Trattamenti termici dei metalli
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- Fabio Fiorini
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1 Trattamenti termici dei metalli
2 TRATTAMENTI TERMICI Trasformazioni di fase: termodinamica vs cinetica Trattamenti che portano le leghe verso le condizioni di equilibrio (es: ricottura) Trattamenti che portano le leghe verso le condizioni di non equilibrio (es: tempra di soluzione)
3 CINETICA DEL PROCESSO DI SOLIDIFICAZIONE La nucleazione è un processo attivato: può aver luogo solo in seguito al superamento di una barriera energetica termodinamica La trasformazione di fase necessita la ridistribuzione degli atomi o molecole tramite processi diffusivi cinetica Trasformazione di fase isoterma Al variare della temperatura?
4 CINETICA DEL PROCESSO DI RICRISTALLIZZAZIONE Percentuale di ricristallizzazione in funzione del tempo ed a temperatura costante, per il rame puro
5 DIAGRAMMI IT O TTT
6 DIAGRAMMI IT O TTT
7 CICLO TERMICO
8 VELOCITÀ DI RAFFREDDAMENTO v r = dt dt T = cos t v r T = t Riferimento acciai: 780 C
9 APPARATO SPERIMENTALE PER LA DETERMINAZIONE DELLE VARIAZIONI MICROSTRUTTURALI
10 STRUTTURE OTTENIBILI DALL AUSTENITE Velocità di raffreddamento Inferiori alla velocità critica Raffreddamento tempra riscaldamento rinvenimento Superiori alla velocità critica Troostite Osmondite Sorbite Perlite Perlite globulare lamellare PERLITI Martensite rinvenuta Austenite instabile Martensite BAINITI
11 ACCIAIO EUTETTOIDICO α Tan α = dt dt
12 ACCIAIO EUTETTOIDICO
13 ACCIAIO EUTETTOIDICO
14 MARTENSITE La martensite si forma quando l austenite è raffreddata rapidamente a temperatura ambiente Si forma quasi istantaneamente quando la temperatura richiesta è raggiunta. La trasformazione austenite-martensite non richiede diffusione (diffusionless) Ogni atomo si sposta di una piccola distanza (sub-atomica) per trasformare la cella CFC del γ-fe nella cella cubica a corpo centrato tetragonale della martensite (struttura simile alla CCC, ma con un asse della cella unitaria più lungo degli altri due) La martensite è meno densa della austenite La martensite è metastabile, cioè può persistere indefinitamente a temperatura ambiente, ma si trasformerà nelle fasi di equilibrio se riscaldata a temperatura elevata La martensite può coesistere con altre fasi e microstrutture nel sistema Fe-C
15 TEMPERATURA Ms E Mf Ms [ C] = %C 33.3 %Mn 17 %Cr 17 %Ni 21 %Mo Mf [ C] = Ms-120
16 TEMPERATURA Ms Ms [ C] = %C 33.3 %Mn 17 %Cr 17 %Ni 21 %Mo
17 MARTENSITE (a) Cella elementare CFC di Fe-γ con un atomo di carbonio in un vuoto interstiziale ottaedrico (b) Cella elementare CCC del Fe-α con un minore vuoto interstiziale (c) Cella elementare TCC della martensite ottenuta tramite distorsione della cella elementare CCC da parte di un atomo di C interstiziale
18 COSTANTI RETICOLARI DELLA MARTENSITE
19 DUREZZA DELLA MARTENSITE Durezza indicativa di un acciaio al carbonio a struttura interamente martensitica in funzione del tenore di C La regione in grigio indica la possibile perdita di durezza dovuta alla presenza di austenite residua, meno dura della martensite
20 DIAGRAMMA CCT
21 DIAGRAMMA CCT
22 INTERVALLI DI TEMPERATURA DEI TRATTAMENTI TERMICI
23 RICOTTURA COMPLETA E DI SFEROIDIZZAZIONE Ricottura completa: trattamento che consente di ottenere microstruttura composta da ferrite proeutettoidica e perlite per acciai ipoeutettoidici, perlite per gli eutettoidici e cementite proeutettoidica e perlite per gli ipereutettoidici Ricottura di sferoidizzazione (detta anche di globulizzazione o di coalescenza): trattamento termico tendente a trasformare la cementite in una struttura sferoidale di tipo grafitico; migliora la lavorabilità sia alle macchine utensili sia per deformazione plastica a freddo
24 RICOTTURA DI LAVORABILITÀ E NORMALIZZAZIONE Ricottura di lavorabilità (detta anche distensione): trattamento che consente di addolcire parzialmente gli acciai al carbonio deformati a freddo eliminando le tensioni interne dovute alla deformazione stessa Normalizzazione: trattamento che consente di ottenere microstruttura composta da ferrite proeutettoidica e perlite fine per acciai ipoeutettoidici, perlite fine per gli eutettoidici e cementite proeutettoidica e perlite fine per gli ipereutettoidici. Consente di ottenere affinazione della struttura del grano, aumento della resistenza meccanica e struttura più uniforme
25 RINVENIMENTO Processo di riscaldamento di un acciaio martensitico, realizzato in genere dopo un processo di tempra Viene realizzato ad una temperatura inferiore alla temperatura di trasformazione eutettoidica Rende l acciaio meno duro e resistente, ma in compenso più duttile e tenace
26 TEMPRA E RINVENIMENTO
27 TEMPRA E RINVENIMENTO Austenitizzazione dell acciaio Raffreddamento veloce per ottenere martensite, evitando la trasformazione dell austenite in ferrite e cementite Riscaldamento ad una temperatura inferiore alla temperatura Riscaldamento ad una temperatura inferiore alla temperatura eutettodica per diminuire la durezza della martensite, trasformandola in una struttura composta da particelle di carburo di ferro in una matrice ferritica
28 DUREZZA DELLA MARTENSITE
29 TEMPRA MARTENSITICA DIFFERITA
30 TEMPRA MARTENSITICA DIFFERITA Processo utilizzato per minimizzare le deformazioni e le cricche di tempra che si possono formare durante un raffreddamento non omogeneo di un materiale trattato termicamente Austenitizzazione dell acciaio Tempra in olio caldo o sali fusi ad una temperatura appena sopra la temperatura Ms Permanenza dell acciaio nel mezzo di tempra per uniformare la temperatura, con interruzione del trattamento isotermico prima della trasformazione dell austenite in bainite Raffreddamento a temperatura ambiente con una velocità moderata per prevenire il crearsi di elevate differenze di temperatura Rinvenimento tradizionale
31 TEMPRA BAINITICA
32 TEMPRA BAINITICA Processo utilizzato per aumentare la tenacità e la duttilità di alcuni acciai Austenitizzazione dell acciaio Tempra in un bagno di sali fusi ad una temperatura appena sopra la temperatura Ms Permanenza dell acciaio alla temperatura Ms per consentire la trasformazione dell austenite in bainite Raffreddamento in aria fino a temperatura ambiente
33 RAFFORZAMENTO PER PRECIPITAZIONE DI UNA LEGA BINARIA Diagramma di stato binario per due metalli A e B aventi una soluzione solida limiteαcon solubilità allo stato solido di B in A decrescente con la diminuzione della temperatura
34 RAFFORZAMENTO PER PRECIPITAZIONE DI UNA LEGA BINARIA 1. Solubilizzazione: Riscaldamento ad una temperatura compresa tra le temperature di solvus e di solidus per un tempo necessario ad ottenere una soluzione solida uniforme 2. Tempra di soluzione: Raffreddamento rapido a temperatura ambiente, solitamente in acqua (si ottiene soluzione solida sovrassatura di fase α) 3. Invecchiamento: naturale o artificiale, consente una distribuzione di precipitati finemente dispersi
35 RIPRECIPITAZIONE O INVECCHIAMENTO Curva schematica di invecchiamento (resistenza meccanica o durezza in funzione del tempo) a una particolare temperatura per una lega indurita per precipitazione
36 ENERGIA DI PRODOTTI DI INVECCHIAMENTO Il livello energetico più alto corrisponde alla soluzione solida sovrassatura, mentre il livello energetico più basso corrisponde al precipitato di equilibrio. La lega può modificarsi spontaneamente dal livello di energia più alto a quello più basso se c è una sufficiente energia di attivazione per la trasformazione e se le condizioni cinetiche sono favorevoli
37 LEGA Al-4%Cu
38 PRECIPITATO COERENTE ED INCOERENTE Il precipitato coerente è associato a un alta energia di deformazione e a una bassa energia superficiale (zone di Gunier-Preston), mentre quello incoerente è associato a una bassa energia di deformazione e ad una alta energia superficiale
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