L'acciaio è una lega, un metallo combinato di ferro e carbonio. Il contenuto di carbonio dell'acciaio raggiunge un massimo dell'1,5 percento. A causa della sua durezza e resistenza, l'acciaio viene utilizzato nella costruzione di edifici, ponti, automobili e una miriade di altre applicazioni di produzione e ingegneria.
La maggior parte dell'acciaio prodotto oggi è semplice acciaio al carbonio o semplicemente acciaio al carbonio. Il carbonio nell'acciaio esiste allo stato di carburo di ferro. Sono presenti anche altri elementi, tra cui zolfo, fosforo, manganese e silicio.
Contenuto di carbonio dell'acciaio
L'acciaio al carbonio è definito come l'acciaio che ha le sue proprietà principalmente dovute al suo contenuto di carbonio e non contiene più dello 0,5 percento di silicio e l'1,5 percento di manganese. Gli acciai al carbonio semplici, che vanno dallo 0,06 percento di carbonio all'1,5 percento di carbonio, sono divisi in quattro tipi:
- Acciaio dolce morto, fino allo 0,15% di carbonio
- Acciaio a basso tenore di carbonio o dolce, dallo 0,15% allo 0,45% di carbonio
- Acciaio a medio tenore di carbonio, dallo 0,45% allo 0,8% di carbonio
- Acciaio ad alto tenore di carbonio, dallo 0,8 all'1,5% di carbonio
Questi acciai passano da più teneri a più duri, ma tendono anche ad aumentare la fragilità. Il primo tipo è utilizzato nelle carrozzerie delle automobili. Il secondo tipo si trova nelle rotaie e nei prodotti ferroviari come giunti, alberi a gomiti, assali, ingranaggi e pezzi fucinati. Il terzo tipo viene utilizzato negli utensili da taglio e nelle linee ferroviarie e l'ultimo tipo viene utilizzato nei pistoni e nei cilindri.
Proprietà fisiche di base dell'acciaio
L'acciaio ha una densità di 7.850 kg/m3, rendendolo 7,85 volte più denso dell'acqua. Il suo punto di fusione di 1.510 C è superiore a quello della maggior parte dei metalli. In confronto, il punto di fusione del bronzo è 1.040 C, quello del rame è 1.083 C, quello della ghisa è 1.300 C e quello del nichel è 1.453 C. Il tungsteno, tuttavia, fonde a una temperatura bruciante di 3410 C, il che non sorprende poiché questo elemento viene utilizzato nei filamenti delle lampadine.
Il coefficiente di espansione lineare dell'acciaio a 20 C, in µm per metro per grado Celsius, è 11,1, il che rende più resistente al cambiamento delle dimensioni al variare della temperatura rispetto, ad esempio, al rame (16,7), allo stagno (21,4) e al piombo (29.1).
Acciaio inossidabile
Gli acciai inossidabili sono impiegati nella costruzione quando la resistenza alla corrosione è una risorsa importante, come con i coltelli che devono mantenere un bordo tagliente. Un altro motivo comune per cui vengono utilizzati gli acciai inossidabili sono le loro proprietà alle alte temperature. In alcuni progetti, la resistenza all'ossidazione ad alta temperatura è un requisito assoluto, mentre in altri, la resistenza alle alte temperature è un'esigenza primaria.
Additivi all'acciaio
Piccole quantità di altri metalli aggiunti all'acciaio ne modificano le proprietà in modo favorevole a determinate applicazioni industriali. Ad esempio, il cobalto determina una maggiore permeabilità magnetica e viene utilizzato nei magneti. Il manganese aggiunge forza e durezza e il prodotto è adatto per attraversamenti ferroviari pesanti. Il molibdeno mantiene la sua resistenza alle alte temperature, quindi questo additivo è utile quando si realizzano punte per trapani veloci. Il nichel e il cromo resistono alla corrosione e vengono solitamente aggiunti nella produzione di strumenti chirurgici in acciaio.