Carburizzazione a bassa temperatura e comportamento a fatica dell’acciaio

In questo articolo sono riportati alcuni dei principali risultati sul comportamento a fatica degli acciai austenitici trattati con carburazione a bassa temperatura, compresi diversi approcci utili per la previsione della vita a fatica in presenza di tensioni residue di compressione.

Verso un modello comune

Gli acciai inossidabili austenitici quali, ad esempio, AISI 316 e 316L, sono ampiamente utilizzati nell’industria chimica, nucleare, alimentare e farmaceutica e nelle applicazioni biomediche, principalmente per la loro eccellente resistenza alla corrosione.

È risaputo che gli acciai inossidabili austenitici hanno buone proprietà meccaniche in termini di resistenza e duttilità, ma una bassa durezza e quindi una scarsa resistenza all’usura. I tentativi fatti negli ultimi anni di progettare la superficie di questi acciai per migliorare la loro durezza e le loro proprietà tribologiche, senza deteriorarne la resistenza alla corrosione, hanno avuto l’effetto secondario di modificarne le proprietà di fatica.
Una possibilità di intervenire per evitare questo fenomeno è fornita da alcuni processi sviluppati negli anni ’80 che consistono in una carburizzazione a bassa temperatura (Low Temperature Carburising o LTC), che comporta la diffusione di grandi quantità di atomi di carbonio nel materiale ad una temperatura di diffusione inferiore a 450 °C per prevenire la formazione di carburi di cromo indesiderati ed il degrado della resistenza alla corrosione.

Alcuni studi dimostrano che la fase prodotta dalla nitrurazione, chiamata fase “S“, ha una struttura austenitica FCC altamente distorta e disordinata, a causa della formazione di difetti convergenti e di elevate sollecitazioni di compressione. In questo step un’elevata quantità di carbonio disciolto nell’austenite provoca l’espansione e la distorsione dei reticoli di FCC di circa il 3% nello strato cementato, come nello strato nitrurato. Il contenuto di carbonio raggiunge il 10% sulla superficie e diminuisce gradualmente fino a zero in poche decine di micron verso l’interfaccia del nucleo dello strato, esibendo un profilo di concentrazione di carbonio di tipo di diffusione.

A causa della bassa temperatura, questi trattamenti richiedono tempi di diffusione lunghi da 35 a 100 ore per raggiungere uno strato cementato di poche decine di μm.

Il valore della micro durezza è piuttosto elevato se confrontato con i valori ottenibili con altri trattamenti: in letteratura è indicata una durezza che varia da 950 a 1200 HV a seconda dei diversi carichi applicati negli esperimenti. La Figura 1 mostra un tipico profilo di micro-durezza ottenuto utilizzando un penetratore Vickers con carico di 10g (HV0,01) su sezioni trasversali metallurgiche di campioni AISI trattati con 316 LTC.

Questo miglioramento della durezza, che è l’obiettivo primario del trattamento LTC, è principalmente (ma non solo) dovuto alle tensioni residue indotte dalla sovrasaturazione del carbonio.

Molti autori hanno utilizzato la diffrazione a raggi X per misurare le tensioni residue biassiali nello strato LTC. I loro valori dipendono dal diverso processo di carburizzazione impiegato e vanno da un minimo di 1450 MPa fino a -2400 MPa. La profondità dello strato caratterizzato da questa tensione residua di compressione dipende principalmente dal tempo di trattamento ed è dell’ordine di alcune decine di micron.

Lo scopo di questa ricerca è stato quello di trovare un modello fenomenologico del comportamento a fatica di questi materiali dopo la carburazione, al fine di prevedere il miglioramento della loro vita a fatica a causa della presenza di tensioni residue così elevate.

 

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