Il processo di nitrimento comporta la diffusione di azoto nella superficie dell'acciaio, formando uno strato duro e ricco di azoto. Questo strato è composto da nitruri di ferro e altri nitruri, aumentando significativamente la durezza della superficie dell'acciaio. Il risultato è una barriera resistente all'usura che aiuta a resistere ai danni delle forze abrasive e allo stress da contatto, entrambi noti che contribuiscono al fallimento della fatica. In ambienti ad alto stress, la superficie indurita impedisce al materiale di superficie di uscitarsi, che altrimenti creerebbero irregolarità che fungono da siti di iniziazione per le fessure. La capacità di resistere all'usura della superficie migliora direttamente la resistenza alla fatica minimizzando il potenziale di inizio delle crepe a causa del degrado della superficie.
Nitriding non solo aumenta la durezza, ma migliora anche significativamente l'integrità complessiva della superficie dell'acciaio. Introducendo atomi di azoto, la superficie diventa più uniforme e densa, eliminando o riducendo la presenza di micro-crack, porosità e difetti superficiali. Imperfezioni di superficie come fosse, graffi o vuoti possono agire come concentratori di sollecitazione durante i cicli di carico ripetuti, portando a una formazione prematura delle crepe. Creando una superficie più fluida e più priva di difetti, il nitriding riduce al minimo la possibilità di tali imperfezioni, che altrimenti potrebbero causare la formazione e la propagazione delle fessure. Questa maggiore integrità della superficie, in particolare in condizioni di stress ad alto stress, impedisce l'inizio di fessure, che è essenziale per mantenere la durata del materiale sotto carico ciclico.
Uno degli effetti più critici e benefici della nitriding è la formazione di sollecitazioni residue di compressione sulla superficie dell'acciaio. Durante il nitriding, l'azoto si diffonde nell'acciaio, causando una leggera espansione della superficie, che crea sollecitazioni di compressione. Queste sollecitazioni di compressione sono altamente benefiche perché contrastano le sollecitazioni di trazione, che sono la causa principale dell'inizio e della propagazione della crepa nei metalli. Nei materiali sottoposti a carico ciclico, le sollecitazioni di trazione possono portare alla formazione di microcrack, che possono eventualmente crescere in fratture più grandi. Presentando le sollecitazioni di compressione, il nitriding migliora la resistenza dell'acciaio all'iniziazione del crack e lo rende meno incline alla frattura in cicli di carico ripetuti. Questo fenomeno è particolarmente prezioso nei componenti esposti ad ambienti ad alto stress e a rischio di fatica, come parti automobilistiche, ingranaggi o pale di turbine.
In acciaio non trattato, una volta che una fessura di fatica inizia a formarsi, può propagare rapidamente attraverso il materiale, in particolare in condizioni di fluttuazione o sollecitazioni alterni. Tuttavia, quando le barre di acciaio subiscono nitriding, lo strato nitrurato duro riduce significativamente la velocità con cui le crepe possono propagare. La superficie indurita e le sollecitazioni residue di compressione indotte creano una barriera che resiste alla crescita del crack. In particolare, lo strato nitrurato impedisce il progresso delle fessure che potrebbero formare a causa della fatica, rallentando la loro crescita e migliorando la resistenza del materiale al fallimento catastrofico. Lo strato superficiale duro e denso fornisce ulteriori resistenza e tenacità che aiutano a prevenire l'espansione delle fessure, in particolare in condizioni di stress ciclico. Di conseguenza, barre in acciaio nitrided Sperimenta una durata di servizio più lunga, anche in applicazioni altamente impegnative in cui l'affaticamento è una preoccupazione primaria.
Mentre il nitriding rafforza principalmente la superficie attraverso un aumento della durezza, migliora anche la resistenza superficiale, un fattore importante nella resistenza alla fatica. La tenacità superficiale si riferisce alla capacità del materiale di assorbire l'energia e resistere all'inizio e alla propagazione della crepa sotto stress. Il processo di nitrimento modifica la microstruttura dell'acciaio in superficie, promuovendo un aumento sia della tenacità che della resistenza. Questa superficie più dura aiuta ad assorbire l'energia dall'impatto o dai carichi fluttuanti, che riducono la probabilità di iniziazione in fessura. Nelle applicazioni ad alta stress, questa maggiore tenacia migliora la capacità del materiale di resistere al carico ripetitivo senza sperimentare la frattura in stadio iniziale o la propagazione delle crepe che potrebbero verificarsi in acciaio non trattato.3
