La fase del ferro che dà il nome all’acciaio austenitico
L’austenite è una delle forme in cui il ferro dispone i propri atomi: un reticolo cubico a facce centrate, con un atomo a ogni vertice della cella e uno al centro di ciascuna faccia. In un acciaio al carbonio comune quella disposizione compare solo ad alta temperatura e sparisce raffreddando, sostituita dalla ferrite. Un acciaio austenitico è un acciaio in cui l’austenite resta stabile fino a temperatura ambiente e al di sotto, perché la composizione la trattiene invece di lasciarla trasformare.
Sotto c’è la definizione di inossidabile: una lega di ferro con almeno il 10,5% di cromo in massa, quanto basta perché sulla superficie si formi da sé una pellicola sottilissima di ossido di cromo, che si richiude anche dopo un graffio. Gli austenitici sono una delle cinque famiglie di questi acciai, accanto a ferritici, martensitici, duplex e indurenti per precipitazione. La composizione di riferimento è il 18% di cromo con l’8% di nichel, quella che le sigle americane abbreviano in 18/8 e che corrisponde all’AISI 304.
Nichel, manganese e azoto: chi tiene aperto il campo austenitico
Gli elementi di lega si dividono in due partiti. Alcuni allargano l’intervallo di temperatura in cui l’austenite è la fase stabile, e il capofila è il nichel; altri lo restringono a favore della ferrite, e lì il capofila è il cromo stesso. Un inossidabile austenitico nasce dal bilancio fra i due: cromo a sufficienza per la pellicola passiva, nichel a sufficienza perché il reticolo cubico a facce centrate arrivi intero fino a temperatura ambiente.
Il nichel non lavora da solo. Anche manganese e azoto stabilizzano l’austenite, e agiscono in coppia: il manganese aumenta la solubilità dell’azoto nella matrice ferrosa, e l’azoto disciolto è l’austenitizzante vero, oltre ad alzare la resistenza meccanica. Su questa sostituzione si regge un’intera famiglia di gradi, la serie 200 al cromo-manganese-nichel, distinta dalla serie 300 al cromo-nichel. Nella stessa numerazione la serie 400 raccoglie invece i cromo senza nichel, ferritici e martensitici. In Europa i gradi non si chiamano con quei numeri ma con le designazioni raccolte nella EN 10088-1, la norma che elenca gli acciai inossidabili.
Ferrite e martensite, gli altri due reticoli dello stesso metallo
La ferrite è cubica a corpo centrato: atomi ai vertici della cella e uno solo al centro del volume. È ferromagnetica e non si indurisce per trattamento termico, ma soltanto per deformazione a freddo. Gli inossidabili ferritici stanno fra il 10,5% e il 27% di cromo, con nichel scarso o assente.
La martensite è la terza forma e non è una fase di equilibrio: la si ottiene portando l’acciaio in campo austenitico e raffreddandolo tanto in fretta che il carbonio disciolto non ha tempo di uscire dal reticolo. Resta intrappolato e lo deforma, da cubico a tetragonale a corpo centrato. Quella distorsione è la durezza, perché i piani di atomi non riescono più a scorrere gli uni sugli altri. Anche la martensite è ferromagnetica, e a differenza delle altre due si indurisce sia per trattamento termico sia per deformazione.
Perché un acciaio austenitico non prende la tempra
La tempra funziona solo se il raffreddamento coglie il metallo mentre sta cambiando reticolo. In un austenitico quel cambio non avviene: l’austenite è già la fase stabile a freddo, quindi portare il pezzo a mille gradi e immergerlo in acqua non lo indurisce. Il trattamento che si esegue davvero su questi acciai ha l’effetto opposto e si chiama solubilizzazione: si sale all’incirca fra 1060 e 1120 °C per rimettere in soluzione i carburi, poi si raffredda in fretta perché non abbiano tempo di riformarsi. Ne esce un metallo più tenero, non più duro.
L’unica strada per irrigidire un austenitico è l’incrudimento, cioè la deformazione a freddo. Laminando, trafilando o imbutendo, il reticolo accumula difetti che ostacolano lo scorrimento, e parte dell’austenite si trasforma localmente proprio in martensite. La conseguenza pratica è che il pezzo si irrigidisce mentre lo si forma e continua a farlo: oltre un certo grado di deformazione diventa difficile proseguire senza una ricottura intermedia.
Il magnete non è una prova di qualità sugli acciai austenitici
Il reticolo cubico a facce centrate non è ferromagnetico, quindi su un pezzo austenitico ricotto una calamita non fa presa, mentre su un ferritico o su un martensitico si attacca. È la verifica da banco più diffusa e ha due limiti che si dimenticano spesso.
Il primo l’ha introdotto l’incrudimento: la martensite generata dalla deformazione a freddo è magnetica, per cui un bordo imbutito, una filettatura rullata o una zona lavorata possono rispondere al magnete pur essendo lo stesso acciaio del resto del pezzo. Il secondo è che la prova separa le famiglie, non i gradi. Dice che il metallo non è un martensitico, e questo è già molto quando la domanda riguarda un ferro verniciato; non dice quanto nichel c’è dentro, e non distingue un 304 da un 316 né da un grado della serie 200.
Sensibilizzazione e cloruri: dove cede un austenitico
Due debolezze appartengono a questa famiglia in particolare. La prima è la sensibilizzazione: tenendo l’acciaio all’incirca fra 520 e 800 °C, il carbonio si combina con il cromo e precipita come carburo lungo i bordi dei grani. Il cromo che serviva alla pellicola passiva viene sottratto proprio lì, e la fascia impoverita si corrode per prima, lasciando i grani intatti e i loro contorni mangiati. Da qui vengono i gradi a basso carbonio, tenuti sotto lo 0,03%, e quelli stabilizzati con titanio o niobio, elementi che catturano il carbonio prima che ci arrivi il cromo.
La seconda è la corrosione sotto sforzo da cloruri, verso cui gli austenitici sono più sensibili delle altre famiglie: con cloruri, temperatura e trazione presenti insieme, la cricca nasce e avanza mentre la superficie non mostra perdita di materiale apprezzabile. Sono le due ragioni per cui, su un acciaio di questa famiglia, il carbonio dichiarato in analisi e la storia termica del pezzo pesano quanto la sigla stampigliata sopra.
