I trattamenti termici consistono essenzialmente in tre operazioni:

• Riscaldamento del materiale
• Mantenimento dello stesso ad una definita temperatura
• Raffreddamento con velocità che segue opportune leggi

La dipendenza della struttura ottenuta dalla temperatura e velocità di raffreddamento può essere studiata mediante i diagrammi di trasformazione (le cui linee dipendono oltre che dal tenore di carbonio presente nell'acciaio, anche dalla presenza di elementi di lega in soluzione solida nell'austenite di partenza):

• TTT (Temperatura, Tempo, Trasformazione), realizzate raffreddando rapidamente l'acciaio a varie temperature e poi mantenendole costanti e valutando l'inizio e la fine delle varie trasformazioni nel tempo;
• CCC (Continuous cooling curves) costruite variando l'inizio e la fine delle varie trasformazioni nel tempo secondo varie traiettorie di raffreddamento.

Le trasformazioni di fase che subisce un acciaio durante il raffreddamento sono:

• Trasformazione perlitica: trasformazione isoterma dell'austenite di un acciaio di composizione eutettoidica che porta alla formazione della perlite (costituita da aggregati di laminette alternate di ferrite e cementite);
• Trasformazione bainitica: trasformazione isotermica dell'austenite di un acciaio eutettoidico che porta alla formazione di bainite (superiore od inferiore a seconda delle temperature), costituita da un aggregato di ferrite e carburo di ferro.
• Trasformazione martensitica: trasformazione che avviene in tempi molto brevi al di sotto di una determinata temperatura (°t di inizio trasformazione austenite-martensite). Tale trasformazione è diversa dalle precedenti in quanto priva di un tempo di nucleazione ed accrescimento. Questo poichè la trasformazione avviene attraverso un movimento coordinato di atomi e senza processi di diffusione; ne consegue che la composizione chimica della martensite è identica a quella dell'austenite da cui si forma.

I principali trattamenti termici tipici degli acciai possono essere suddivisi in:

• trattamenti termici per i quali si esegue un riscaldamento dell'acciaio a temperatura superiore all'intervallo critico: RICOTTURA, NORMALIZZAZIONE, TEMPRA;
• trattamenti termici nei quali si riscalda l'acciaio a temperatura inferiore alla critica: RINVENIMENTO, RICOTTURA di addolcimento o di miglioramento della lavorabilità, ecc.
• trattamenti termici eseguiti allo scopo di ottenere risultati particolari: RICOTTURA DI COALESCENZA, TEMPRA SUPERFICIALE, tempra di solubilizzazione degli acciai austenitici, ecc.

Esaminiamo di seguito solo gli aspetti generali di alcuni di questi trattamenti termici.

RICOTTURA

Si tratta di un trattamento termico caratterizzato da un riscaldamento a temperatura elevata, dalla permanenza prolungata a tale temperatura e da un successivo lento raffreddamento.
Lo scopo del trattamento è quello di addolcire il materiale per renderlo più facilmente lavorabile alle macchine utensili o per consentirne l'ulteriore deformazione a freddo qualora sia stato incrudito da precedenti deformazioni.
Scopo della ricottura è anche quello di omogeneizzare la composizione dei materiali grezzi di colata, di ottenere una determinata microstruttura con specifiche proprietà fisiche e meccaniche e, nel caso di acciai temprati, di annullare gli effetti della tempra martensitica.
La ricottura completa non viene quasi mai eseguita poichè, oltre ad essere poco economico raggiungere temperature superiori a quella critica, la ricottura porta generalmente ad una struttura dei grani grossolana. Elevate dimensioni dei grani portano ad una drastica diminuzione della tenacità del materiale (con aumento della fragilità), pertanto è da evitare.

NORMALIZZAZIONE

Si esegue riscaldando l'acciaio ad una temperatura di circa 70°C al di sopra della critica, mantenendo a tale temperatura per un tempo sufficiente alla completa austenizzazione e lasciandolo raffreddare liberamente all'aria.
In tale modo si ottiene un acciaio a grano fine e regolare con struttura omogenea indipendentemente dalla situazione di partenza.

TEMPRA

Consiste nel riscaldamento dell'acciaio sopra il punto critico, nel mantenimento a tale temperatura per un tempo sufficiente da avere una struttura austenitica nel cuore, quindi nel raffreddamento con velocità maggiore della velocità critica superiore di tempra, così da avere a temperatura ambiente una struttura martensitica caratterizzata da grande durezza.
Le condizioni fondamentali perchè un acciaio possa assumere una struttura interamente martensitica sono:

• la temperatura alla quale si riscalda l'acciaio e il tempo di permanenza a tale temperatura devono essere tali da permettere alla struttura di partenza di diventare completamente austenitica;
• la velocità di raffreddamento deve essere tanto elevata da impedire le trasformazioni ad alta temperatura;
• la temperatura di trasformazione austenite-martensite finale deve essere superiore alla temperatura ambiente;

Per evitare fenomeni di surriscaldamento, ovvero di ingrossamento del grano, la temperatura alla quale l'acciaio va portato prima di essere temprato (temperatura di tempra) deve essere indicativamente di circa 50-70°C sopra la temperatura critica.
Il rapido raffreddamento necessario alla tempra dell'acciaio si ottiene immergendo il pezzo in un bagno temprante che può essere, in ordine di severità crescente, aria, olio, acqua, salamoia (soluzione concentrata di sali in acqua), e quando necessari bagni ad elevata temperatura anche sali fusi.
Poichè la trasformazione austenite-martensite avviene con aumento di volume ed in modo pressochè istantaneo, la tempra induce negli acciai sforzi interni anche rilevanti che possono portare a deformazioni o addirittura alla rottura dei pezzi (con formazione delle cricche di tempra).
Per evitare il rischio di formazione di cricche di tempra è necessario scegliere accuratamente il mezzo di tempra meno drastico possibile; sono inoltre stati messi appunto alcuni particolari trattamenti termici di tempra (come la tempra martensitica differita e la tempra bainitica).
La scelta ottimale (che dipende sia dal tipo di acciaio che dalle dimensioni del pezzo) non è semplice, e generalmente si fa ricorso alle indicazioni dei produttori dell'acciaio o all'esperienza.

A tale scopo alleghiamo di seguito un file pdf realizzato dal coltellinaio DENIS MURA, in cui sono riportate le indicazioni, secondo sua esperienza, per effettuare i trattamenti termici di alcuni acciai.

RINVENIMENTO

La martensite è dura e resistente, ma è fragile. Il riscaldamento della martensite, detto rinvenimento, permette di ottenere strutture con una vantaggiosa combinazione di durezza e tenacità.
Il rinvenimento consiste nel riscaldamento di un acciaio temprato ad una temperatura inferiore alla critica (si arriva al massimo a 600-650°C), mantenendo a tale temperatura per un tempo opportuno e quindi al successivo raffreddamento generalmente all'aria.
L'entità degli effetti ottenuti (diminuzione durezza ma contemporaneo aumento della tenacità e duttilità dell'acciaio) è funzione della temperatura di rinvenimento e della sua durata; i risultati sono comunque tanto più marcati quanto più alta è la temperatura e più è lungo il tempo del trattamento.

Bibliografia

Struttura e proprietà dei materiali metallici - A. Cigada - Città Studi Edizioni