PARTE 1 di 3 – STORIA e STRUTTURA CRISTALLINA
Nei cinque volumi della collana “Geotecnica del terzo millennio” l’acciaio non è mai il protagonista assoluto poiché quel ruolo spetta ai terreni; eppure, vi ricorre in continuazione come termine di paragone, come prova generale o come punto di partenza storico, perché capire come si comporta, a partire dal suo reticolo cristallino, ritengo sia la chiave per decodificare il comportamento, assai più complesso, dei terreni.
In questo articolo ho raccolto e riorganizzato in un unico percorso tutto ciò che ho scritto nei miei libri sull’acciaio: la sua storia industriale, la struttura cristallina che lo governa, il meccanismo microscopico della sua duttilità, il motivo per cui cede per fatica, il modo in cui si rompe per frattura e, infine, il criterio di plasticità che da esso ha preso origine e che ancora oggi si usa, sotto altro nome, per descrivere il comportamento delle argille.
Un secolo di vantaggio sul calcestruzzo
Il calcestruzzo era già noto nell’antichità: se i Fenici lo producevano mescolando calce e sabbia vulcanica, i Romani perfezionarono la tecnica scoprendo le proprietà idrauliche della pozzolana, che gettavano in casseri a perdere. Con la caduta dell’Impero Romano la conoscenza del calcestruzzo andò persa fino a quando, tredici secoli dopo, fu (ri)scoperto da Smeaton nella forma conosciuta come cemento Portland, anche se ci volle ancora un secolo prima che riuscisse ad imporsi sul mercato delle costruzioni e a soppiantare l’acciaio.
La spiegazione di tale ritardo va cercata nel periodo immediatamente successivo alla Rivoluzione Industriale, quando tre innovazioni tecniche resero l’acciaio disponibile a un decimo del costo precedente: l’uso del carbon coke al posto del carbone da legna, l’introduzione nel 1794 della tecnica del puddellaggio (il trattamento siderurgico di ossigenazione e rimescolamento della ghisa che ne migliora duttilità e malleabilità) e, agli inizi dell’Ottocento, il convertitore Bessemer, che eliminava gli eccessi di carbonio e di altre impurità semplicemente soffiando aria nella massa fusa di ghisa grezza.
Ma fu soprattutto la diffusione delle idee liberali dall’Inghilterra al resto d’Europa, con il conseguente aumento demografico e la crescente necessità – anche militare, con Napoleone – di nuove vie di comunicazione, a spingere la costruzione di ponti in ferro e acciaio il cui capostipite è l’Iron Bridge (figura 1), costruito nel 1779 in soli tre mesi con un arco diretto in ghisa, materiale e forma strutturale efficaci soprattutto a compressione.
Figura 1. L’Iron Bridge fu costruito nel 1779 in soli tre mesi, rappresentando il capostipite dei ponti in ferro
Con la diffusione dei ponti metallici si svilupparono anche le prime teorie di calcolo, inizialmente basate sulla ripetizione periodica del triangolo reticolare – un elemento semplicissimo, risolvibile con le sole equazioni della statica – nel quale ogni asta lavora solo a compressione o a trazione e le connessioni sono garantite da semplici cerniere. Un ulteriore salto avanti arrivò nel 1801 con la “Filanda di cotone” di Manchester progettata da Boulton e Watt: un telaio di pilastri e travi a doppio T che anticipava, senza alcun supporto teorico esplicito, la centrifugazione delle masse, le moderne leggi di Young sull’elasticità lineare e la distribuzione delle tensioni negli elementi inflessi (figura 2).
Figura 2. Distribuzione delle tensioni in un elemento inflesso e derivazione geometrica della trave a doppio T (a-b); esempi reali di telai in acciaio in un rinforzo su un ponte ad arco storico e in un viadotto (c-d)
Il legame ferro-carbonio
Al pari del kevlar, del vetro e del calcestruzzo, anche l’acciaio è un materiale artificiale, ma la sua descrizione parte da una struttura interna decisamente più articolata: quella che deriva dall’accoppiamento chimico-fisico tra ferro e carbonio. Per definizione, un acciaio è ottenuto legando al ferro una quantità di carbonio inferiore al 2% in peso, con l’aggiunta di modeste quantità di silicio, manganese, zolfo e fosforo; anzi, dosando opportunamente il tenore di carbonio, e la sua distribuzione nel ferro, è possibile pre-determinare le proprietà del materiale finale.
Su questa base si distinguono cinque grandi famiglie di acciai: gli acciai al carbonio (i più diffusi, a loro volta divisi in extradolci, dolci, semiduri e duri in base al tenore di C, con i primi due chiamati comunemente ferro), gli acciai legati (con vanadio, molibdeno, manganese, silicio o rame, utili ad esempio nei motori a combustione interna), gli acciai debolmente legati ad alta resistenza (con buone prestazioni anche a basse temperature), gli acciai fortemente legati o inossidabili (con cromo dal 12 al 30% e nichel fino al 35%) e gli acciai da utensili, con tungsteno e molibdeno per resistere all’usura nelle lavorazioni ad alta velocità.
Il modo più corretto per capire davvero cosa succede dentro un acciaio in fase di produzione è seguire, nel diagramma di fase ferro-carbonio, le trasformazioni cristalline che avvengono a partire dal raffreddamento di un fuso (figura 3).
Figura 3. In alto: diagramma di fase ferro-carbonio con la “zona degli acciai” (C < 2%) e i campi austenite/ferrite/cementite; in basso: strutture cristalline a corpo centrato (ferrite) e a facce centrate (austenite)
Si tenga conto che la soglia del 2% di carbonio non è arbitraria, in quanto separa gli acciai (C<2%) dalle ghise (2%<C<6,7%) in base al vincolo termodinamico della linea eutettica, a 1147°C, mentre la linea eutettoide, a 723 °C, segna l’ultima trasformazione cristallina, quella che porta alla formazione di ferrite più cementite (il carburo di ferro Fe3C).
Sopra questa soglia il ferro solidifica come austenite (ferro gamma, a facce centrate), mentre sotto diventa ferrite (ferro alfa, a corpo centrato). La differenza tra le due strutture è essenziale, dal momento che la struttura a facce centrate dell’austenite lascia molto più spazio libero per il carbonio (indice di solubilità del 2% a 1147 °C) rispetto a quella a corpo centrato della ferrite (appena lo 0,022%), che quindi espelle quello in eccesso sotto forma di cementite aumentando la resistenza del materiale.
A seconda del tenore di carbonio di partenza, il raffreddamento dell’austenite dà origine a strutture diverse. Con lo 0,83% di carbonio (composizione eutettoide) si ottiene direttamente perlite, una struttura lamellare di ferrite e cementite alternate (figura 4).
Figura 4. a) formazione di perlite a partire da un fuso austenitico allo 0,83% di carbonio; b) microfotografia di austenite e perlite separati da una rete di cementite
Con lo 0,4% si formano prima inclusioni di ferrite ai bordi dei grani austenitici e solo successivamente perlite, dando luogo a una struttura mista di perlite con colonie di ferrite (figura 5).
Figura 5. a) con lo 0,4% di carbonio si formano prima colonie di ferrite ai bordi dei grani austenitici, poi perlite: il risultato è una microstruttura mista; b) acciaio con fasce di perlite (bande scure) e di ferrite (bande schiare) a seguito di un processo di di laminazione a caldo
Se invece il raffreddamento dell’austenite è molto rapido (tempra), il carbonio non fa in tempo a diffondersi e resta intrappolato in una struttura tetragonale a corpo centrato, la martensite, base degli acciai bonificati (temprati e poi rinvenuti fino a circa 600 gradi, sempre sotto la linea eutettoide, in modo da mantenere il carbonio nel reticolo).
Più carbonio, più resistenza, meno duttilità (quasi sempre)
L’aumento del tenore in cementite, ovvero in carbonio, produce un effetto abbastanza intuitivo sulla risposta meccanica dell’acciaio: cresce la resistenza a trazione, cresce il limite di snervamento, cresce anche la rigidezza espressa dal modulo elastico (la pendenza del tratto lineare della curva sforzi-deformazioni), mentre diminuisce l’ampiezza del campo plastico, cioè la duttilità. Un acciaio da costruzione ordinario ha un modulo elastico E di circa 210.000 MPa e un coefficiente di Poisson v di 0,30: valori che nei miei libri tornano spesso come riferimento numerico per il confronto con altri materiali da costruzione, terreni compresi.
Esiste, però, una sottigliezza interessante confrontando due microstrutture specifiche: l’acciaio bonificato (martensite rinvenuta) e la perlite (figura 6).
Figura 6. In alto: resistenza a trazione e limite di snervamento in funzione del tenore di carbonio; in basso: curve sforzi-deformazioni reali di acciaio bonificato, acciai ricotti a diverso tenore di carbonio e, per confronto, ottone
Nel primo caso il carbonio resta intrappolato dentro il reticolo cristallino, imponendo un vincolo cinematico interno all’attivazione delle dislocazioni (le approfondiremo nel secondo dei tre articoli che ho scritto), con aumento della rigidezza che spinge il materiale verso una risposta elastofragile; ma, non essendoci cementite segregata sui bordi dei grani, nulla riesce ad arrestare efficacemente la propagazione delle dislocazioni e delle cricche una volta superata la soglia elastica, con il campo di deformazione plastica che finisce per essere relativamente ampio (si veda, in figura 6, come la curva dell’acciaio bonificato raggiunga la resistenza più alta pur mantenendo un tratto plastico non trascurabile).
Al contrario, nella perlite le lamelle di cementite che separano quelle di ferrite, agiscono da vero e proprio ostacolo alla propagazione di dislocazioni e cricche, tale da ridurre le deformazioni plastiche possibili; ma, proprio perchè il carburo di ferro è una fase separata dal reticolo della ferrite, e non ne fa parte in soluzione, la rigidezza elastica complessiva del materiale ne risulta invece diminuita.
Bibliografia essenziale (altre fonti saranno citate nel terzo ed ultimo articolo)
I miei libri
Di Francesco R., 2012. Introduzione alla Meccanica del Continuo (volume II della collana “Geotecnica del terzo millennio”). Dario Flaccovio Editore, Palermo. ISBN 978-88-579-0157-2.
Di Francesco R., 2013. Introduzione alla Meccanica delle Terre, Parte I: Geologia dei terreni, idraulica e stati di sforzo (volume III della collana “Geotecnica del terzo millennio”). Dario Flaccovio Editore, Palermo. ISBN 978-88-579-0178-7.