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Quando si tratta di scegliere le lamiere in acciaio al carbonio, il primo passo è abbinare le capacità del materiale alle esigenze specifiche del lavoro. Per grandi strutture come i ponti, la maggior parte degli ingegneri opta per l'acciaio ASTM A36, grazie alla sua resistenza minima allo snervamento di 250 MPa e alla sua ottima saldabilità. Per i recipienti a pressione invece serve qualcosa di più resistente, quindi si utilizzano generalmente gli acciai della serie A516, poiché questi materiali sopportano temperature comprese tra -29 gradi Celsius e 343 gradi Celsius senza degradarsi. Nel caso di applicazioni marine, dove l'acqua salata attacca continuamente le superfici metalliche, la scelta migliore ricade su acciai con contenuto di rame, come l'ASTM A588. Queste leghe speciali resistono alla corrosione molto meglio dell'acciaio normale, assicurando una durata maggiore dell'equipaggiamento in condizioni difficili, fino al 25-40 percento in più rispetto a quanto rilevato da test sul campo effettuati negli anni.
Tre proprietà meccaniche governano la scelta del materiale:
Fattori ambientali come l'esposizione ai raggi UV e il contatto con sostanze chimiche possono degradare l'acciaio al carbonio non protetto a tassi di 0,5–1,2 mm/anno, sottolineando la necessità di trattamenti protettivi in installazioni a lungo termine.
L'acciaio ASTM A36 è sicuramente più economico rispetto all'acciaio ad alta resistenza A572, probabilmente circa il 15-20 percento in meno. Tuttavia, guardando da un'altra prospettiva, l'A572 ha una resistenza a snervamento circa doppia rispetto a quella dell'acciaio A36 standard. Questo significa che gli ingegneri possono utilizzare materiali più sottili senza compromettere l'integrità strutturale, risparmiando su peso e costi dei materiali nel lungo termine. Anche l'analisi delle spese di manutenzione nel tempo racconta una storia differente. Studi indicano che scegliere tipi di acciaio resistenti alla corrosione o applicare idonei rivestimenti protettivi riduce i costi di sostituzione di circa il 60 percento dopo circa quindici anni. Per strutture progettate per durare decenni, questa scelta è conveniente dal punto di vista economico, nonostante l'investimento iniziale possa sembrare più alto.
Quando si parla di lamiere in acciaio al carbonio, la resistenza a trazione indica fondamentalmente quanto stress il materiale può sopportare prima di rompersi completamente. La resistenza allo snervamento è un'altra misura importante che mostra quando il metallo inizia a deformarsi permanentemente sotto pressione. C'è poi l'allungamento, che misura quanto il materiale si allunga prima di cedere, espresso in percentuale. Questo ci dà un'idea di quanto l'acciaio sia duttile o elastico in realtà. Prendiamo ad esempio l'ASTM A36. Questa particolare classe ha un intervallo di resistenza a trazione compreso tra circa 36 ksi e 80 ksi. Queste proprietà rendono l'ASTM A36 una buona scelta per strutture che devono sopportare carichi pesanti, come componenti di ponti e strutture portanti negli edifici, dove sono richieste sia resistenza che una certa flessibilità.
Il contenuto di carbonio influenza direttamente la durezza e la resistenza all'impatto:
| Contenuto di carbonio | Durezza (Rockwell B) | Resistenza all'urto | Applicazioni esemplificative |
|---|---|---|---|
| Basso (0,05–0,25%) | 50–70 HRB | 80–100 J | Costruzione generale, basi per macchinari |
| Medio (0,30–0,60%) | 75–100 HRB | Moderato | Macchinari industriali, ponti |
| Alto (0,61–1,50%) | 92+ HRB | Resistenza maggiore, tenacità inferiore | Utensili, molle |
Gli acciai al carbonio medi come ASTM A572 beneficiano del trattamento termico per bilanciare la durezza con la resistenza alla frattura, specialmente in ambienti freddi.
Secondo una ricerca recente del 2022 di ASM International, alcuni acciai trattati termicamente possono resistere a oltre un milione di cicli di carico alla metà della loro capacità massima. Questa durata dipende significativamente da fattori come lo stato superficiale: finiture superficiali ottenute mediante lavorazione meccanica o mediante rullatura influenzano notevolmente la resistenza a fatica complessiva a causa dei punti di concentrazione delle tensioni causati da spigoli vivi o da discontinuità superficiali. Un efficace controllo della corrosione estende ulteriormente la vita di questi materiali, rendendo essenziali i rivestimenti protettivi per installazioni a lungo termine in ambienti aggressivi
L'aumento del contenuto di carbonio (0,30–0,60%) migliora la resistenza ma riduce la saldabilità. Un'adeguata tempera, come il preriscaldamento a 150–200°C, può aiutare a evitare problemi di fessurazione indotta dall'idrogeno. Per l'acciaio ASTM A516 Grado 70 con uno spessore di 25 mm, è necessario adottare misure di preriscaldamento intorno ai 95°C insieme a trattamenti termici successivi alla saldatura per ottenere risultati ottimali durante le operazioni complesse di fabbricazione.
L'acciaio presenta generalmente una resistenza minima allo snervamento di circa 36 ksi, mentre la sua resistenza alla trazione varia da circa 58 a 80 ksi. Essendo un acciaio strutturale a basso contenuto di carbonio ampiamente utilizzato, l'ASTM A36 offre proprietà meccaniche bilanciate, ideali per applicazioni edilizie generiche come telai per edifici o componenti di ponti. La sua capacità di rimanere duttile sotto sforzo lo rende sufficientemente versatile per svariati compiti ingegneristici in cui resistenza e flessibilità rappresentano caratteristiche essenziali di prestazione.
Sebbene sufficiente per progetti edili generici, ASTM A36 è meno indicato rispetto all'A572 Grado 50 in situazioni in cui è richiesta una maggiore resistenza senza rinunciare alla duttilità, ad esempio travi per ponti di grande luce che richiedono un rapporto resistenza-peso di 1,5:1 o sistemi di binari per gru soggetti a forze dinamiche ripetute.
L'acciaio al carbonio ASTM A516 offre un'elevata tenacità anche a temperature sotto lo zero, risultando particolarmente utile nella realizzazione di serbatoi per gas di petrolio liquefatto (LPG), dove si utilizzano materiali soggetti a fratture fragili, così come nella tolleranza a brevi periodi di esposizione ad alte temperature intorno ai 800 gradi Fahrenheit, essenziale nella produzione di prodotti destinati a resistere a condizioni estremamente fredde o calde.
| Grado | Contenuto di carbonio (%) | Contenuto di manganese (%) | Contenuto massimo di fosforo (%) |
|---|---|---|---|
| ASTM A36 | ≤0,26 | 0,60–0,90 | 0.040 |
| ASTM A572 | ≤0,23 | 1,15–1,65 | 0.035 |
| Astm a516 | 0,24–0,3 | 0,85–1,20 | 0,035 o inferiore |
I materiali a basso contenuto di carbonio si prestano particolarmente bene alle operazioni di lavorazione meccanica che richiedono uno sforzo minore rispetto ai materiali di grado superiore. Di conseguenza, le aziende che lavorano l'acciaio A36 risparmiano circa il 15 percento sui requisiti operativi degli utensili CNC rispetto a quelli utilizzati per produrre manganese arricchito, come nei prodotti che impiegano leghe avanzate (AISI)
I fattori chiave includono la corrispondenza delle proprietà dei materiali ai requisiti del progetto, la valutazione delle proprietà meccaniche come resistenza alla trazione, tenacità d'impatto e resistenza alla corrosione, e il bilanciamento tra economicità e prestazioni a lungo termine.
L'acciaio ASTM A36 è principalmente utilizzato nell'edilizia e nella fabbricazione per il giusto equilibrio tra resistenza e flessibilità, rendendolo adatto per componenti di ponti, strutture portanti e fondazioni per macchinari pesanti.
Un maggiore contenuto di carbonio aumenta durezza e resistenza ma riduce la saldabilità. Gli acciai al carbonio medio come l'ASTM A572 sono spesso sottoposti a trattamenti termici per bilanciare durezza e resistenza alla frattura.
L'ASTM A516 è utilizzato per recipienti in pressione grazie alla sua superiore tenacità fino a temperature sotto lo zero e alla sua capacità di inibire la propagazione delle crepe, rendendolo ideale per applicazioni critiche come i serbatoi di stoccaggio per GPL.
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