Acciai non legati strutturali

1. Acciai non Legati Strutturali: Guida Tecnica per Operatori del Settore

Gli acciai non legati strutturali rappresentano la categoria più utilizzata di materiali metallurgici nell’ingegneria civile e nelle costruzioni metalliche, caratterizzati da un’eccellente combinazione di proprietà meccaniche, saldabilità e rapporto prestazioni-costo.

Questi materiali costituiscono la spina dorsale dell’industria delle costruzioni moderne, garantendo sicurezza strutturale e affidabilità per edifici, ponti, infrastrutture e impianti industriali.

2. Definizione e Caratteristiche Fondamentali degli Acciai non Legati Strutturali

Gli acciai non legati strutturali sono leghe ferro-carbonio con contenuto di elementi di lega inferiore ai limiti specificati dalla normativa UNI EN 10020, progettati specificamente per applicazioni strutturali dove sono richieste elevate proprietà meccaniche, buona saldabilità e lavorabilità.

La classificazione acciai strutturali non legati li definisce secondo UNI EN 10020 come acciai con tenori massimi: Mn ≤1,65%, Si ≤0,60%, Cr ≤0,30%, Mo ≤0,08%, Ni ≤0,30%, Cu ≤0,40%, Al ≤0,30%, Nb ≤0,06%, V ≤0,12%, Ti ≤0,05%, altri elementi secondo limiti specificati.

La peculiarità distintiva di questi materiali risiede nella loro capacità di fornire prestazioni strutturali affidabili attraverso un controllo ottimizzato della composizione chimica di base e dei processi di produzione, senza la necessità di costosi elementi di lega. Questa caratteristica li rende la soluzione preferita per la maggior parte delle applicazioni strutturali convenzionali.

3. Composizione Chimica e Microleganti

La composizione chimica degli acciai non legati strutturali è ottimizzata per garantire le proprietà meccaniche acciai strutturali richieste dalle applicazioni strutturali. Il contenuto di carbonio varia tipicamente da 0,17% a 0,24%, bilanciato per ottenere resistenza meccanica adeguata mantenendo buona saldabilità e duttilità.

Il manganese, presente in contenuti da 0,40% a 1,50%, svolge un ruolo fondamentale nel controllo della microstruttura e nel miglioramento delle proprietà meccaniche. Il silicio, limitato a 0,55% massimo, agisce come disossidante durante la produzione e contribuisce al rafforzamento della ferrite.

Gli elementi microleganti come niobio, vanadio e titanio, quando presenti in quantità limitate, contribuiscono al controllo delle dimensioni del grano austenitico e al precipitation hardening, migliorando significativamente le proprietà meccaniche senza compromettere la saldabilità.

4. Proprietà Meccaniche Fondamentali

Le proprietà meccaniche acciai strutturali sono definite dai parametri fondamentali di limite di snervamento (ReH), resistenza a trazione (Rm), allungamento percentuale (A%) e resilienza (KV). Questi parametri sono strettamente correlati alla microstruttura e variano in funzione dello spessore del prodotto e delle condizioni di fornitura.

Il limite di snervamento rappresenta il parametro progettuale principale, variando da 235 MPa per il grado S235 fino a 460 MPa per il grado S460. La resistenza a trazione mantiene rapporti definiti con il limite di snervamento, garantendo un comportamento duttile del materiale.

4.1. Microstruttura e Caratteristiche Metallurgiche

La microstruttura degli acciai non legati strutturali è prevalentemente ferritico-perlitica, con dimensioni del grano controllate attraverso i parametri di laminazione e gli eventuali trattamenti termici. La frazione di perlite, correlata al contenuto di carbonio, determina la resistenza meccanica, mentre la matrice ferritica garantisce duttilità e tenacità.

Le moderne tecnologie di produzione permettono di ottenere microstrutture ottimizzate attraverso il controllo termomeccanico della laminazione (TMCP), che consente di raggiungere proprietà meccaniche superiori rispetto ai processi convenzionali.

5. Classificazione Acciai Strutturali non Legati Secondo Normative Internazionali

5.1. Normativa Europea UNI EN 10025

La normativa UNI EN acciai strutturali è costituita dalla serie UNI EN 10025, articolata in sei parti che regolamentano le condizioni tecniche di fornitura per i prodotti laminati a caldo di acciai per impieghi strutturali. La UNI EN 10025-2 specifica gli acciai non legati per impieghi strutturali, definendo i gradi S235, S275, S355 e S450.

La normativa stabilisce i requisiti per la composizione chimica, le proprietà meccaniche, la temprabilità e le caratteristiche tecnologiche, garantendo standard qualitativi uniformi in tutto il territorio europeo. I requisiti sono differenziati in funzione dello spessore del prodotto, riconoscendo l’effetto dimensionale sulle proprietà meccaniche.

5.2. Sistema di Designazione UNI EN 10027

Il sistema di designazione secondo UNI EN 10027-1 utilizza la lettera “S” seguita dal valore numerico del limite di snervamento minimo in MPa per spessori fino a 16 mm. La designazione può essere completata da simboli addizionali che indicano specifiche proprietà o condizioni di fornitura.

Il sistema prevede anche simboli per le condizioni di resilienza (JR, J0, J2) che indicano la temperatura di prova per la resilienza Charpy: JR a +20°C, J0 a 0°C, J2 a -20°C.

5.3. Corrispondenze Standard Internazionali (ASTM, JIS, GB)

Le corrispondenze con gli standard internazionali facilitano il commercio globale e l’interscambiabilità dei materiali. Lo standard ASTM A36 corrisponde approssimativamente al grado europeo S235, mentre l’ASTM A572 copre una gamma di gradi equivalenti alle serie S275, S355 e S450.

5.4. Tabella Comparativa delle Designazioni

L’armonizzazione internazionale delle designazioni è in continua evoluzione, con tendenza verso una maggiore standardizzazione dei sistemi di classificazione per facilitare il commercio globale e ridurre i rischi di errori nella selezione dei materiali.

6. Gradi Principali di Acciai non Legati Strutturali

6.1. Serie S235 (Fe360) – Caratteristiche e Applicazioni

Il grado S235, precedentemente designato Fe360, rappresenta l’acciaio strutturale di base più utilizzato nelle costruzioni metalliche. Con limite di snervamento minimo di 235 MPa e resistenza a trazione compresa tra 360-510 MPa, offre un equilibrio ottimale tra proprietà meccaniche e costo per applicazioni strutturali generali.

La composizione chimica tipica prevede carbonio ≤0,20%, manganese ≤1,40%, e contenuto di fosforo e zolfo limitato per garantire buona saldabilità. Le applicazioni costruzioni acciai strutturali per questo grado includono carpenterie metalliche leggere, strutture non critiche e componenti secondari.

6.2. Serie S275 (Fe430) – Proprietà e Utilizzi

Il grado S275 presenta proprietà meccaniche superiori con limite di snervamento di 275 MPa e resistenza a trazione 430-580 MPa. L’incremento di resistenza è ottenuto attraverso un controllo più stringente della composizione chimica e dei parametri di processo.

Questo grado è particolarmente adatto per strutture di media sollecitazione dove è richiesto un miglior rapporto resistenza/peso, come telai per edifici industriali, capannoni e strutture di supporto per impianti.

6.3. Serie S355 (Fe510) – Prestazioni Elevate

Il grado S355 rappresenta l’acciaio ad alta resistenza più utilizzato in Europa per applicazioni strutturali critiche. Con limite di snervamento di 355 MPa e resistenza a trazione 510-680 MPa, offre prestazioni elevate mantenendo buona saldabilità e lavorabilità.

La resistenza acciai strutturali non legati di questo grado lo rende ideale per ponti, strutture offshore, grattacieli e applicazioni dove la riduzione del peso strutturale è critica. La disponibilità nelle versioni con diversi livelli di resilienza (J0, J2) permette l’utilizzo anche in condizioni climatiche severe.

6.4. Serie S460 – Applicazioni Speciali

Il grado S460, con limite di snervamento di 460 MPa, rappresenta il limite superiore degli acciai non legati strutturali convenzionali. Le applicazioni includono strutture fortemente sollecitate dove è richiesta massima prestazione senza ricorrere ad acciai legati più costosi.

7. Limitazioni degli Acciai Non Legati Strutturali

Gli acciai non legati strutturali hanno delle limitazioni che è importante conoscere prima di prevederne l’utilizzo:

• Resistenza meccanica limitata: massimo 460 MPa per applicazioni strutturali standard
• Temprabilità ridotta: inadeguata per sezioni molto spesse (>100 mm)
• Resistenza alla corrosione: richiede protezioni superficiali in ambienti aggressivi
• Comportamento a fatica: inferiore agli acciai legati per applicazioni cicliche severe
• Temperatura di servizio: limitata a ~350°C per mantenere proprietà meccaniche
• Saldabilità condizionata: dal carbonio equivalente e dallo spessore
• Deformabilità limitata: per operazioni di formatura complesse

8. Proprietà Meccaniche e Caratteristiche Prestazionali

8.1. Limite di Snervamento e Resistenza a Trazione

Il limite di snervamento (ReH) costituisce il parametro fondamentale per il dimensionamento strutturale secondo l’Eurocodice 3. I valori variano in funzione dello spessore del prodotto, riflettendo l’effetto dimensionale sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche.

Per spessori fino a 16 mm si applicano i valori nominali di snervamento, mentre per spessori superiori sono previste riduzioni progressive. La resistenza a trazione mantiene rapporti definiti con il limite di snervamento, garantendo comportamento duttile con rapporto Rm/ReH compreso tra 1,2 e 1,7.

8.2. Resilienza e Tenacità alle Basse Temperature

La resilienza Charpy rappresenta un parametro critico per le applicazioni in condizioni climatiche avverse. I gradi acciai strutturali S235 S275 S355 sono disponibili con diversi livelli di resilienza garantita:

• JR: 27J a +20°C per applicazioni standard
• J0: 27J a 0°C per condizioni moderate
• J2: 27J a -20°C per applicazioni in climi freddi

La tenacità alle basse temperature è influenzata dalla microstruttura, dalle dimensioni del grano e dalla presenza di elementi come manganese e silicio che spostano la temperatura di transizione duttile-fragile.

8.3. Duttilità e Allungamento

L’allungamento percentuale (A%) rappresenta una misura della duttilità del materiale, con valori minimi specificati del 20% per i gradi S235 e S275, e 22% per S355 e S460. Questi valori garantiscono capacità di deformazione adeguata per il comportamento strutturale in condizioni di carico estremo.

La duttilità è fondamentale per la ridistribuzione delle tensioni nelle strutture iperstatiche e per la resistenza al collasso progressivo in condizioni accidentali.

8.4. Modulo di Elasticità e Comportamento a Fatica

Il modulo di elasticità degli acciai strutturali è convenzionalmente assunto pari a 210.000 MPa per tutti i gradi, indipendentemente dalla resistenza meccanica. Questo valore è utilizzato nei calcoli strutturali secondo l’Eurocodice 3.

Il comportamento a fatica è influenzato dalla microstruttura, dalle condizioni superficiali e dalla presenza di intagli. I gradi ad alta resistenza mostrano generalmente migliore resistenza alla fatica a vita finita.

9. Saldabilità e Lavorabilità

9.1. Carbonio Equivalente e Saldabilità

La saldabilità acciai non legati strutturali è valutata principalmente attraverso il carbonio equivalente (CE) calcolato secondo la formula di Dearden e O’Neill: CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15. Per gli acciai strutturali non legati, il CE è tipicamente mantenuto sotto 0,45% per garantire buona saldabilità.

Il controllo del carbonio equivalente permette di limitare la formazione di microstrutture fragili nella zona termicamente alterata (ZTA) e di ridurre la necessità di preriscaldamento durante la saldatura.

9.2. Precauzioni e Procedure di Saldatura

Le procedure di saldatura devono essere qualificate secondo UNI EN ISO 15614 per garantire l’integrità delle giunzioni saldate. Per i gradi S235 e S275 è generalmente sufficiente la saldatura senza preriscaldamento, mentre per S355 e S460 può essere necessario preriscaldamento a 100-150°C in funzione dello spessore.

Le velocità di raffreddamento devono essere controllate per evitare la formazione di martensite nella ZTA, particolarmente critica per spessori elevati e condizioni di vincolo termico severo.

9.3. Lavorazioni Meccaniche e Formatura

Gli acciai strutturali non legati presentano buona lavorabilità per operazioni di taglio, foratura, piegatura e formatura. La resistenza meccanica crescente dai gradi S235 a S460 richiede forze maggiori per le lavorazioni plastiche ma non compromette significativamente la lavorabilità.

Le operazioni di formatura a freddo possono indurre incrudimento localizzato che modifica le proprietà meccaniche nelle zone deformate, aspetto da considerare nella progettazione di componenti formati.

10. Trattamenti Termici e Condizioni di Fornitura

10.1. Condizioni As-Rolled e Normalizzato

Gli acciai non legati strutturali sono forniti principalmente in condizione as-rolled (AR) o normalizzato (N). La condizione as-rolled prevede il raffreddamento in aria dopo laminazione, garantendo proprietà meccaniche adeguate per la maggior parte delle applicazioni.

La condizione normalizzata, ottenuta attraverso riscaldamento a 860-920°C (le temperature variano in funzione della composizione specifica e dello spessore) seguito da raffreddamento in aria, garantisce microstruttura più uniforme e proprietà meccaniche superiori, particolarmente importante per spessori elevati.

10.2. Trattamenti Termomeccanici (TMCP)

I trattamenti termici acciai strutturali termomeccanici (TMCP – Thermo Mechanical Control Process) combinano laminazione controllata e raffreddamento accelerato per ottenere proprietà meccaniche superiori. Questa tecnologia permette di raggiungere gradi elevati mantenendo buona saldabilità.

L’evoluzione dei processi TMCP verso controlli sempre più sofisticati permetterà di ottenere acciai non legati con proprietà meccaniche paragonabili agli attuali acciai microlegati, riducendo i costi di produzione.

10.3. Effetti dei Trattamenti sulle Proprietà

I trattamenti termici influenzano significativamente la microstruttura e le proprietà meccaniche. La normalizzazione produce grano più fine e microstruttura più uniforme, migliorando tenacità e saldabilità. I trattamenti TMCP permettono di ottenere limiti di snervamento elevati mantenendo buona duttilità.

11. Applicazioni Industriali Acciai Strutturali non Legati

11.1. Carpenteria Metallica e Strutture Civili

Le applicazioni costruzioni acciai strutturali nella carpenteria metallica includono telai per edifici, capannoni industriali, strutture commerciali e residenziali. I gradi S235 e S275 sono utilizzati per strutture standard, mentre S355 è preferito per edifici alti e strutture con grandi luci.

La versatilità degli acciai strutturali non legati li rende adatti per tutte le tipologie di collegamenti: bullonati, saldati e misti, garantendo flessibilità progettuale e costruttiva.

11.2. Costruzioni Navali e Offshore

Nel settore navale, gli acciai strutturali non legati sono utilizzati per scafi di navi mercantili, strutture portuali e piattaforme offshore. I requisiti di resilienza alle basse temperature sono particolarmente critici per applicazioni in ambiente marino.

La resistenza alla corrosione marina richiede generalmente protezioni supplementari attraverso rivestimenti protettivi o sistemi di protezione catodica, non essendo gli acciai non legati intrinsecamente resistenti alla corrosione.

11.3. Ponti e Infrastrutture

I ponti rappresentano un’applicazione critica dove la resistenza acciai strutturali non legati è sfruttata al massimo. Il grado S355 è ampiamente utilizzato per ponti di media e grande luce, garantendo sicurezza strutturale e durata nel tempo.

Le sollecitazioni cicliche tipiche delle infrastrutture di trasporto richiedono particolare attenzione al comportamento a fatica e alle verifiche di durabilità strutturale.

11.4. Serbatoi e Apparecchi a Pressione

Gli acciai strutturali non legati trovano applicazione in serbatoi per stoccaggio di liquidi, silos per materiali sfusi e apparecchi a pressione per l’industria di processo. Le specifiche normative richiedono controlli qualitativi più stringenti per garantire l’integrità in servizio.

12. Controllo Qualità e Certificazioni

12.1. Prove Meccaniche Standard

Il controllo qualità prevede prove meccaniche standard secondo UNI EN ISO 6892 per trazione, UNI EN ISO 148 per resilienza Charpy, e controlli di durezza. Le prove sono eseguite su provini prelevati dal prodotto finito secondo schemi di campionamento definiti dalle normative.

La frequenza delle prove varia in funzione del grado di acciaio, dello spessore e della destinazione d’uso, con controlli più rigorosi per applicazioni critiche.

12.2. Controlli Non Distruttivi

I controlli non distruttivi includono esami ultrasonori per la rilevazione di difetti interni, controlli magnetoscopici per difetti superficiali e radiografie per giunzioni saldate. Questi controlli sono obbligatori per applicazioni strutturali critiche.

L’evoluzione delle tecniche di controllo non distruttivo verso sistemi automatizzati e digitalizzati sta migliorando l’affidabilità e riducendo i tempi di controllo.

13. Certificazioni e Attestazioni di Qualità

I certificati di controllo secondo UNI EN 10204 attestano la conformità del materiale alle specifiche richieste. Il tipo 3.1 è generalmente richiesto per applicazioni strutturali, mentre il tipo 3.2 è necessario per applicazioni critiche come ponti e apparecchi a pressione.

14. Considerazioni Progettuali e di Calcolo

14.1. Coefficienti di Sicurezza e Eurocodice 3

L’Eurocodice 3 definisce coefficienti di sicurezza parziali: γM0 = 1,00 per resistenza delle sezioni trasversali, γM1 = 1,00 per resistenza all’instabilità dei membri, γM2 = 1,25 per resistenza delle sezioni nette a trazione, con possibili variazioni negli Annessi Nazionali.

Il metodo dei coefficienti parziali permette di gestire le incertezze sui materiali e sui carichi, garantendo livelli di sicurezza adeguati per tutte le tipologie strutturali.

14.2. Fenomeni di Instabilità e Buckling

I fenomeni di instabilità locale e globale sono particolarmente critici per profili snelli in acciaio. L’Eurocodice 3 fornisce metodologie di calcolo per instabilità flesso-torsionale, instabilità locale di anime e ali, e interazione tra diversi modi di instabilità.

La scelta del grado di acciaio influenza l’efficienza strutturale, con gradi ad alta resistenza che permettono sezioni più snelle ma richiedono verifiche più accurate per l’instabilità.

14.3. Connessioni e Giunzioni

Le connessioni rappresentano elementi critici nelle strutture in acciaio, richiedendo particolare attenzione nella progettazione e nell’esecuzione. L’Eurocodice 3 definisce metodologie di calcolo per connessioni saldate, bullonate e miste.

La scelta del tipo di connessione influenza il comportamento strutturale globale, con connessioni rigide che garantiscono continuità strutturale e connessioni cerniera che permettono rotazioni libere.

15. Domande Frequenti sugli Acciai non Legati Strutturali

Qual è la differenza principale tra gradi S235, S275, S355 nelle applicazioni pratiche?

La differenza principale risiede nel limite di snervamento crescente (235, 275, 355 MPa) che permette di utilizzare sezioni più leggere per le stesse sollecitazioni. Il grado S235 è adatto per strutture standard, S275 per carichi medi, S355 per applicazioni ad alte prestazioni come ponti e grattacieli.

Come influisce lo spessore sulle proprietà meccaniche degli acciai strutturali?

Le proprietà meccaniche diminuiscono all’aumentare dello spessore a causa dell’effetto dimensionale sulla microstruttura. La normativa UNI EN acciai strutturali prevede riduzioni progressive del limite di snervamento per spessori superiori a 16 mm, fino a valori ridotti per spessori oltre 100 mm.

Quali sono i parametri critici per la saldabilità degli acciai strutturali?

Il carbonio equivalente (CE) è il parametro principale, mantenuto sotto 0,45% per buona saldabilità. Altri fattori includono spessore, velocità di raffreddamento, preriscaldamento eventuale e composizione del metallo d’apporto. La saldabilità acciai non legati strutturali è generalmente eccellente per tutti i gradi standard.

È possibile migliorare le proprietà meccaniche attraverso trattamenti termici?

I trattamenti termici acciai strutturali come normalizzazione possono migliorare uniformità e tenacità, ma l’incremento di resistenza è limitato. Per miglioramenti significativi sono necessari acciai legati o microlegati. I trattamenti termomeccanici (TMCP) durante la produzione permettono migliori prestazioni.

Come si valuta la resistenza alla fatica nelle applicazioni strutturali?

La resistenza alla fatica dipende dal grado di acciaio, dalle condizioni superficiali, dalla presenza di intagli e dal tipo di sollecitazione. L’Eurocodice 3 fornisce curve S-N per diverse categorie di dettagli costruttivi, considerando l’effetto di saldature, forature e geometrie complesse.

Quali sono le considerazioni ambientali per gli acciai strutturali?

Gli acciai strutturali sono materiali altamente riciclabili, con contenuto di materiale riciclato fino al 90%. L’analisi del ciclo di vita (LCA) mostra impatti ambientali favorevoli grazie alla lunga durata strutturale e alla riciclabilità completa a fine vita.

Questo articolo fornisce una panoramica tecnica completa degli acciai non legati strutturali, integrando le più recenti normative europee e le migliori pratiche ingegneristiche per professionisti del settore delle costruzioni metalliche.