TERMICI, TRATTAMENTI
TERMICI, TRATTAMENTI (XXXIII, p. 557; App. II, 11, p. 972)
Nelle voci citate sono ampiamente trattati i processi di tempra, rinvenimento e ricottura degli acciai, secondo i metodi tradizionali e quelli più recentemente introdotti nella pratica industriale, suggeriti dallo studio delle curve ad S, o curve di Bain. Sotto la voce duralluminio (XIII, p. 291), è invece svolto ampiamente l'argomento del t. t. di questa lega, esempio tipico di una estesissima categoria di altre leghe per le quali sono applicabili trattamenti della stessa specie, designati col nome di tempra di soluzione e trattamento di riprecipitazione.
La differenza essenziale tra il t. t. degli acciai e il t. ora ricordato con riferimento al duralluminio, consiste nel fatto che il primo è fondato sulla trasformazione allotropica subita dal ferro, costituente principale della lega, al variare della temperatura. Il secondo tipo di t. è invece fondato sulla variazione della solubilità mutua dei costituenti della lega allo stato solido al variare della temperatura.
Per quanto i processi di tempra e rinvenimento degli acciai abbiano fondamentale importanza nell'industria moderna, per l'enorme diffusione di questi materiali, tuttavia è molto esteso anche il numero delle leghe non ferrose alle quali è applicabile l'altro tipo di t. t., per la presenza in esse dell'accennata variazione della solubilità reciproca dei costituenti al variare della temperatura. Sono inoltre impiegate oggi anche alcune leghe del ferro, che sotto certi aspetti possono ancora considerarsi come acciai speciali, nelle quali si raggiungono particolari caratteristiche grazie a un t. t. di tempra di soluzione e di riprecipitazione del tipo di quello comunemente eseguito sulle leghe non ferrose.
Sono da ricordare, in questo campo, alcune leghe per impieghi ad alte temperature ed alcune leghe per magneti permanenti di alta intensità. Lo stato tipico di distorsione del reticolo cristallino dei grani costituenti una lega, indotto dal trattamento di tempra e di riprecipitazione, è risultato, infatti, utile nelle leghe della prima categoria per attenuare i fenomeni di lento cedimento di tipo viscoso (creep) sotto l'azione di sollecitazioni ad alta temperatura. In alcune leghe della seconda categoria la presenza di quello stato di distorsione reticolare è legata alla possibilità di conseguire più elevati valori della forza coercitiva.
Notevole importanza nella tecnica moderna dei t. t. degli acciai hanno assunto le cosiddette prove di temprabilità. Si tratta di prove intese a fornire un indice di confronto per il comportamento degli acciai nel trattamento di tempra. Dato il carattere essenzialmente pratico di queste prove, è naturalmente necessario, per ottenere risultati attendibili, eseguirle in condizioni rigorosamente costanti, per evitare l'azione di fattori accidentali che potrebbero falsarne la interpretazione.
Si citano, tra queste prove, la prova di temprabilità Jominy e quella di determinazione del cosiddetto diametro critico di un acciaio, che sono oggi diffusamente impiegate. Nella prova Jominy si opera su un provino cilindrico dell'acciaio da studiare di 1″ = 25,4 mm di diametro e di 4″ = 101,6 mm di lunghezza. Il provino viene riscaldato a temperatura sufficiente a portare l'acciaio allo stato austenitico, e successivamente, disposto su un apposito sostegno, viene raffreddato su una faccia terminale per mezzo di un getto d'acqua, che esce da un ugello posto a 1/2″ = 12,7 mm di distanza, come illustrato nella fig. 1. L'acqua deve avere una temperatura di 25 °C, il diametro del tubo dal quale essa esce dev'essere di 1/2″ = 12,7 mm, la velocità d'uscita dev'essere tale che il getto, in assenza del provino, raggiunga un'altezza di 2 ½″ = 63,5 mm. Il getto d'acqua si mantiene invariato per almeno 10′ e poi si immerge il provino in acqua fredda, per completarne il raffreddamento. In questa prova si realizza nel provino, durante il raffreddamento, un flusso di calore praticamente unidirezionale, parallelo al suo asse geometrico. In tal modo ogni straterello elementare della provetta delimitato da due sezioni normali subisce un raffreddamento di rapidità variabile da un massimo, per lo strato colpito direttamente dal getto di acqua, a un minimo, per lo strato adiacente all'estremo superiore della provetta. Con le dimensioni prescritte per il provino, per la maggior parte degli acciai da costruzione, destinati, cioè, ad essere impiegati essenzialmente ai fini della resistenza meccanica alle sollecitazioni, si ottiene uno strato temprato verso l'estremo inferiore, mentre nella zona superiore l'acciaio assume la struttura tipica indotta da una ricottura. Nelle zone intermedie si ha una struttura progressivamente variabile dall'una all'altra di quelle ora dette. Ultimato il raffreddamento del provino, se ne asporta l'ossido lungo due generatrici, diametralmente opposte, per una larghezza di alcuni mm e si eseguono una serie di misure di durezza, a 1/16″(~ 1,6 mm) l'una dall'altra per il primo 1″ dalla sezione terminale, a 1/8″ (~ 3,2 mm) per il secondo, e a 1/4″(~ 6,4 mm) per il resto della provetta. Si riportano i valori della durezza H in diagramma in funzione della distanza x dalla faccia terminale che è stata esposta all'azione del getto d'acqua.
In relazione all'ordine di grandezza della durezza da misurare conviene eseguire le prove suddette con il metodo Rockwell, in cui si misura la profondità di penetrazione nel metallo di un cono di diamante con angolo di apertura di 120 °C sotto l'azione di un carico di 150 kg. Nella fig. 2 sono indicati due diagrammi tipici delle durezze rilevate in un acciaio II a bassa penetrazione di tempra, ad esempio un acciaio semplice al carbonio, e in un acciaio I a forte penetrazione di tempra, ad esempio un acciaio al nichel.
Un altro metodo usato per il paragone delle caratteristiche di temprabilità dell'acciaio consiste nella determinazione del diametro critico. Questa grandezza è definita come il diametro massimo che una barra dell'acciaio considerato può avere per temprarsi omogeneamente fino al centro in un dato mezzo di tempra. Grande importanza ha, tuttavia, in questa determinazione, l'intensità dell'azione di raffreddamento esercitata dal mezzo in cui si immerge il pezzo da temprare. Questa intensità si usa definire con il valore di un indice (empirico) di drasticità, che si indica di norma con H. Per l'acqua in quiete, H è circa 1, con violenta agitazione può salire a circa 4. Per l'acqua contenente in soluzione sale comune o idrossido di sodio, nelle stesse condizioni estreme si hanno per H valori di 2 e 5, per gli olî da tempra valori da 0,25 a 0,8÷1,1. Si deve però notare che il processo di raffreddamento di un pezzo di acciaio rovente immerso nel liquido di tempra è in effetti molto complesso e non può quindi essere caratterizzato dal semplice indice di drasticità che in maniera molto sommaria ed in prima approssimazione. Nel raffreddamento suddetto si possono in generale distinguere tre fasi. Nella prima, sul pezzo caldo appena immerso si forma una guaina continua di vapore, che ne impedisce il contatto diretto col liquido. In questa fase l'asportazione di calore è piuttosto blanda ed avviene prevalentemente per irradiazione. Quando la temperatura è discesa alquanto si inizia in alcuni punti il contatto diretto liquido-metallo, che porta alla violenta produzione di bolle, con forte aumento della velocità di asportazione del calore. Quando, infine, la temperatura del liquido a contatto col metallo è scesa al disotto della temperatura di ebollizione, l'asportazione di calore si riduce di nuovo sensibilmente ed è affidata prevalentemente ai fenomeni di convezione.
Per ottenere un'energica azione di tempra è necessario ridurre la durata della prima fase, ciò che si ottiene con diversi mezzi che vanno da un'energica agitazione del liquido, all'aggiunta all'acqua di cloruro o idrossido di sodio. L'aggiunta di altre sostanze, come il sapone, provoca invece una più lunga permanenza della guaina di vapore e può produrre effetti negativi nella tempra, ad esempio la formazione di "zone molli", in cui l'acciaio non raggiunge la struttura martensitica.
Se si eseguono una serie di prove Jominy su diverse colate di uno stesso tipo di acciaio, nelle quali ciascun costituente è compreso nei limiti prescritti, si ottengono curve alquanto diverse, per quanto di andamento simile, come in fig. 3. Ai fini pratici si usa quindi fornire, per un dato tipo di acciaio, la curva più alta e la curva più bassa che si possono ottenere nella prova di temprabilità in conseguenza delle inevitabili variazioni di composizione. Sono state pubblicate le curve di tal genere, dette curve H, per tutti i tipi di acciaio di impiego corrente, e si usano designare appunto col nome di acciai H quelli venduti in base alle caratteristiche indicate da queste curve.
Per questi acciai è in certo senso garantito il comportamento alla tempra: ciò spesso interessa all'acquirente più della composizione chimica.
Bibl.: D. K. Bullens, Steel and its heat treatment, I, II, III, New York 1948; The American Society for Metals, Metals Handbook, 1948, I supplemento, 1954 (Metal progress, 15-7-1954); II supplemento, 1955 (Metal progress, 15-8-1955). È in corso di stampa la nuova edizione 1961.