DIAGRAMMA DI STATO Fe - C

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1 DIAGRAMMA DI STATO Fe - C Prof. G. Poli Univ. di Modena e Reggio Emilia Adattamento da: Prof. F. Iacoviello,Univ. di Cassino Prof. A. Tiziani, Univ. di Padova

2 Ferro puro Densità ρ (20 C): Mg/m 3 Rm = MPa Rp 02 = MPa A% = 40-50% Z = 80-95% HB = E = 210 GPa Oltre alla fusione, il ferro puro presenta due trasformazioni di fase allo stato solido; le temperature corrispondenti vengono indicate con A3 ed A4 (nelle condizioni di equilibrio).

3 Allotropia nel Fe puro

4 Una curiosità (per ora solo scientifica, cioè senza applicazioni tecnologiche) Ad altissime pressioni esiste laforma allotropica Feε, esagonale compatta, chiamata EXAFERRO

5 Influenza degli elementi di lega Il Fe forma delle leghe con un elevato numero di elementi. La messa in soluzione di elementi di lega nel Fe comporta lo spostamento dei punti A3 ed A4. Si definiscono alfageni quegli elementi che stabilizzano la fase ccc, aumentando la temperatura del punto A3 e diminuendo quella del punto A4. Si definiscono gammageni quegli elementi che stabilizzano la fase cfc, diminuendo la temperatura del punto A3 ed aumentando quella del punto A4.

6 Elementi fortemente gammageni Elementi debolmente gammageni

7 Elementi fortemente alfageni Elementi debolmente alfageni

8 Soluzioni solide di equilibrio nel sistema Fe-C: Ferrite α = soluzione solida interstiziale di C in ferro ccc stabile fino a 911 o C. La massima solubilità si ha a 723 o C e vale circa 0,02%, mentre a temperatura ambiente si riduce a un terzo: in pratica è ferro tecnicamente puro. Ferrite δ = soluzione solida interstiziale di C in ferro ccc stabile oltre 1392 o C. La solubilità massima è in questo caso di 0.09% a 1493 o C. Austenite = soluzione solida interstiziale di C in ferro cfc, stabile tra 723 e 1493 o C detta anche fase γ. La solubilità è massima a 1143 o C (temperatura eutettica) e vale circa 2,06%.

9 La cementite Cementite = composto intermetallico di formula Fe 3 C, corrispondente alla composizione di 6,67% in peso (25% atomico) di C. Reticolo ortorombico con 12 atomi di Fe e 4 atomi di C per cella. T f =1550 C; durezza elevata; duttilità nulla fase metastabile a morfologia lamellare, globulare o a maglie La fase stabile è la grafite (lamellare, o a fiocchi o nodulare)

10 Una curiosità: diagramma C-Fe completo

11 la parte che riguarda le leghe Fe-C tecniche

12 Diagramma di stato Fe-C nella forma nota

13 Legenda: α= ferrite α δ = ferrite δ γ = austenite Fe 3 C = cementite L = liquido Fasi termodinamicamente stabili Diagramma Fe-C ufficiale, approvato dalla Associazione Italiana di Metallurgia, AIM

14 Diagramma Fe-C: sistema metastabile tratto intero; sistema stabile tratto tratteggiato

15 Campo di stabilità del sistema monofasico ferrite α

16 Campo di stabilità del sistema monofasico ferrite δ

17 Campo di stabilità del sistema monofasico austenite γ

18 Campo di stabilità del sistema monofasico cementite Fe 3 C

19 Campo di stabilità del sistema monofasico C grafitico

20 LEGENDA: Fasi del sistema Fe-C

21 Trasformazione eutettica

22 Trasformazione eutettoidica

23 Trasformazione perittetica

24 Punti critici nel sistema Fe-C Definizioni: A 1 = luogo dei punti T limite inferiore di esistenza di γ (723 C) A 3 = Luogo dei punti T che separano il campo di γ da quello del sistema bifasico α + γ A 4 = Luogo dei punti T che separano il campo di γ da quello del sistema bifasico γ + δ A cm = Luogo dei punti T che separano il campo di γ da quello del sistema bifasico γ + Fe 3 C Punto T = valore di temperatura Per ognuno dei punti critici si possono distinguere: Ae : T di equilibrio della trasformazione Ac : T alla quale la trasformazione avviene mediante riscaldamento Ar : T alla quale la trasformazione avviene mediante raffreddamento

25 Punti critici nel sistema Fe-C A 1 A 3 A 4 A cm

26 Una semplificazione Forma semplificata del diagramma di stato: Si considera nulla la solubilità del C nel reticolo ccc del ferro α; Si trascura l esistenza della reazione peritettica;

27 Suddivisioni convenzionali

28 Costituenti microstrutturali

29 Strutture da solidificazione delle ghise

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31 Le strutture delle ghise

32 Le strutture delle ghise

33 Diagramma Fe-C: il campo degli acciai

34 Le strutture degli acciai DIAGRAMMA DI FASE Fe-C

35 La struttura dell acciaio eutettoidico

36 Le strutture degli acciai ipoeutettoidici

37 Le strutture degli acciai ipereutettoidici

38 PERLITE aggregato eutettoidico generato dalla trasformazione isotermica dell austenite. Presenta l 11% in peso di cementite Fe 3 C e l 89% in peso di ferrite α. L aggregato è generalmente lamellare. La cementite è la fase nucleante. Un parametro importante è la distanza interlamellare

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40 SISTEMA Fe C: riassunto fasi e strutture

41 1 approfondimento: Nel reticolo ccc c è più spazio libero che in quello cfc, ma : Perché il C è più solubile nel Fe-γ che nel Fe-α?

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43 Valutando la variazione dovuta alla temperatura, il ferro α e il ferro δ hanno la stessa costante reticolare: il Fe α e il Fe δ non sono due forme reticolari distinte del ferro, bensì la stessa forma ccc, la quale manifesta una lacuna di esistenza tra 900 e 1400 C

44 Il C nel Fe-α Siti interstiziali nel Fe-α Raggio atomico del Fe

45 Il C nel Fe-γ Siti interstiziali nel Fe-γ Raggio atomico del Fe

46 IMPACCHETTAMENTO DEGLI ATOMI NEL Fe

47 Il carbonio si scioglie nel ferro γ e molto poco nel ferro α: PERCHE? Gli schemi di Leno Matteoli La soluzione solida. sostituzionale interstiziale

48 Nel reticolo cfc, dove gli atomi sono più stipati, tutto lo spazio vuoto è concentrato al centro della cella unitaria. C (diametro atomico = 0.8 Å) deve infilarsi in un sito ottaedrico nel Fe-g di dimensioni = 0.52 Å provocando una leggera distorsione del reticolo Solubilità max del Carbonio nel Fe-γ = 2.03% in peso Nel reticolo ccc, lo spazio vuoto è suddiviso in varie zone del reticolo, e perciò è più difficilmente utilizzabile da atomi estranei per formare soluzioni solide interstiziali. C (diametro atomico = 0.8 Å) deve infilarsi in uno spazio di diametro 0.36 Å : forte distorsione del reticolo Solubilità max del Carbonio nel Fe-α = 0.02% in peso Conclusione: La solubilità del carbonio nel ferro α esiste ma nella gran parte dei casi è trascurabile ai fini pratici Se considerata in concomitanza ad altri fattori, quali per es: la presenza di azoto o di ossigeno, può avere una influenza assai importante agli effetti di un fenomeno spettacolare nelle sue manifestazioni esteriori, quale l invecchiamento dell acciaio!!!