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Acciaio: l’importanza e i segreti di un materiale senza tempo

Articolo a cura di Axel Baruscotti – A partire dalla seconda rivoluzione industriale, l’acciaio è diventato il materiale simbolo dell’industria pesante e dello sviluppo tecnologico mondiale. Oggigiorno il concetto non è cambiato, infatti l’acciaio ricopre ancora un ruolo centrale nelle nostre vite. Non a caso, a partire dalle strutture più imponenti come ponti e grattacieli, fino ai componenti meccanici più piccoli come ruote dentate e bulloni, l’acciaio rimane uno dei materiali più diffusi in assoluto. Il suo largo impiego è dovuto alle ottime proprietà meccaniche e alla sua duttilità, ossia la facilità con cui può essere lavorato nei processi di produzione.

Acciaio e ferro: qual è la loro differenza?

Acciaio e ferro sono la stessa cosa? “Assolutamente no!” risponderebbe un ingegnere puntiglioso, tuttavia capita spesso di incorrere nell’errore di non fare differenza fra le due sostanze, soprattutto nel linguaggio comune. Pensate per esempio al “ferro da stiro” o al “ferro battuto”, questi termini di uso comune sono un classico esempio in cui il ferro viene erroneamente equiparato all’acciaio.

Acciaio e ferro differenza
Recinto in “ferro battuto”, molto più probabilmente acciaio a basso tenore di carbonio. (Foto di Peter H. da Pixabay)

Ma allora di cosa si tratta? In realtà ferro ed acciaio potrebbero essere quasi la stessa cosa, se non fosse per l’intervento di un altro elemento fondamentale: il carbonio. Infatti, l’acciaio è una lega, ossia una soluzione solida, di ferro e carbonio in cui il tenore di carbonio non eccede il 2,06%. Se il tenore di carbonio supera il 2,06% allora si parla di ghisa, un materiale fragile e tecnologicamente poco rilevante, molto diffusa in passato quando la produzione di massa non era ancora possibile. Nella pratica, oltre al carbonio, si aggiungono altri elementi alliganti all’acciaio per controllarne le proprietà meccaniche e chimiche a seconda delle necessità, come per esempio l’aggiunta di cromo negli acciai inossidabili per favorire la protezione dalla corrosione.

L’aspetto chimico dell’acciaio

Ma se ferro e acciaio differiscono semplicemente per una così piccola quantità di atomi di carbonio, allora perché il primo non si incontra nella vita di tutti i giorni e il secondo è presente praticamente ovunque si volga lo sguardo? Il ferro, e in generale tutti gli elementi metallici di interesse tecnologico, vengono raramente utilizzati nella loro forma pura per applicazioni meccaniche. Questo perché le leghe permettono di ottenere materiali con proprietà meccaniche e chimiche superiori semplicemente grazie all’aggiunta di qualche elemento addizionale.

Infatti, nell’acciaio, nonostante gli atomi di ferro siano presenti in numero molto superiore rispetto agli atomi di carbonio, la presenza di questi ultimi permette di ottenere grandi differenze dal punto di vista delle proprietà chimiche e meccaniche. Formalmente l’acciaio è una soluzione solida interstiziale di ferro (solvente) e carbonio (soluto), o più semplicemente una miscela dei due elementi in cui gli atomi di carbonio si posizionano negli interstizi presenti fra gli atomi di ferro. La presenza degli atomi di carbonio fa sì che la struttura cristallina del ferro si deformi localmente provocandone un successivo rafforzamento.

Acciaio e ferro differenza
Rappresentazione schematica di due atomi di carbonio posizionati negli interstizi presenti fra gli atomi di ferro. (William F. Smith 2012)

Un trattamento per “renderlo migliore”

Altro fondamentale vantaggio dell’acciaio che gli garantisce la sua posizione di rilievo nel mondo delle leghe metalliche è la temprabilità. Può essere sottoposto ad uno specifico trattamento termico detto tempra nel quale il materiale viene riscaldato (generalmente a temperature comprese tra 800 e 1150 gradi centigradi) fino all’ottenimento dell’acciaio austenitico e successivamente raffreddato molto rapidamente, solitamente in acqua o olio.

Il rapido raffreddamento permette la formazione di una fase metastabile dell’acciaio chiamata martensite nella quale la normale disposizione degli atomi di ferro e carbonio viene stravolta. Il risultato di tale trattamento termico è il potenziamento delle proprietà meccaniche del materiale unitamente ad una riduzione della sua duttilità. Per ovviare agli effetti negativi della tempra si fa uso di un altro trattamento termico detto rinvenimento, in cui l’acciaio martensitico viene scaldato e poi raffreddato lentamente in modo da ottenere un buon compromesso fra elevate proprietà meccaniche e duttilità. Solitamente il processo di rinvenimento segue quello della tempra e quando ciò accade si dice che l’acciaio è stato bonificato.

Acciaio e ferro differenza
Varie curve che mostrano il comportamento dei materiali. Quando bonificato è in grado di resistere a carichi maggiori seppur con allungamenti inferiori.

Ora che conoscete i segreti non avrete più dubbi alla domanda “ferro o acciaio?”.

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