenore di carbonio e relative applicazioni

L'acciaio AISI 4140 è un acciaio a medio tenore di carbonio?

L'AISI 4140 è tecnicamente un acciaio a bassa lega, non è acciaio al carbonioA volte viene menzionato nella categoria degli acciai a medio tenore di carbonio poiché contiene dallo 0.38 allo 0.43% di carbonio, il che lo colloca numericamente nella fascia a medio tenore di carbonio.

Tuttavia, l'acciaio AISI 4140 contiene cromo (0.8-1.1%) e molibdeno (0.15-0.25%) come elementi di lega principali intenzionalmente aggiunti. Per questo motivo, è classificato come acciaio legato e non come acciaio al carbonio. L'AISI 4140 offre un'eccellente temprabilità e resistenza alla fatica ed è ampiamente utilizzato per alberi a gomito, ingranaggi e alberi sottoposti a forti sollecitazioni.

Equivalenti internazionali degli acciai a medio tenore di carbonio AISI

Gli acciai a medio tenore di carbonio della serie AISI 10xx sono riconosciuti a livello globale con diverse convenzioni di denominazione. Potreste trovare formati di designazione differenti a seconda degli standard, ma questi gradi sono sostanzialmente equivalenti in termini di contenuto di carbonio e comportamento meccanico.

Tabella 5: Diverse designazioni dell'acciaio a medio tenore di carbonio secondo diverse normative

Come scegliere il giusto tipo di acciaio al carbonio?

Per selezionare un acciaio a medio tenore di carbonio adatto, è fondamentale avere una chiara comprensione dei requisiti ingegneristici. La scelta di un materiale richiede un'approfondita ricerca sul componente per definire con precisione requisiti, limiti, condizioni ambientali e disponibilità finanziaria. I fattori chiave da considerare nella scelta di un acciaio a medio tenore di carbonio sono:

• Requisiti di carico meccanico
• Requisiti relativi all'usura e alle prestazioni superficiali
• Spessore della sezione e temprabilità
• Vincoli di produzione e lavorazione
• Condizioni ambientali e di servizio
• Costo e disponibilità dei materiali

Si raccomanda vivamente di chiedere consiglio e consultare esperti del settore prima di effettuare la scelta definitiva.

Applicazioni dell'acciaio a medio tenore di carbonio

Albero di trasmissione automobilistico

L'eccellente combinazione di proprietà degli acciai a medio tenore di carbonio è molto apprezzata dagli ingegneri nei settori strutturale, meccanico e automobilistico. Per questo motivo, questi acciai sono ampiamente utilizzati in componenti soggetti a sollecitazioni da moderate ad elevate, carichi ciclici e usura. 

Alberi e assi

Ampiamente utilizzato in alberi, semiassi e alberi di trasmissione per autoveicoli grazie all'elevata resistenza alla trazione e alla resistenza alla fatica.

Ingranaggi e giunti

Utilizzato come materiale per ingranaggi, pignoni e giunti meccanici soggetti a elevate sollecitazioni di contatto. 

Componenti forgiati

Comunemente utilizzato in chiavi inglesi, aste e teste di martello grazie all'elevata resistenza, alla resistenza agli urti e alla durata.

Componenti meccanici e macchinari

Ampiamente utilizzato in alberi a gomiti, bielle e componenti di macchinari rotanti soggetti a carichi combinati di torsione e flessione in condizioni di servizio cicliche.

Costruzione e attrezzature pesanti

Bulloni, perni, componenti di sollevamento e connettori strutturali in acciaio a medio tenore di carbonio sono molto diffusi grazie alla loro elevata capacità di carico e alla resistenza all'usura meccanica.

Vantaggi dell'acciaio a medio tenore di carbonio

Proprietà meccaniche bilanciate

Grazie all'eccellente combinazione di proprietà dell'acciaio a medio tenore di carbonio, questo materiale offre contemporaneamente buona resistenza e tenacità. Ciò lo rende particolarmente adatto per componenti portanti che richiedono un'elevata resistenza alla deformazione e tolleranza ai carichi dinamici.

Elevata reattività al trattamento termico

Questo ci permette di manipolare le sue proprietà durante la lavorazione e il trattamento termico. Un vantaggio particolarmente utile di questa proprietà è la possibilità di ottenere superfici dure e resistenti all'usura con un nucleo tenace all'interno. Queste superfici sono ampiamente utilizzate nella produzione di ingranaggi, camme e componenti soggetti a carichi di fatica.

Buona lavorabilità allo stato non trattato 

Gli acciai a medio tenore di carbonio sono facilmente lavorabili prima del trattamento termico. Pertanto, possiamo facilmente lavorarli in varie geometrie prima del trattamento termico finale. Ciò riduce significativamente l'usura degli utensili e i costi di produzione per materiali in acciaio utilizzati nella lavorazione meccanica generale.

Ampia disponibilità e standardizzazione

Poiché la maggior parte degli acciai a medio tenore di carbonio sono standardizzati a livello globale (ad esempio, AISI 1045 e C45 sono la stessa qualità secondo standard diversi) e facilmente reperibili, la selezione del materiale, il controllo qualità e la sostituzione risultano molto semplici.

Efficienza dei costi

L'acciaio a medio tenore di carbonio offre elevate prestazioni meccaniche senza l'aggiunta di costosi elementi di lega. Pertanto, è ampiamente utilizzato nella produzione di componenti ad alto volume, dove gli acciai legati comporterebbero costi superflui e una sovradimensionamento.

Limitazioni dell'acciaio a medio tenore di carbonio

Duttilità inferiore rispetto all'acciaio a basso tenore di carbonio

La formabilità e la formatura a freddo sono piuttosto difficili negli acciai a medio tenore di carbonio a causa della loro elevata percentuale di carbonio.

Saldabilità moderata

Se è necessario eseguire una saldatura, il materiale deve essere preriscaldato e deve essere applicato un adeguato trattamento termico post-saldatura per evitare la formazione di crepe.

Resistenza alla corrosione limitata

L'acciaio a medio tenore di carbonio non è la scelta ideale se l'obiettivo principale è la resistenza alla corrosione. Se è necessario utilizzare questo acciaio in ambienti corrosivi, sono indispensabili rivestimenti o adeguate strategie di protezione superficiale. In caso contrario, si consiglia di valutare acciai alternativi come l'AISI 4140.

Rischio di fragilità dovuto a un trattamento termico incompleto

Una tempra inadeguata o la sua completa assenza potrebbero causare un'eccessiva durezza e una perdita di tenacità, aumentando il rischio di rottura fragile.

Temprabilità inferiore rispetto all'acciaio legato. 

Per sezioni molto spesse, gli acciai al carbonio medio potrebbero non raggiungere una durezza uniforme in tutta la sezione trasversale.

Lavorazione dei metalli personalizzata 

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Conclusione

L'acciaio a medio tenore di carbonio è un'ottima scelta per progetti che richiedono resistenza, tenacità e bassa duttilità. Ad esempio, alberi di trasmissione e assali. Esistono numerose qualità di acciaio a medio tenore di carbonio tra cui scegliere, e alcune possono essere facilmente sottoposte a trattamento termico per migliorarne la tenacità.