Introduzione ai trattamenti termici

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1 Introduzione ai trattamenti termici Punti critici Curve TTT e CCT G.M. La Vecchia Università di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica Utilizzo del diagramma di stato Il diagramma di stato è rigorosamente applicabile solo a condizione che il raffreddamento della lega sia sufficientemente lento (successivi stati di equilibrio) Bisogna integrare le conoscenze acquisite con quelle relative all influenza della velocità di raffreddamento/riscaldamento sulle trasformazioni indicate sul diagramma di stato (effetto della cinetica)

2 I trattamenti termici sono operazioni termiche alle quali vengono sottoposti i metalli o le leghe metalliche allo stato solido, allo scopo di ottenere una determinata struttura e determinate proprietà finali Effetti collaterali: cambiamento delle condizioni geometriche (distorsioni) e superficiali (ossidazioni, decarburazioni), e dello stato delle tensioni interne dei pezzi (cricche) T Fase di riscaldo 2. Fase di mantenimento 3. Fase di raffreddamento t I PUNTI CRITICI: Il ferro puro Temperatura, C T f Fe δ A 4 Fe γ liquido A 3 Fe α % C Fe 3 C

3 I PUNTI CRITICI: Gli acciai ipoeutettoidici Temperatura, C Fe δ Fe γ liquido A 3 A 1 Fe α X % C Fe 3 C A 1 :temperatura dell equilibrio austenite perlite A 3 : temperatura d equilibrio austenite ferrite A cm : temperatura d equilibrio austenite cementite Per gli acciai ipereutettoidici, al di sopra della quale è stabile solo l austenite Fe δ liquido Temperatura, C Fe α Fe γ Ae cm % C Fe 3 C

4 Influenza della velocità di raffreddamento sui punti critici Si forma perlite e ferrite contemporaneamente A r3 A r1 ferrite Perlite grossolana Bainite sup. Perlite fine Bainite inf martensite V raffr. [ C/sec] [ C/s] Due nuovi costituenti strutturali <<< Bainite A r3 ferrite Ar Martensite A r1 Perlite grossolana Per un acciaio ipoeutettodico, la trasformazione austenite perlite per v raffr elevata ( 120< v raffr <200) la struttura che si ottiene (sempre eutettoidica in lamelle) ha lamelle sempre più fini 120 Perlite fine Bainite sup. Per v raffr > 200 C/sec compare Bainite Vi Bainite inf martensite Vs Ar V raffr. [ C/s] Per v raffr =Vi (velocità critica inferiore di raffreddamento) Ar1 si sdoppia: parte della trasf. avviene a T=Ar e parte alla T= Ar

5 Trasformazione martensitica Al di sotto di M s non si ha più trasformazione isoterma di un acciaio eutettoidico: austenite martensite MARTENSITE = soluzione solida omogenea sovrassatura di C Trasformazione martensitica: trasformazione a scatto dell austenite, cioè mediante movimento coordinato di atomi e senza fenomeni diffusivi la composizione chimica della martensite è identica a quella dell austenite di partenza La martensite ferro α in struttura distorta con austenite Max durezza per distorsione reticolare c.c.c Ferrite Austenite martensite Cubico corpo centrato (ccc) Cubico facce centrate (cfc) C Fe Micrografia SEM >> c.c.c (interstiziale) Micrografia microscopio ottico >>

6 Martensite in acciaio ipoeutettoidico Martensite in acciaio ipereutettoidico Struttura caratterizzata da un alta densità di dislocazioni, elevato stato tensionale residuo bassa tenacità La bainite Soluzione solida ferro α + aghetti di carburo (forma aciculare) A differenza della martensite, ci sono ancora le strutture di equilibrio La diffusione degli atomi di C è ancora possibile, ma i carburi che si formano sono sempre più fini, non visibili al microscopio ottico A differenza della perlite non ha aspetto lamellare : Fe 3 C presente sottoforma di particelle isolate in matrice α Micrografia SEM Ferrite Cubico corpo centrato (ccc)

7 Trasformazione bainitica nell intervallo [500 C m s =230 C] la trasformazione isoterma di un acciaio eutettoidico: austenite bainite (superiore o inferiore) trasformazione bainitica: nucleazione + accrescimento Tipi di raffreddamento Partendo da fase γ (struttura austenitica) Due modalità per passare da θ a 20 C: θ raffreddamento continuo raffreddamento discontinuo 20 C Vraffr tempo

8 Trasformazione isoterma dell austenite N.B: Esperienza di Bain su acciaio eutettidico (0.77% C) Punti critici Ar1 e Ar3 coincidono Forma primitiva della curva di Bain per un acciaio eutettoidico in basso le curve di Bain erano errate Curve TTT acciaio eutettoidico Campi di esistenza strutture II Campo Trasformazione di (A) nelle strutture finali III Campo Strutture trasformate I Campo Austenite instabile (A) Trasformazione non isoterma (A) M Inizio trasformazione (A) res B Forma definitiva della curva di Bain per un acciaio eutettoidico

9 Curva TTT per un acciaio eutettoidico lettura curve Curva di inizio trasformazione Curva di fine trasformazione CURVE DI TRASFORMAZIONE ISOTERMA DELL AUSTENITE (CURVE T.T.T.) 1 2 T > A 3 T < A 1 T = 20 C T > A 3 T < A 1 T = 20 C austenitizzazione bagno di sali fusi H 2 O 3 4 T > A 3 T < A 1, t T = 20 C T > A 3 T < A 1 T = 20 C

10 temperatura T austenitizzazione A 3 = A 1 0, ln t (s) temperatura T austenitizzazione A 3 = A 1 inizio trasformazione 0, ln t (sec)

11 temperatura T austenitizzazione A 3 = A 1 fine trasformazione 0, ln t [s] Curva di Bain (curva TTT) per un acciaio eutettoidico

12 a) curve di Bain per un acciaio ipoeutettoidico b) curve di Bain per un acciaio ipereutettoidico Sia la posizione sia la forma delle curve T.T.T. sono influenzate dagli elementi di lega: spostamenti delle curve di inizio e di fine trasformazione verso tempi più lunghi, quindi verso destra, rispetto agli acciai al solo C (fa eccezione il Co) Anche le temperatura M s e M f subiscono variazioni: tutti gli elementi di lega, tranne il Co, spostano verso il basso M s e M f Questo può causare la presenza di (A) a temperatura ambiente

13 Influenza degli elementi di lega Cr, Mo Acciai da bonifica ( elementi in lega) notevole stabilità dell austenite in campo temp.intermedie Acciai inox martensitici trasformazione finita solo in campo martensitico Curve di trasformazione anisoterma dell austenite Curve CCT (Continuous Cooling Curves) Nella pratica industriale i trattamenti termici eseguiti sono contraddistinti da leggi di raffreddamento continue La maggiore o minore severità della legge di raffreddamento produce per l acciaio riscaldato a T>Taustenitizzazione diverse strutture a Tambiente.

14 Curve di trasformazione anisoterma dell austenite (curve c.c.t.- Continuous Cooling Curves ) Ipo-eutettoidico Iper-eutettoidico a) b) Vs = velocità critica superiore min velocità di raffreddamento tale per cui a temp. ambiente ho solo struttura martensitica Vi = velocità critica inferiore max velocità di raffreddamento tale per cui a temp. ambiente non ho struttura martensitica Valgono per le curve anisoterme le stesse considerazioni fatte per le isoterme sui fattori che ne influenzano forma e posizione Spostamento delle curve in basso e a dx: - aggiunta di tutti gli elementi di lega (tranne Co)

15 Influenza degli elementi di lega Cr, Mo Acciai da bonifica ( elementi in lega) Acciai inox martensitici Processo produttivo: laminazione a caldo Taustenitizzazione= 920 C Stessa dimensione del grano % (A) trasformata Durezza HB

16 Caso reale di curva CCT durezza Proprietà meccaniche in funzione della microstruttura Durezza HRC funzione della % di C e della % di Martensite

17 Proprietà meccaniche in funzione della microstruttura Rp0,2 Rm Legame tra Rm e Rp0,2 in funzione della microstruttura