Guida dell'ingegnere ai metalli: Selezione e applicazione

Acciaio al carbonio e acciaio legato

Acciaio al carbonio

(1) Classificazione dell'acciaio al carbonio

1) L'acciaio al carbonio può essere classificato in due tipi principali in base alla sua applicazione: acciaio strutturale al carbonio e acciaio per utensili al carbonio.

L'acciaio strutturale al carbonio è utilizzato per produrre diverse strutture ingegneristiche e parti di macchine. L'acciaio al carbonio utilizzato per le strutture ingegneristiche è tipicamente un acciaio a basso tenore di carbonio, che ha un'eccellente saldabilità e generalmente non viene trattato termicamente, essendo utilizzato allo stato laminato a caldo.

L'acciaio al carbonio per le parti di macchina contiene solitamente meno di 0,6% di carbonio in peso e ha buone proprietà meccaniche, che richiedono un trattamento termico prima dell'uso.

L'acciaio da utensili al carbonio è utilizzato per realizzare vari utensili da taglio, strumenti di misura e stampi. Ha un contenuto di carbonio più elevato e, dopo un adeguato trattamento termico, presenta un'elevata forza, durezza e resistenza all'usura.

2) In base al contenuto di carbonio, l'acciaio al carbonio può essere suddiviso in tre categorie:

• Acciaio a basso tenore di carbonio: C<0,25%;
• Acciaio a medio tenore di carbonio: C=0,25% a 0,60%;
• Acciaio ad alto tenore di carbonio: C>0,60%.

3) In base alle diverse percentuali di zolfo (S) e fosforo (P), l'acciaio al carbonio può essere classificato in quattro gradi:

• Acciaio ordinario: S≤0,050%, P≤0,045%;
• Acciaio di qualità: S≤0,035%, P≤0,035%;
• Acciaio di alta qualità: S≤0,020%, P≤0,030%;
• Acciaio di qualità superiore: S≤0,015%, P≤0,025%.

4) Classificazione in base al metodo di fusione.

In base al tipo di forno utilizzato per la fusione, l'acciaio al carbonio può essere suddiviso in acciaio a cielo aperto, acciaio da convertitore e acciaio da forno elettrico. In base al processo di disossidazione durante la fusione, l'acciaio al carbonio può anche essere classificato in acciaio ucciso, acciaio semi-ucciso, acciaio cerchiato e acciaio speciale ucciso.

Gradi, proprietà e applicazioni dell'acciaio al carbonio

1) Acciaio strutturale al carbonio generico. Conosciuto anche come acciaio strutturale al carbonio, il suo grado è composto dalla lettera che rappresenta il carico di snervamento (Q), dal valore numerico del carico di snervamento, dai simboli del grado di qualità e dai simboli del metodo di disossidazione, nell'ordine, come Q235AF. Esempi di gradi, composizioni chimiche, proprietà meccaniche e applicazioni degli acciai strutturali al carbonio generici sono riportati nella Tabella 1-5.

2) Acciaio strutturale al carbonio di qualità. Il grado dell'acciaio strutturale al carbonio di qualità è indicato da due cifre, che rappresentano il contenuto medio di carbonio nell'acciaio in percentuale di dieci millesimi.

Ad esempio, l'acciaio 45 indica un acciaio strutturale al carbonio di qualità con un contenuto medio di carbonio di 0,45%. Esempi di gradi, composizioni chimiche, proprietà meccaniche e applicazioni degli acciai strutturali al carbonio di qualità sono riportati nella Tabella 1-6.

Tabella 1-5: Gradi, composizione chimica, proprietà meccaniche ed esempi di applicazioni per gli acciai strutturali al carbonio generici

Nota:

1. Simboli nella tabella: A, B, C, D rappresentano i gradi di qualità; F rappresenta l'acciaio bollente; Z rappresenta l'acciaio ucciso; TZ rappresenta l'acciaio speciale ucciso.

2. δ₅ indica che la lunghezza del calibro del provino di trazione è cinque volte il suo diametro, cioè L ₀ =5d₀ .

Tabella 1-6: Gradi, composizione chimica, proprietà meccaniche ed esempi di applicazione di acciai strutturali al carbonio di alta qualità

3) Acciai da utensili al carbonio.

I gradi degli acciai da utensili al carbonio sono indicati con la lettera T seguita da un numero. La lettera T sta per acciaio per utensili al carbonio, mentre il numero indica il contenuto medio di carbonio nell'acciaio, espresso in millesimi.

Ad esempio, T10 rappresenta un acciaio per utensili al carbonio con un contenuto medio di carbonio di 1,0%. Gli acciai da utensili al carbonio di qualità superiore sono indicati con una "A" dopo il numero di grado, ad esempio T10A. Per informazioni dettagliate sui gradi, la composizione chimica, le proprietà meccaniche e le applicazioni degli acciai da utensili al carbonio, vedere la Tabella 1-7.

Tabella 1-7: Gradi, composizione chimica, proprietà meccaniche e applicazioni degli acciai al carbonio per utensili

Acciaio legato

L'acciaio legato, una forma avanzata di acciaio al carbonio, è potenziato dall'aggiunta di alcuni elementi di lega, che ne migliorano l'utilità e la lavorabilità.

Gli elementi di lega comunemente aggiunti includono manganese, silicio, cromo, nichel, molibdeno, tungsteno, vanadio, titanio, boro e terre rare. Questi elementi possono migliorare le proprietà meccaniche complessive dell'acciaio, la temprabilità, la stabilità termica e la resistenza alla corrosione.

(1) Il ruolo degli elementi di lega nell'acciaio

1) Rafforzamento in soluzione solida: La maggior parte degli elementi di lega può dissolversi nella ferrite in misura variabile, aumentando così la resistenza e la durezza dell'acciaio e riducendone la plasticità e la tenacità.

Alcuni elementi di lega, come Mn, Cr e Ni, se correttamente dosati, possono non solo rafforzare la ferrite, ma anche migliorare la tenacità dell'acciaio, conferendogli così eccellenti proprietà meccaniche complessive.

2) Rafforzamento della fase secondaria: Quando l'affinità dell'elemento di lega con il carbonio è maggiore di quella del ferro con il carbonio, può non solo dissolversi nella ferrite, ma anche formare carburi e carburi di lega. Tutti questi componenti hanno un'elevata resistenza e stabilità, migliorando così la forza, la durezza e la resistenza all'usura dell'acciaio.

3) Raffinamento dei grani: Elementi come V, Ti, Nb, Zr, che formano forti carburi, e Al, che forma forti nitruri, possono creare particelle stabili di carburo e nitruro. Queste particelle inibiscono la crescita dei grani di austenite e affinano i grani di ferrite. Gli acciai a grana fine hanno proprietà meccaniche superiori, in particolare migliorano significativamente la tenacità dell'acciaio.

4) Aumento della temprabilità dell'acciaio: Ad eccezione del Co, tutti gli elementi di lega che si dissolvono nell'austenite possono aumentare la stabilità dell'austenite superraffreddata, spostando la curva di trasformazione isoterma verso destra e riducendo la velocità critica di raffreddamento dell'acciaio.

Pertanto, è possibile ottenere una maggiore profondità dello strato indurito quando si raffredda con lo stesso mezzo di tempra, oppure, quando si desidera la stessa profondità dello strato indurito, è possibile utilizzare un mezzo di tempra con una capacità di raffreddamento inferiore per ridurre le sollecitazioni di tempra nel pezzo, riducendo al minimo le deformazioni e le cricche.

5) Migliorare la resistenza alla tempra dell'acciaio: Gli elementi di lega hanno un impatto significativo sul processo di tempra dell'acciaio.

In generale, gli elementi di lega rendono la martensite meno incline alla decomposizione durante il rinvenimento, ostacolano la crescita dei carburi e aumentano la temperatura a cui avvengono queste trasformazioni. Ciò rallenta la riduzione della durezza dell'acciaio all'aumentare della temperatura di rinvenimento, aumentando così la resistenza alla tempra.

6) Dare all'acciaio alcune proprietà speciali: Quando all'acciaio viene aggiunta una certa quantità di elementi di lega specifici, la struttura e le proprietà dell'acciaio subiscono cambiamenti unici, dando vita ad acciai legati con proprietà speciali, come l'acciaio inossidabile, l'acciaio resistente al calore e l'acciaio resistente all'usura.

(2) Tipi di acciaio legato

Gli acciai legati possono essere classificati in: acciai legati strutturali, acciai legati per utensili e acciai per prestazioni speciali, in base al loro utilizzo. In base al contenuto di elementi di lega, gli acciai legati possono essere classificati in acciai debolmente legati (w_M<5%), acciaio mediamente legato (w_M=5%~10%), e acciaio altamente legato (w_M>10%).

(3) Designazioni, proprietà meccaniche e applicazioni degli acciai legati per uso strutturale.

L'acciaio legato strutturale comprende l'acciaio per strutture ingegneristiche e per la produzione di macchinari. Le denominazioni degli acciai legati strutturali sono generalmente composte dalla frazione di massa media di carbonio (espressa in decimillesimi) + simbolo dell'elemento di lega + frazione di massa dell'elemento di lega (espressa in percentuale), anche se esistono eccezioni.

Esempi di denominazioni di acciai legati strutturali comunemente utilizzati, le loro proprietà meccaniche e le loro applicazioni sono riportati nella Tabella 1-8.

Tabella 1-8: Esempi di denominazioni, proprietà meccaniche e applicazioni di acciai legati strutturali comunemente utilizzati

1) Acciaio strutturale ad alta resistenza a bassa lega. Questo tipo di acciaio deriva dall'acciaio a basso tenore di carbonio con l'aggiunta di una piccola quantità di elementi di lega (wM <5%). Generalmente utilizzato nelle strutture ingegneristiche, mantiene una resistenza relativamente bassa, ma possiede eccellenti caratteristiche di plasticità, tenacità e saldabilità. Economico e tipicamente utilizzato in condizioni di laminazione a caldo, subisce un trattamento di normalizzazione quando necessario per aumentarne la resistenza.

L'acciaio strutturale a bassa lega ad alta resistenza è utilizzato principalmente nella produzione di ponti, navi, caldaie, recipienti ad alta pressione, oleodotti e grandi strutture in acciaio.

2) Acciaio legato carburato. L'acciaio legato carburato si riferisce all'acciaio legato utilizzato dopo il trattamento di carburazione. Questo tipo di acciaio ha una frazione di massa di carbonio inferiore (0,15%~0,25%) per garantire che il nucleo del pezzo abbia un'elevata resistenza e tenacità, mentre la superficie, dopo la carburazione e il rinvenimento a bassa temperatura, presenta un'elevata durezza (58~64HRC) e resistenza all'abrasione.

L'acciaio legato carburato è utilizzato principalmente nella produzione di parti che richiedono un'elevata resistenza all'usura e un carico dinamico, come gli ingranaggi delle trasmissioni di automobili e trattori, gli alberi a camme dei motori a combustione interna, ecc. Gli acciai legati carburati comunemente utilizzati sono 15Cr, 20Cr, 20CrMnTi e altri.

3) Acciaio legato temperato. Questo tipo di acciaio ha generalmente un contenuto di carbonio di 0,25%~0,45%. Dopo la tempra e il rinvenimento ad alta temperatura (rinvenimento), sviluppa una struttura di sorbite temperata, che conferisce all'acciaio una buona combinazione di elevata resistenza e tenacità.

È utilizzato principalmente per la produzione di parti che sopportano carichi alternati significativi e varie sollecitazioni complesse, come bielle, alberi di trasmissione, mandrini di macchine utensili, ingranaggi, camme, ecc. Gli acciai legati temprati comunemente utilizzati sono 40Cr, 35CrMo, 40CrNiMo e altri.

4) Acciaio per molle in lega. L'acciaio legato per molle si riferisce al tipo di acciaio legato utilizzato nella produzione di varie molle e componenti elastici. Questo tipo di acciaio ha generalmente una frazione di massa di carbonio di 0,50%-0,65% e contiene elementi di lega come Mn, Si, Cr e V.

Dopo la tempra e il rinvenimento a media temperatura, sviluppa una struttura di troostite temperata, con un elevato limite elastico e un elevato carico di snervamento. Gli acciai legati per molle comunemente utilizzati sono, tra gli altri, il 65Mn e il 50CrV.

(4) Gradi, proprietà meccaniche e applicazioni degli acciai legati per utensili

L'acciaio per utensili legato, che comprende l'acciaio per utensili da taglio, l'acciaio per stampi e l'acciaio per utensili di misura, si forma aggiungendo elementi di lega all'acciaio per utensili al carbonio. I gradi degli acciai per utensili legati sono generalmente composti dalla frazione di massa media di carbonio nell'acciaio (espressa in permillage) + il simbolo dell'elemento di lega + il contenuto dell'elemento di lega.

Se la frazione di massa di carbonio supera 1,0%, non è indicata nel grado. Nella Tabella 1-9 sono riportati esempi di qualità, stato di trattamento termico e applicazioni degli acciai legati per utensili comunemente utilizzati.

1) Acciaio da taglio in lega. Gli acciai legati per utensili da taglio sono utilizzati per la produzione di vari utensili da taglio, come utensili da tornio, frese, punte da trapano, maschi, matrici, ecc. Gli acciai legati per utensili da taglio comunemente utilizzati sono l'acciaio da taglio basso legato e l'acciaio per utensili ad alta velocità.

L'acciaio da taglio basso legato ha tipicamente una frazione di massa di carbonio (w_C) da 0,75% a 1,45%. Il processo di trattamento termico prevede la tempra e il rinvenimento a bassa temperatura. La temperatura massima di esercizio di questo tipo di acciaio non supera i 300°C.

Viene utilizzato solo per la produzione di utensili da taglio a bassa velocità o con requisiti di elevata resistenza all'usura, come pialle, maschi, matrici, punte da trapano, ecc. I gradi più comuni di acciaio da taglio basso legato sono 9SiCr, CrWMn e altri.

L'acciaio per utensili ad alta velocità è un tipo di acciaio legato ad alto tenore di carbonio, con una frazione di massa di carbonio (w_C) da 0,7% a 1,6% e contiene una grande quantità di W, Cr, Mo, V e altri elementi di lega. Il trattamento termico dell'acciaio per utensili ad alta velocità prevede la tempra seguita da un rinvenimento multiplo ad alta temperatura, con conseguente formazione di martensite temprata e struttura di carburo.

Dopo il normale rinvenimento, la durezza è generalmente di 63~66HRC, dimostrando una buona resistenza al calore. Gli utensili in acciaio per utensili ad alta velocità mantengono una durezza elevata di circa 60HRC a una temperatura di taglio di 600°C e sono quindi adatti al taglio ad alta velocità. I gradi più comuni sono W18Cr4V, W6Cr5Mo4V2 e altri.

Tabella 1-9: Esempi di comuni gradi di acciaio legato per utensili, condizioni di trattamento termico e applicazioni

2) Acciaio per stampi in lega. Gli acciai per stampi in lega si dividono in acciai per stampi per lavorazione a caldo e acciai per stampi per lavorazione a freddo.

L'acciaio per stampi per lavorazioni a caldo viene utilizzato per la produzione di vari stampi per forgiatura a caldo, stampi per estrusione a caldo e stampi per pressofusione, ecc. con una temperatura superficiale della cavità superiore a 600℃ durante il funzionamento; l'acciaio per stampi per lavorazioni a freddo viene utilizzato per la produzione di vari stampi per punzonatura a freddo, stampi per intestazione a freddo, stampi per estrusione a freddo e stampi per trafilatura, ecc. con una temperatura di lavoro non superiore a 300℃.

L'acciaio per stampi per la lavorazione a freddo ha una frazione di massa di carbonio w_c ≥1,0% e gli elementi di lega aggiunti possono rafforzare la matrice, formare carburi e migliorare la durezza e la resistenza all'usura dell'acciaio. Dopo la tempra e il rinvenimento a bassa temperatura, gli acciai per stampi per la lavorazione a freddo ottengono una martensite temprata e una struttura di carburi granulari. Gli acciai per stampi per la lavorazione a freddo comunemente utilizzati includono Cr12, Cr12MoV, ecc.

La frazione di massa di carbonio dell'acciaio per stampi per lavorazione a caldo è generalmente 0,3%~0,6%, e gli elementi di lega aggiunti possono migliorare la temprabilità, la resistenza al calore e la resistenza alla fatica termica dell'acciaio.

Dopo la tempra e il rinvenimento ad alta o media temperatura, l'acciaio per stampi da lavoro a caldo ottiene una struttura di sorbite o troostite temperata. Gli acciai per stampi da lavoro a caldo comunemente utilizzati sono 5CrNiMo, 3Cr2W8V, ecc.

(5) Acciai speciali ad alte prestazioni

Gli acciai a prestazioni speciali si riferiscono ad acciai con proprietà d'uso uniche. Esistono molti tipi di acciai speciali, ma in questa sezione ci limiteremo a presentare quelli comunemente utilizzati nell'industria meccanica: l'acciaio inossidabile, l'acciaio resistente al calore e l'acciaio resistente all'usura.

1) Acciaio inossidabile.

Per acciaio inossidabile si intende un acciaio in grado di resistere agli agenti atmosferici o corrosivi. I tipi più comuni includono l'acciaio inossidabile martensitico 12Cr13, l'acciaio inossidabile ferritico 10Cr17 e l'acciaio inossidabile austenitico 18-8 al cromo-nichel.

L'acciaio inossidabile martensitico è spesso utilizzato per prodotti che richiedono elevate proprietà meccaniche e una resistenza alla corrosione relativamente bassa; l'acciaio inossidabile ferritico è ampiamente utilizzato nelle industrie dell'acido nitrico, dei fertilizzanti azotati e dell'acido fosforico, nonché come materiale resistente all'ossidazione ad alte temperature; l'acciaio inossidabile austenitico è il tipo di acciaio inossidabile più utilizzato nell'industria, ma è necessario prevenire la corrosione intergranulare.

2) Acciaio resistente al calore.

Per acciaio resistente al calore si intende un acciaio che mantiene un'elevata stabilità chimica e resistenza termica alle alte temperature. La stabilità chimica si riferisce alla capacità dell'acciaio di resistere a varie corrosioni chimiche alle alte temperature, mentre la resistenza termica si riferisce alle prestazioni di resistenza dell'acciaio alle alte temperature.

Gli acciai resistenti al calore comunemente utilizzati sono l'acciaio perlitico resistente al calore, l'acciaio martensitico resistente al calore e l'acciaio austenitico resistente al calore.

L'acciaio perlitico resistente al calore opera a temperature di 450-550°C ed è utilizzato principalmente per la produzione di parti con piccoli carichi in dispositivi di potenza, come i tubi di acciaio delle caldaie; l'acciaio martensitico resistente al calore opera a temperature di 550-600°C ed è utilizzato principalmente per la produzione di pale di turbine, valvole di scarico di motori diesel, ecc. Gli acciai resistenti al calore più comuni sono il 12Cr1MoV, il 42Cr9Si2 e il 4Cr13Ni8Mn8MoVNb.

3) Acciaio resistente all'usura.

L'acciaio resistente all'usura si riferisce generalmente all'acciaio ad alto tenore di manganese che subisce un indurimento da impatto sotto carichi d'urto. I suoi componenti principali sono: w _c =1,0%-1,3%, w _Mn =11%-14%. Viene fuso in forma e, dopo il trattamento termico, ottiene una struttura interamente austenitica, che presenta buone caratteristiche di tenacità e resistenza all'usura.

Gli acciai comuni ad alto tenore di manganese sono ZGMn13, ZGMn13Cr2, ecc. L'acciaio ad alto tenore di manganese è ampiamente utilizzato nella produzione di parti che sopportano grandi impatti o pressioni, come le benne degli escavatori, i cingoli dei serbatoi, ecc. Inoltre, l'acciaio ad alto tenore di manganese non è fragile nei climi freddi, il che lo rende adatto all'uso nelle regioni fredde.

Metalli non ferrosi e leghe

Alluminio e leghe di alluminio

L'alluminio puro ha un colore bianco-argento, una struttura cristallina cubica a facce centrate e nessuna trasformazione allotropica. È caratterizzato da un basso punto di fusione (660℃), bassa densità (2,7g/cm³), bassa resistenza (σ_b=80MPa), elevata plasticità (ψ=80%) ed eccellente conducibilità elettrica e termica.

Per questo motivo, l'alluminio puro non è adatto a strutture portanti. Viene utilizzato principalmente per la produzione di fili, cavi, utensili con requisiti di bassa resistenza e varie leghe di alluminio. L'alluminio puro è chimicamente attivo e tende a formare una pellicola di ossido robusta e densa sulla sua superficie, che gli conferisce una buona resistenza alla corrosione in aria e acqua dolce.

Le leghe di alluminio possono essere suddivise in leghe di alluminio deformate e leghe di alluminio fuse in base alle loro caratteristiche di lavorazione. La Figura 1-41 mostra un diagramma di classificazione delle leghe di alluminio. Le leghe a sinistra del punto D, una volta riscaldate, si presentano come soluzioni solide monofase con buona plasticità, adatte alla lavorazione a pressione.

Queste leghe sono definite leghe di alluminio deformate. Le leghe a destra del punto D, che contengono una frazione di massa maggiore di elementi di lega e hanno strutture eutettiche, presentano temperature di fusione più basse e una buona fluidità, che le rende adatte alla colata. Queste leghe sono denominate alluminio fuso leghe.

Le leghe di alluminio deformate sono tipicamente trasformate in vari prodotti semilavorati come lamiere, barre, tubi, fili, profili e fucinati. Tra le leghe di alluminio deformate, quelle delle serie Al-Mg e Al-Mn hanno per lo più una struttura monofasica e non possono essere rafforzate dal trattamento termico. Sono caratterizzate da una buona resistenza alla corrosione, saldabilità e plasticità, oltre che da eccellenti prestazioni a bassa temperatura.

Queste proprietà le rendono promettenti in settori come quello aerospaziale. Le leghe delle serie Al-Cu-Mg e Al-Cu-Mn hanno una forte capacità di indurimento per invecchiamento e un'elevata resistenza, ma la loro resistenza alla corrosione e saldabilità sono inferiori. Sono utilizzate principalmente come componenti strutturali. Le leghe della serie Al-Mg-Cu-Zn hanno la più alta resistenza a temperatura ambiente tra le leghe di alluminio, ma si rammolliscono rapidamente alle alte temperature e hanno una scarsa resistenza alla corrosione.

Sono utilizzate principalmente per strutture e parti importanti sottoposte a carichi pesanti. Le leghe della serie Al-Mg-Si-Cu e Al-Cu-Mg-Fe-Ni hanno una buona termoplasticità, colabilità e proprietà meccaniche relativamente elevate. Sono utilizzate principalmente per parti complesse di aerospaziali e strumenti e possono essere utilizzate anche come leghe resistenti al calore.

Le leghe di alluminio delle serie Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mn, Al-Mg-Cu-Zn, Al-Mg-Si-Cu e Al-Cu-Mg-Fe-Ni possono essere rinforzate mediante trattamento termico. Esempi di leghe di alluminio deformate comunemente utilizzate, con la loro composizione chimica, le loro proprietà meccaniche e i loro impieghi, sono riportati nella Tabella 1-10.

Tabella 1-10: Esempi di leghe di alluminio deformate comunemente utilizzate, comprese le denominazioni, le composizioni chimiche, le proprietà meccaniche e le applicazioni.

Nota: M-ricottura; CZ-tempra + invecchiamento naturale; CS-tempra + invecchiamento artificiale.

Rame e leghe di rame

Il rame puro ha una densità di 8,94 g/cm³ e un punto di fusione di 1083℃. Ha una struttura cristallina cubica a facce centrate e non presenta allotropia. Il rame puro presenta una buona conducibilità elettrica, termica e resistenza alla corrosione. Sebbene il rame puro abbia una buona duttilità, la sua forza e la sua durezza sono basse, rendendolo inadatto all'uso diretto come materiale strutturale.

Viene spesso utilizzato per produrre materiali conduttivi e termoconduttivi, dispositivi resistenti alla corrosione e può anche servire come materia prima per la produzione di leghe di rame. Il rame puro non può essere rafforzato attraverso un trattamento termico. A seconda delle diverse composizioni chimiche, le leghe di rame possono essere suddivise in tre categorie: ottone, bronzo e rame bianco.

(1) Ottone

Le leghe di rame con lo zinco come elemento primario di lega sono denominate ottone. A seconda della composizione chimica, l'ottone può essere suddiviso in ottone semplice e ottone speciale. L'ottone semplice è una lega binaria di rame e zinco. Quando la frazione di massa dello zinco è compresa tra 30% e 32%, la sua struttura è una soluzione solida cubica α a facce centrate, nota come ottone monofase.

Questo tipo di ottone ha eccellenti caratteristiche di forgiatura, saldabilità e buona capacità di stagnatura. Quando la frazione di massa dello zinco supera i 32% (ma non più di 45%), la sua struttura è una struttura bifasica α+β, nota come ottone bifasico.

Questo ottone ha una buona duttilità alle alte temperature, adatta alla lavorazione a caldo. La denominazione dell'ottone ordinario è composta da "H+numero", dove H sta per ottone e il numero indica la frazione di massa del rame. Ad esempio, H80 è l'ottone ordinario contenente 80% di rame e 20% di zinco.

L'ottone speciale si forma aggiungendo altri elementi di lega alla lega rame-zinco. Oltre allo zinco, gli elementi di lega più comuni includono piombo, alluminio, manganese, stagno, ferro, nichel, silicio, ecc. L'aggiunta di questi elementi di lega migliora la forza, la resistenza alla corrosione e all'usura dell'ottone.

A seconda degli elementi di lega primaria aggiunti, l'ottone speciale può essere suddiviso in ottone al piombo, ottone all'alluminio, ottone al manganese, ecc. La designazione dell'ottone speciale consiste in "H+ simbolo dell'elemento di lega primario + frazione di massa di rame + frazione di massa dell'elemento di lega primario".

Ad esempio, HPb59-1 rappresenta un ottone speciale con una frazione di massa di 59% di rame e 1% di piombo, mentre il resto è zinco. Le denominazioni, le composizioni chimiche, le proprietà meccaniche e gli esempi di applicazioni dell'ottone comunemente utilizzato sono riportati nella Tabella 1-11.

(2) Bronzo

Il bronzo si riferisce alle leghe di rame con elementi di lega principali diversi da Zn e Ni. La sua designazione è composta da "Q+ simbolo dell'elemento di lega primario + frazione di massa dell'elemento di lega primario". Se si tratta di bronzo fuso, si aggiunge una "Z" prima della denominazione. Il bronzo può essere suddiviso in bronzo ordinario e bronzo speciale.

Tabella 1-11: Denominazioni rappresentative, composizioni chimiche, proprietà meccaniche e applicazioni esemplificative di leghe di alluminio deformate comunemente utilizzate

Il bronzo ordinario si riferisce al bronzo allo stagno, con lo stagno (Sn) come elemento primario di lega. La frazione di massa di Sn è fondamentale per le prestazioni del bronzo allo stagno. Il bronzo allo stagno con una frazione di massa di Sn compresa tra 5% e 7% presenta la migliore plasticità, adatta alla lavorazione per deformazione a freddo e a caldo. Il bronzo allo stagno con una frazione di massa di Sn superiore a 10% ha un'elevata resistenza ma una scarsa plasticità, adatta solo alla fusione.

Il bronzo allo stagno presenta un'eccellente resistenza alla corrosione nell'atmosfera, nell'acqua di mare e nelle soluzioni saline inorganiche, ma presenta una resistenza più scarsa all'ammoniaca, all'acido cloridrico e all'acido solforico.

Il bronzo speciale si riferisce al bronzo che non contiene Sn. A seconda dell'elemento di lega primario, può essere suddiviso in bronzo all'alluminio, bronzo al berillio, bronzo al silicio, ecc. Il bronzo all'alluminio ha una frazione di massa di alluminio compresa tra 5% e 10%, un'elevata stabilità chimica, una buona resistenza alla corrosione e all'usura, una maggiore forza e plasticità e una buona lavorabilità.

È utilizzato principalmente per parti ad alta resistenza all'usura che lavorano in acqua di mare o ad alte temperature. Il bronzo al berillio ha una frazione di massa di berillio compresa tra 1,7% e 2,5%. Può essere sottoposto a rafforzamento in soluzione e a indurimento per invecchiamento, e possiede elevata resistenza, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e conducibilità elettrica e termica.

Ha anche proprietà speciali come l'antimagnetismo e l'assenza di generazione di scintille in caso di urto, utilizzate principalmente per gli elementi elastici degli strumenti di precisione e per le parti antideflagranti dei motori. Il bronzo al silicio ha una frazione di massa di silicio compresa tra 3% e 4,6%, con proprietà meccaniche superiori rispetto al bronzo allo stagno e buone prestazioni di fusione e lavorazione a freddo/caldo.

L'aggiunta di nichel al bronzo al silicio può migliorarne significativamente la forza e la resistenza all'usura; viene utilizzato principalmente nell'industria aeronautica e nelle linee telefoniche aeree a lunga distanza, nelle linee elettriche, ecc. Il numero di marca, la composizione chimica, le proprietà meccaniche e gli esempi di applicazioni del bronzo comunemente utilizzato sono riportati nella Tabella 1-12.

(3) Nichel Argento

L'argento al nichel, noto anche come rame bianco, si riferisce a una categoria di leghe di rame composte principalmente da nichel. Si divide in due tipi: alpacca ordinaria e alpacca speciale.

Tabella 1-12: Esempi di gradi di bronzo comuni, composizioni chimiche, proprietà meccaniche e impieghi

L'alpacca ordinaria, contenente solo rame e nichel, possiede una buona resistenza e un'eccellente plasticità. Può essere sottoposto a lavorazioni a pressione sia a freddo che a caldo. La sua resistenza alla corrosione è eccellente e presenta un'elevata resistività elettrica con un piccolo coefficiente di resistenza alla temperatura.

Viene utilizzato principalmente per la produzione di parti di strumenti navali, parti di macchinari chimici e apparecchiature mediche, tra gli altri. Il grado dell'argento al nichel è composto da "B + frazione di massa media di Ni". Ad esempio, B19 rappresenta l'alpacca ordinaria con un contenuto di nichel di 19%.

L'alpacca speciale viene prodotta aggiungendo all'alpacca altri elementi di lega. Le proprietà e gli usi dell'alpacca variano a seconda del tipo di elemento di lega aggiunto. Ad esempio, l'alpacca al manganese con un'elevata frazione di massa di manganese può essere utilizzata per produrre fili per termocoppie, strumenti di misura, ecc. Ad esempio, il BZn15-20 rappresenta un alpacca speciale con un contenuto di silicio di 15% e un contenuto di zinco di 20%.

Titanio e leghe di titanio

Il titanio puro ha una densità di 4,5 g/cm³ e un punto di fusione di 1667°C, in fase di allotropia. Al di sotto degli 882,5°C, il titanio puro ha una struttura cristallina esagonale a pacchetti ravvicinati, nota come α-Ti. Al di sopra degli 882,5°C, presenta una struttura cristallina cubica a corpo centrato, denominata β-Ti.

Il titanio puro (α-Ti) ha un modulo di elasticità relativamente basso, una buona resistenza agli urti, un'elevata forza specifica e un'eccellente plasticità, ma le sue proprietà meccaniche sono estremamente sensibili alle impurità.

Le caratteristiche principali delle leghe di titanio sono l'elevata resistenza, la bassa densità, la buona resistenza al calore e alla corrosione. Tuttavia, hanno una scarsa lavorabilità, sono sensibili all'usura e sono relativamente costose. Le leghe di titanio sono classificate in tipo α (TA), tipo β (TB) e tipo α+β (TC) in base alle loro strutture ricotte.

Esempi di gradi, composizioni chimiche, proprietà meccaniche e utilizzi delle leghe di titanio comunemente utilizzate sono riportati nella Tabella 1-13.

(1) Leghe di titanio di tipo α

La struttura ricotta delle leghe di titanio di tipo α è una soluzione solida α monofase e non può essere rafforzata dal trattamento termico. Queste leghe hanno strutture stabili, eccellente resistenza alla corrosione, buona plasticità e formabilità. Presentano inoltre eccellenti prestazioni di saldatura e proprietà a bassa temperatura.

Sono comunemente utilizzati per produrre pelli di aerei, telai, dischi e pale di compressori di motori, involucri di turbine e contenitori a bassissima temperatura.

Tabella 1-13: Esempi di leghe di titanio comunemente utilizzate, loro composizioni chimiche, proprietà meccaniche e applicazioni

^{①持久强度表示材料在给定温度下经过100h后,试样发生ٜ裂时的应力值。}

(2) Leghe di titanio beta

Le leghe di titanio beta hanno una struttura ricotta in fase beta. Con la tempra si possono ottenere leghe di titanio in fase beta metastabile. Queste leghe possono essere trattate termicamente per aumentarne la resistenza, hanno un'elevata resistenza a temperatura ambiente e buone proprietà di formatura a freddo. Tuttavia, queste leghe hanno una densità elevata, la loro struttura non è sufficientemente stabile e hanno una scarsa resistenza al calore. Le leghe di beta titanio sono utilizzate principalmente per la produzione di componenti aeronautici che non richiedono temperature elevate ma hanno bisogno di un'elevata resistenza, come molle, elementi di fissaggio e componenti a sezione spessa.

(3) Leghe di titanio Alfa + Beta

La struttura ricotta delle leghe di titanio alfa + beta è la fase (alfa + beta), che combina le caratteristiche delle leghe di titanio alfa e beta. Hanno eccellenti proprietà meccaniche complete e sono le leghe di titanio più utilizzate. Ad esempio, la TC4 (Ti-6Al-4V) è ampiamente utilizzata nel settore aerospaziale e in altri settori industriali.