Introduzione allo studio degli acciai

Introduzione allo studio degli acciai
Sicherheitsentwicklung bei Mercedes-Benz mit Hilfe systematischer Crashtests. Aufprallversuch im Werk Sindelfingen mit einem Typ 220 Sb (W 111) mit einer Geschwindigkeit von 86 km/h auf einen Omnibus im Jahr 1962. Die Oberklasse-Baureihe W 111 (1959 bis 1965) ist das weltweit erste Fahrzeug mit Sicherheitskarosserie.

Introduzione allo studio degli acciai – L’uso di diversi tipi di acciaio assume grande importanza quando si vogliono creare strutture in grado di assorbire energia in modo programmato.

Introduzione
Le due immagini che vedete qui sotto mostrano l’andamento delle linee di carico per un urto frontale e laterale riferito alla Mercedes Classe C del 2013. Gli acciai appartenenti alle zone urtate si ritrovano a lavorare in regime di deformazione plastica. Sfruttando quindi le caratteristiche di deformabilità, i progettisti creano profili e strutture tali da offrire deformazioni già previste in fase di progetto della vettura. Ciò richiede un attento uso degli spessori, dei materiali giusti e dei corretti shapes (forme), tutte caratteristiche volte a incanalare le energie conseguenti all’urto.

 

Introduzione allo studio degli acciai

Introduzione allo studio degli acciai

Le vetture di oggi fanno uso di acciai moderni in grado di offrire, allo stesso tempo, particolari doti di comportamento a crash e resistenza strutturale alla deformazione torsionale e flessionale. Ma la solidità di un’auto non è l’unico parametro da tener sotto controllo; non bisogna infatti dimenticare che anche il peso (sarebbe più corretto dire la massa) ha la propria importanza! È proprio partendo da questi presupposti i progettisti di telai si sono affidati, e lo stanno facendo attualmente con sempre maggiore impegno, all’uso di particolari acciai e leghe leggere con lo scopo di ottimizzare, contemporaneamente, gli aspetti di cui sopra. Prima però di scoprire come alcuni costruttori hanno affrontato e superato talune difficoltà è fondamentale capire effettivamente cos’è un acciaio e quali sono le caratteristiche che ne definiscono il comportamento e di conseguenza le prestazioni. Non abbiamo la presunzione di pensare di esaurire in un articolo come questo un discorso complicato come è quello relativo agli acciai e alle leghe, ma, vista l’attualità dell’argomento, può essere un’occasione per fare chiarezza su alcuni concetti di base che regolano le prestazioni di un acciaio. L’acciaio per definizione è un materiale che si ottiene dall’unione del ferro con piccole percentuali di carbonio e di altri metalli come, ad esempio, cromo, molibdeno e manganese. In realtà bisogna aggiungere qualcos’altro; se infatti si prende in considerazione la quantità di carbonio possiamo distinguere due casi principali: se il tenore di carbonio è superiore a circa il 2% si parla di ghisa. Viceversa avremo a che fare con un acciaio. A loro volta gli acciai si distinguono sia per il tenore di carbonio che per la percentuale di elementi presenti come lega. La distinzione è stata da tempo standardizzata e la tipologia di acciai è oggi incredibilmente variegata. Tra gli acciai più importanti ricordiamo quelli da bonifica, per molle, autotempranti, da cementazione, da nitrurazione e così via. Esiste poi tutta un’altra serie di acciai ed è quella degli inossidabili; infine ricordiamo quelli per utensili che comunque non interessano direttamente la componentistica dei veicoli. Senza entrare nel dettaglio specifico quello che ora ci interessa sottolineare è che quando si analizzano le caratteristiche “prestazionali” di un acciaio si considerano alcune proprietà che costituiscono quella che possiamo pensare come la carta d’identità dell’acciaio stesso. Queste caratteristiche che ora brevemente approfondiremo sono proprio quelle che ogni progettista prende in considerazione durante l’analisi di fattibilità di un progetto e quindi in fase di realizzazione del veicolo. È evidente che il discorso tecnico deve trovare perfetta corrispondenza con la questione economica, una voce che molto spesso condiziona la realizzazione di un sottosistema. Per spiegare meglio quanto detto basti pensare ad una particolare sezione del telaio per la quale sono richieste determinate doti di resistenza; l’acciaio utilizzato per realizzare questa sezione può essere di due tipi: uno ad alta resistenza (che richiederà spessori minori) ed uno a più bassa resistenza (che invece richiederà spessori maggiori). Ora è chiaro che il primo tipo di acciaio permetterà di risparmiare peso e volume ma al contempo costerà maggiormente; viceversa per il secondo che invece offrirà un vantaggio economico ma allo stesso tempo necessiterà di un incremento di peso, conseguenza che si rifletterà sulle doti di comportamento dinamico e sui consumi d’esercizio della vettura.

L’uso di diversi tipi di acciaio assume grande importanza quando si vogliono creare strutture in grado di assorbire energia in modo programmato. Le due immagini mostrano l’andamento delle linee di carico per un urto frontale e laterale riferito alla nuova CLS di Casa Mercedes. Come ampiamente spiegato nell’articolo gli acciai appartenenti alle zone urtate si ritrovano a lavorare in regime di deformazione plastica. Sfruttando quindi le caratteristiche di deformabilità i progettisti creano profili e strutture tali da offrire deformazioni già previste in fase di progetto della vettura. Ciò richiede un attento uso degli spessori, dei materiali giusti e dei corretti shapes (forme) tutte caratteristiche volte a incanalare le energie conseguenti all’urto.

Densità
È un’importantissima proprietà che permette di calcolare il peso specifico di un acciaio; l’acciaio con densità inferiore offre, a parità di volume impiegato, un peso più basso. Questa proprietà è fondamentale per limitare il peso totale del veicolo, una caratteristica che incide negativamente sulle prestazioni (doti di accelerazione, frenata, tenuta di strada, stabilità) e sui consumi.

Carico al limite di rottura
Con questa voce i tecnici indicano lo sforzo massimo che un acciaio è in grado di sopportare prima di raggiungere la rottura. Normalmente viene indicato in N/mm^2, ma a volte, i tecnici più nostalgici e restii ad utilizzare il Sistema Internazionale, propongono la vecchia unità di misura kg/cm^2. Il carico di rottura assume un’importanza strategica nella fase di progettazione e dimensionamento di un componente della scocca o del telaio, e ciò per due motivi fondamentali. Primo fra tutti il fatto che un componente deve lavorare in condizioni di assoluta sicurezza ossia deve essere sottoposto, durante l’esercizio, a sforzi ben lontani dal suo limite di rottura (o carico di rottura). Questa cosa si complica ulteriormente in quanto il limite di rottura è una grandezza che viene ricavata sottoponendo alcuni provini di piccole dimensioni ad una prova di trazione che li porta a rottura. Come però molti di voi già sapranno la resistenza di un componente non è dovuta solo al tipo di materiale utilizzato ma anche alla forma che lo stesso assume una volta finito. Questo significa che quel numerino, che indica il carico di rottura del materiale, non potrà essere preso semplicemente com’è ma andrà adattato tenendo conto della forma del pezzo.

Introduzione allo studio degli acciaiCarico al limite dello snervamento
Questo parametro è anch’esso di fondamentale importanza, soprattutto quando lo si utilizza per la realizzazione delle scocche a deformazione programmata. L’acciaio, come qualsiasi altro elemento in natura, quando viene sottoposto ad uno sforzo si deforma. Se però lo sforzo è tale da non superare il limite di snervamento accade che, una volta rimossa la sollecitazione, il componente ritorna alla forma originaria. Bene, quando invece lo sforzo va oltre il limite di snervamento l’acciaio si deforma in maniera permanente e i tecnici usano dire che il materiale si trova a lavorare in regime di deformazione plastica. Ogni acciaio affronta la zona plastica in modo differente! Ecco ora immaginate un urto tra due veicoli e avete un esempio di deformazione plastica permanente osservando le lamiere contorte.

Attitudine alla fusione
Questa proprietà degli acciai assume importanza cruciale durante la produzione dei componenti ed è la conseguenza di comportamenti strutturali anomali. Un acciaio ad elevata fusibilità è infatti quello che consente di ottenere componenti sani e privi di inclusioni gassose, un problema che può nascere durante la fase di colata e quella successiva di solidificazione. Le inclusioni gassose sono in pratica delle piccole sacche d’aria contenute all’interno del componente che ne abbassano la resistenza strutturale alterandone, al contempo, il comportamento sotto deformazione.

Attitudine alla saldabilità
La saldabilità è una proprietà che probabilmente non ha bisogno di grandi spiegazioni; si tenga però conto che le problematiche principali legate a questo tipo di lavorazione sono quelle che coinvolgono l’unione di materiali molto differenti tra loro (leghe ed acciai, alluminio e acciaio) e quelle relativa alla corretta realizzazione dei cordoni di saldatura, un aspetto imprescindibile per garantire le necessarie doti di resistenza dell’assieme. Saldature fatte male portano anche a collassi improvvisi della struttura con conseguenze disastrose (si pensi ad esempio a componenti del telaio saldati tra loro che cedono, in corrispondenza del cordone di saldatura, sotto l’effetto del peso proprio e/o dello sforzo cui sono sottoposti).

Resistenza alla corrosione
È un aspetto contro il quale i costruttori stanno lottando tuttora; quella che viene comunemente definita corrosione è in realtà un comportamento naturale dell’acciaio che reagendo con alcuni elementi dell’ambiente circostante modifica la propria struttura a discapito delle corrette doti di resistenza. E, come noto, uno dei principali metodi utilizzati dai costruttori per combattere la tendenza alla corrosione e la famosa zincatura. Si tenga conto a questo proposito un fatto di importanza basilare: la zincatura inibisce la corrosione della scocca perché evita che l’acciaio puro  venga a contatto con l’aria ambiente. Se però il pannello viene inciso, per opera di un graffio o di un urto, avviene che acciaio e zincatura vengono esposti contemporaneamente all’ambiente. Ciò provoca un immediato processo di deterioramento della zona interessata. In altre parole l’uso della zincatura va bene ma solo nel caso in cui si riesca ad assicurare una permanente copertura delle superfici in acciaio.

Durezza
Il significato di durezza utilizzato in campo ingegneristico è leggermente diverso da quello dell’accezione più comune; con durezza i tecnici indicano l’attitudine di un materiale a non farsi scalfire (o penetrare). Il concetto di durezza lo si può bene immaginare pensando di voler incidere una superficie con un oggetto tagliente. Più quest’operazione risulta difficile più il materiale è duro. Per quanto riguarda le applicazioni veicolistiche il concetto di durezza di fatto si applica alla capacità dei pannelli di resistere alle incisioni dovuti, ad esempio, ad atti vandalici, a sassi che colpiscono il veicolo durante il moto o allo strisciamento della scocca contro arbusti particolarmente resistenti.Introduzione allo studio degli acciai

Resistenza alla fatica
È una proprietà di tale importanza che ancora oggi vengono sviluppati studi appositi per approfondire la conoscenza di questo temibile fenomeno. La fatica è un concetto complicato per i non addetti ai lavori e quindi ora cercherò di fornire una spiegazione semplice. Gli ingegneri che progettavano componenti di macchine alla fine dell’800 e ai primi del ‘900 si accorsero ben presto che molte strutture, o singoli elementi, collassavano d’improvviso anche se sottoposti a sforzi di esercizio sensibilmente inferiori rispetto a quelli che erano in grado di sopportare. Studi ed esperimenti misero in luce un aspetto di cui sino ad allora non si era tenuto conto: gli acciai durante il loro lavoro si affaticano! In altre parole ciò che accade è che il materiale quando viene sottoposto a continui cicli di carico e scarico (intendendo con scarico e scarico le variazioni di sforzo tra i valori minimi e massimi) si affatica, ossia tiene, in un certo senso, memoria delle fatiche sopportate calando, nel tempo, il proprio valore di resistenza a rottura. Ciò però avviene sino a quando ci si avvicina ad un valore al di sotto del quale il materiale mantiene indefinitamente le proprie doti di resistenza. Progettare quindi un componente a fatica significa costruirlo in modo tale da assicurare la resistenza a rottura del componente stesso per un numero di ore pressoché infinito. Questo concetto viene più facilmente applicato al mondo automobilistico. In quello aeronautico, invece, da anni si progetta con fatica a termine, ossia si disegnano e costruiscono componenti in grado di sopportare un numero ben determinato di ore di lavoro dopo le quali bisogna procedere alla loro completa sostituzione.

Archivio immagini: Mercedes