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Jun 07, 2023

Mettere il pedale sul metallo e altri materiali in movimento

Recent advancements in polymers, metals, and composites are taking the

I recenti progressi nel campo dei polimeri, dei metalli e dei compositi stanno portando l’industria manifatturiera in direzioni audaci, spesso inaspettate

Gli esseri umani hanno iniziato a trasformare i metalli in forme utili millenni fa, prima con il rame e l’oro, poi il bronzo, seguito dal ferro e dall’acciaio. I polimeri hanno una storia molto più breve, poco più di un secolo, ma da allora sono diventati altrettanto importanti quanto le loro controparti metalliche.

Poi ci sono i nuovi arrivati ​​nell'evoluzione dei materiali, tra cui la plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP) e i compositi a matrice metallica, che sono diventati sempre più popolari negli ultimi anni grazie alla loro resistenza e rigidità, al peso relativamente basso e alla "regolabilità" per varie applicazioni.

Le innovazioni continuano in tutto lo spettro dei materiali, producendo un mix eclettico di formulazioni avanzate con proprietà specifiche per l'applicazione per migliorare resistenza, durata e formabilità, riducendo al contempo il peso e migliorando la sostenibilità. Non che ci siano mai stati molti dubbi, ma lo sviluppo dei materiali moderni è davvero una scienza.

Ironicamente, uno degli attori più affermati in questo serraglio di materiali, l’acciaio, sta ancora una volta cercando di guidare il gruppo, almeno nel mondo automobilistico. Questo perché l'acciaio avanzato ad alta resistenza (AHSS) e l'acciaio ad altissima resistenza (UHSS) hanno preso il posto di guida in molti progetti di automobili e camion, grazie al loro peso e ai vantaggi ambientali.

Secondo l’American Iron and Steel Institute (AISI), i cosiddetti acciai di terza generazione “possono ridurre il peso strutturale di un veicolo fino al 25% e ridurre le emissioni totali di CO2 del ciclo di vita fino al 15% in più rispetto a qualsiasi altro materiale automobilistico”. , Washington DC

Chris Kristock, vicepresidente del programma automobilistico dell'AISI, ha osservato che l'industria siderurgica ha attraversato diverse fasi distinte nel percorso verso questi acciai ad alta resistenza. "Alcuni di noi potrebbero ricordare le Checker Cab degli anni Cinquanta, praticamente indistruttibili, i cui pannelli della carrozzeria erano realizzati con leghe di carbonio e manganese di grosso spessore", ha detto. "Allora, la resistenza veniva ottenuta utilizzando materiali più spessi, una pratica inaudita al giorno d'oggi."

Il primo passo verso metalli più sottili è avvenuto con l'aggiunta di colombio, titanio, vanadio e elementi di lega simili, che servono tutti ad aumentare la resistenza mantenendo una buona duttilità. Tuttavia, non tutti i miglioramenti sono puramente metallurgici. Le case automobilistiche svilupparono presto il processo di stampaggio a caldo, in cui l'acciaio contenente quantità leggermente superiori di carbonio e manganese (e un po' di boro) viene riscaldato a 982° C (1.800° F) durante la formatura, quindi raffreddato mentre è ancora nello stampo. E sebbene questo processo producesse componenti resistenti e di alta qualità, le case automobilistiche volevano di più.

Kristock ha spiegato che gli acciai Gen3 sono di natura bifase, con una microstruttura ferritico-martensitica che aumenta significativamente le loro proprietà meccaniche.

"L'acciaio tradizionale a basso tenore di carbonio ha un limite di snervamento per la formazione di circa 210 megapascal (MPa) o 30.000 psi", ha affermato. "Tuttavia i produttori di acciaio hanno iniziato a distribuire leghe commerciali che possono essere stampate a freddo con carico di snervamento nell'ordine di 800 MPa e resistenza alla trazione associata di 1.180 MPa, con alcuni gradi per stampaggio a caldo in grado di raggiungere livelli di carico di snervamento nelle parti finite fino a 1400 MPa o fino a sette volte quella dell'acciaio dolce con resistenza a trazione associata fino a 1500 MPa. E non sono finiti: vediamo che sono all'orizzonte acciai con un livello di resistenza 10 volte superiore."

Come affermato all’inizio, l’uomo produce acciaio da millenni. Quindi cosa è cambiato? Questi enormi miglioramenti sono dovuti a elementi di lega recentemente scoperti o a metodi di produzione drasticamente diversi?

La risposta, ha spiegato Krisstock, è nessuna delle due. "Grazie ai controlli avanzati dei processi e a una serie di miglioramenti tecnologici, siamo meglio attrezzati per manipolare il trattamento termico che avviene durante la produzione dell'acciaio", ha affermato. "Possiamo riscaldare e raffreddare l'acciaio in modo tale da rompere il tradizionale rapporto tra resistenza e duttilità."