Diagramma Fe-C. Fe 3 C 3Fe +C

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1 Diagramma Fe-C Il ferro ed il carbonio si combinano tra loro per dare un carburo di formula Fe 3 C contenente il 6,67% in peso di carbonio, che prende il nome di cementite; pertanto nel seguito si descriverà quella regione del diagramma di stato che riguarda le leghe con tenore di carbonio compreso tra lo 0 e il 6,67%. Nella figura sono riportati il diagramma completo ferro-carbonio con linee tratteggiate, e il diagramma completo ferro-cementite con linee continue. Quest ultimo, al di sotto di una temperatura pari a circa 810 C, rappresenta condizioni di metastabilità, poichè il carburo di ferro ha la tendenza a decomporsi secondo la seguente reazione per dare ferro e grafite: Fe 3 C 3Fe +C 1

2 Diagramma ferrocementite (linee continue); ferro-grafite (linee tratteggiate). 2

3 La velocità di decomposizione della cementite in assenza di opportuni catalizzatori (ad esempio il silicio) è estremamente lenta a temperature prossime a quella ambiente e tale velocità cresce fortemente con la temperatura (pertanto a temperatura prossima a quella ambiente il carburo di ferro esiste come tale per tempi infinitamente lunghi). In generale, per leghe con tenore di carbonio maggiore del 4,3%, la cementite primaria, formatasi sopra 1147 C, si può dissociare anche con raffreddamenti abbastanza rapidi, mentre per leghe con tenore di carbonio compreso tra il 2,06% e il 4,3% la cementite formatasi a 1147 C, si decompone più difficilmente; infine per leghe con tenore di carbonio minore del 2,06% la cementite si separa a temperature tra 1147 C e 723 C e non si dissocia in modo significativo. Concludendo, secondo i dati termodinamici, le vere condizioni di equilibrio stabile a temperature minori di 810 C sono presentate dal diagramma ferro-carbonio (grafite) che ha andamento analogo al precedente, ma con le linee leggermente spostate verso l alto e a sinistra; invece a temperature superiori a 810 C le condizioni di equilibrio stabile sono rappresentate dal diagramma ferro-cementite (anche se molto spesso i due diagrammi sono riportati assieme). E necessario infine sottolineare che da un punto di vista pratico per lo studio degli acciai interessa esclusivamente il diagramma di stato ferro-carburo di ferro, mentre per lo studio delle ghise presenta interesse anche quello ferro-carbonio (grafite). 3

4 Varietà allotropiche del ferro Il ferro puro è polimorfo e può presentarsi in diverse modificazioni allotropiche, ossia: - ferro (Fig. -a), a reticolo cubico a corpo centrato (c.c.c.), stabile fino a 911 C, ma ferromagnetico solo fino a 769 C (punto di Curie) dove perde appunto le sue proprietà magnetiche. Alcuni autori designano la varietà non magnetica del ferro come ferro. Essa non va considerata come una varietà allotropica del ferro, non avendo un reticolo cristal1ino diverso dal primo, ma presentando solo una diversa distribuzione degli elettroni nei vari livelli di energia. A differenza infatti delle trasformazioni allotropiche che si manifestano ad una ben determinata temperatura, la trasformazione magnetica avviene in un dato intervallo temperatura. Così la temperatura di 769 C deve essere considerata approssimata; - ferro (Fig.-b), a reticolo cubico a facce centrate (c.f.c.), stabile tra 911 C e 1392 C; - ferro (Fig-a) a reticolo cubico a corpo centrato (c.c.c.) stabile tra i 1392 C e i 1536 C (punto di fusione del ferro). Struttura cubica a corpo centrato del ferro (a); e a facce centrate del ferro (b). 4

5 Il graduale raffreddamento del ferro puro inizialmente allo stato liquido porta alla sua solidificazione a 1536 C; i cristalli formatisi hanno un reticolo cubico a corpo centrato. Continuando con il raffreddamento, alla temperatura di 1392 C, avviene la trasformazione allotropica del ferro in ferro che alla temperatura di 911 C a sua volta si trasforma in ferro. Le costanti reticolari delle diverse varietà allotropiche del ferro in funzione della temperatura sono riportate nella figura. Si deve innanzitutto rilevare che esse crescono linearmente al crescere della temperatura e che l andamento del parametro reticolare del ferro giace sul prolungamento (estrapolato) di quello del ferro. - Costanti reticolari delle varietà allotropiche del ferro in funzione della temperatura. 5

6 In particolare è importante notare le brusche variazioni subite dalle costanti reticolari, passando da una varietà allotropica ad un altra, cioè a 911 C da un valore di a = 2,86 Å per il ferro ad uno di 3,63 Å per il ferro γ a 1392 C da 3,63 Å per il ferro ad un valore di 2,93 Å per il ferro. Per concludere, poichè la diversità tra le costanti reticolari del ferro e ferro è dovuta al solo effetto della dilatazione termica con il crescere della temperatura, si deve ritenere che il ferro ed il ferro rappresentino una identica fase a reticolo cubico a corpo centrato, che possiede una lacuna di esistenza nell intervallo di temperature compreso tra 911 C e 1392 C, intervallo nel quale è stabile il ferro. Il fenomeno della trasformazione del ferro da magnetico a non magnetico non introduce alcuna sostanziale modifica nel diagramma di stato Fe Fe 3 C. Infatti la trasformazione magnetica è generalmente segnalata su tale diagramma con una linea tratteggiata parallela all asse delle composizioni all altezza di circa 769 C. Il tenore di carbonio non influisce sulla temperatura della trasformazione. Inoltre tale trasformazione non altera la solubilità del carbonio nel ferro. In base a quanto si è ora detto il ferro non magnetico verrà nel seguito considerato identico al ferro. Ricordiamo infine che il carbonio è solubile nel ferro-γ in quantità notevole (la massima solubilità si ha a 1147 C con un tenore di carbonio pari a 2,06%), mentre non è praticamente solubile nel ferro (massima solubilità a 723 C pari allo 0,02%). Quest ultima solubilità è di scarso interesse pratico e viene spesso trascurata nello studio del diagramma ferro-carburo di ferro. 6

7 Cementite La cementite è il composto tra ferro e carbonio, di formula Fe 3 C. Ha un reticolo cristallino ortorombico complesso e si presenta nei prodotti siderurgici come prodotto duro e fragile. Negli acciai essa assume diverse morfologie, ovvero: a globuli (cementite globulare), a laminette alternate a quelle di ferrite (cementite eutettoidica o cementite nella perlite), o a laminette depositate al bordo dei grani di perlite (cementite secondaria o cementite ipereutettoidica). La cementite manifesta, come il ferro, una trasformazione magnetica senza alterazione della struttura reticolare. Tale trasformazione è senza isteresi e si estende per un certo intervallo di temperatura. 7

8 Fasi e costituenti strutturali Nello studio dei fenomeni che si verificano nelle leghe ferro-carbonio è necessario prendere in considerazione da una parte la formazione, modificazione e scomparsa di talune fasi e dall altra, la natura, la morfologia e la cinetica di formazione di taluni costituenti strutturali. Questi sono due argomenti distinti nel senso che il primo, riferendosi alle fasi, alla varianza, ecc., stabilisce i concetti fondamentali per la conoscenza completa del diagramma Fe Fe 3 C dal punto di vista termodinamico; il secondo, invece, riferendosi alla quantità, alla morfologia, alla distribuzione e alla proprietà dei singoli costituenti strutturali, mette in evidenza i concetti essenziali sui quali si fonda la messa a punto dei trattamenti termici dei prodotti siderurgici allo scopo di ottenere le migliori e desiderate proprietà complessive finali. Sono infatti i costituenti strutturali che con le loro proprietà individuali, la loro forma, la loro dimensione, la loro distribuzione e i loro rapporti in peso, caratterizzano a livello macroscopico la lega, conferendo ad essa determinate proprietà medie, e quindi rendendola adatta per certe applicazioni. Nel caso del diagramma ferro-carburo di ferro, la denominazione delle fasi è: - fase liquida o soluzione di carbonio nel ferro liquido; - fase, fase (austenite), fase α (ferrite); - fase Fe 3 C (cementite). Quando invece si tratta di costituenti strutturali eterogenei, cioè dell eutettico (formato da austenite satura eutettica e cementite) o dell eutettoide (formato da ferrite eutettoidica e cementite) vanno usate rispettivamente le denominazioni di 8 ledeburite e di perlite.

9 I punti critici Le temperature alle quali hanno luogo le trasformazioni da un varietà allotropica all altra vengono indicate con la lettera A (anomalia) seguita da un indice numerico stabilito convenzionalmente. Per il ferro puro esse sono così indicate: A 4, temperatura della trasformazione γ (1392 C); A 3, temperatura della trasformazione γ ( 911 C). Talvolta in alcuni testi viene indicata con A 2 la temperatura di Curie, che, come si è detto, è di assai limitata importanza per il metallurgista. Nel caso di leghe la trasformazione da una fase ad un altra non avviene ad una temperatura fissa, bensì entro un intervallo di temperatura. Si definiscono pertanto punti critici delle leghe a base di ferro i seguenti: A 4 : temperatura corrispondente a quella di equilibrio fase γ-tracce di fase. Al di sotto di essa è stabile l austenite, al di sopra aumenta progressivamente la ferrite. Nel diagramma Fe- Fe 3 C il luogo dei punti A 4 al variare del contenuto in carbonio è costituito dalla linea NJ. A 3 : temperatura corrispondente a quella di equilibrio fase γ-tracce di fase. Al di sopra di essa è stabile l austenite (o austenite + cementite per gli acciai con tenore di carbonio compreso tra 0.8 e 2.06%), sotto incomincia a formarsi la ferrite. In figura corrisponde alla spezzata GSM. Per le leghe ferro-carbonio vengono definiti due ulteriori punti critici: A 1 : temperatura corrispondente all equilibrio austenite eutettoidica (0,8% di C)-perlite. Corrisponde alla linea PM a 723 C nel diagramma di fig. l. Per acciai ipereutettoidici, cioè con tenore di carbonio compreso tra 0,8 e 2,06%, si ha A 3 = A 1 ; A cm : temperatura corrispondente all equilibrio austenite-tracce di cementite. Tale punto critico compare solo per acciai ipereutettoidici, ovvero con tenore di carbonio compreso tra 90,8 e 2,06% e corrisponde alla linea SE di figura

10 Le transizioni di fase non avvengono nella pratica alle temperature previste in base ai diagrammi di stato, ma presentano dei ritardi dovuti a fenomeni di isteresi la cui entità dipende dalla velocità di raffreddamento o di riscaldamento. Pertanto si usa distinguere i punti critici denotando con e (es. A e3 ) quelli determinati in condizioni di equilibrio, con c (es. A c3 ) quelli determinati al riscaldamento e con r (es. A r3 ) quelli al raffreddamento. In pratica può essere utile indicare anche la velocità di riscaldamento o di raffreddamento con la quale i punti critici sono stati determinati. 10

11 Fenomeni alla solidificazione di leghe con tenore di carbonio minore del 2.06% (Acciai) Incominciamo ora lo studio del diagramma ferro-carburo di ferro; si tratta cioè, partendo da una lega completamente allo stato liquido, di mettere in evidenza tutte le modificazioni che avvengono nel sistema (in termini di fasi e di costituenti strutturali) quando questa lega viene raffreddata molto lentamente fino a temperatura ambiente. Per motivi di chiarezza e di uso pratico faremo una distinzione fra leghe con tenore di carbonio minore o uguale a 2,06% (acciai) e leghe con tenore di carbonio compreso fra 2,06% e 6,67% (ghise). Inoltre, per una generica lega, i fenomeni al raffreddamento verranno descritti facendo un ulteriore distinzione tra: a) fenomeni alla solidificazione, cioè fenomeni che avvengono fino a quando l ultima goccia di liquido si è solidificata; b) fenomeni al raffreddamento, cioè fenomeni che avvengono quando si porta la lega, completamente solidificata, fino a temperatura ambiente. Inoltre, parlando degli acciai si esamineranno separatamente le leghe con tenore di carbonio minore o uguale a 0.51% e le leghe con tenore di carbonio compreso tra 0.51% e 2.06%. 11

12 Leghe con tenore di carbonio minore o uguale a 0,51% Si deve innanzitutto studiare la regione superiore del diagramma ferro-carburo di ferro, cioè quella a diretto contatto con la verticale del ferro puro, e a tale scopo la ingrandiamo opportunamente come riportato nella figura. Nel seguito le diverse linee verranno assimilate a delle rette per semplificare la costruzione del diagramma. In figura si sono evidenziate: con AB la retta di liquidus, con AH quella di solidus, con HN e con JN la retta di formazione nel corso del raffreddamento dalla soluzione solida dei primi nuclei di soluzione solida γ e viceversa, nel corso del riscaldamento, dalla soluzione solida γ dei primi nuclei di soluzione solida δ. La retta HJB è l orizzontale peritettica e il punto B, il punto di transizione. I cristalli di soluzione solida δ sono stabili nel campo AHN; la massima solubilità del carbonio nel ferro δ si ha alla temperatura peritettica (1493 C) ed è circa dello 0,10%. Nel campo AHB sono in equilibrio le fasi δ ed il liquido, in quello HNJ le fasi e γ ed in quello JBCE la fase γ e il liquido. Infine nel campo NJE sono stabili i cristalli di soluzione solida γ e al di sopra della retta ABC è stabile il liquido. 12

13 Si supponga di partire da una lega fusa C 1, minore di quello corrispondente al punto H (<0,10%), e di lasciarla raffreddare molto lentamente. Quando essa si porte alle temperatura del punto S 1, situato sulla retta di liquidus AB, cominciano a separarsi i primi nuclei di soluzione solida δ, la cui composizione si legge nel punto di incontro della orizzontale per S 1 con la retta di solidus AH. Il raffreddamento continua allora più lentamente con i nuclei di soluzione solida δ che si vanno via via accrescendo ed arricchendo in carbonio secondo la retta AH, mentre il liquido con essi in equilibrio modifica la propria composizione chimica secondo la retta AB. Quando il punto rappresentativo del sistema giunge in S 1, scompaiono le ultime tracce di liquido e la lega è praticamente tutta solidificata nella soluzione solida δ, avente la stessa composizione chimica del liquido di partenza. Se ora si prosegue nel raffreddamento, dal punto S 1 IV comincia a nuclearsi e successivamente ad accrescersi nella fase la soluzione solida γ (fenomeno di smiscelamento) la cui composizione chimica varia secondo la retta JN. E solo allorchè il punto rappresentativo del sistema arriva in S 1 V c é solo la soluzione solida γ, che resta l unica fase presente. 13

14 Lega con un tenore di carbonio pari a C 2. Quando il punto rappresentativo del sistema incontra la retta di liquidus AB in S 2, ha inizio la solidificazione con formazione dal liquido dei primi nuclei di cristalli di soluzione solida δ, la cui composizione chimica successivamente si modifica secondo la retta di solidus AH. La solidificazione procede regolarmente fino a quando il punto rappresentativo del sistema perviene in S p2. Qui compaiono i primi nuclei di una terza fase, ovvero di soluzione solida γ J (0,16%), accanto alle fasi preesistenti, ovvero la soluzione solida δ H (0,10% C) e il liquido L B (0,51% C). Tale fase compare a seguito delle trasformazione peritettica, ovvero della reazione a. δ H + b. L B γ J nella quale i coefficienti a e b valgono: Il sistema è invariante e si ha pertanto un arresto nella diminuzione della temperatura fino alla completa scomparsa della fase liquida. A questo punto il sistema δ H e γ J, riprende a raffreddarsi con la soluzione solida γ che varia di composizione chimica lungo la retta JN ed aumenta la propria percentuale in peso, e con quella δ che viceversa diminuisce la propria percentuale in peso, 14

15 Il sistema è invariante e si ha pertanto un arresto nella diminuzione della temperatura fino alla completa scomparsa della fase liquida. A questo punto il sistema, solidificato e costituito dalle due soluzioni solide coniugate δ H e γ J, riprende a raffreddarsi con la soluzione solida γ che varia di composizione chimica lungo la retta JN ed aumenta la propria percentuale in peso, e con quella δ che viceversa diminuisce la propria percentuale in peso, modificando il proprio tenore di carbonio lungo la retta HN. Quando la soluzione solida γ si è portata alla composizione chimica del punto S 2, uguale a quella del liquido di partenza, la fase è del tutto scomparsa. 15

16 Lega liquida di composizione C 4, a destra del punto J, la differenza sostanziale, che si riscontra nei fenomeni alla solidificazione rispetto al caso precedente si ha in S p4 dove ha ancora luogo la trasformazione peritettica con arresto nella diminuzione della temperatura, ma questa volta però al termine della trasformazione peritettica si ha la completa scomparsa della soluzione solida δ H e si ha, come risultato finale, un sistema in cui sono in equilibrio la fase solida γ J e la fase liquida L B. Come conseguenza di ciò, la solidificazione della lega termina nel punto S 4, con formazione della sola fase solida γ di composizione chimica corrispondente a quella del liquido di partenza. 16

17 Riassumendo si può dire che nei casi di leghe Fe-C con C < 0,51% si ottiene, come risultato della solidificazione ed eventualmente di un breve raffreddamento successivo, la formazione di cristalli di soluzione solida γ di tenore in carbonio uguale a quello del liquido di partenza. Nello studio ulteriore del diagramma ferro-carburo di ferro si può allora trascurare il campo di esistenza della soluzione solida δ e quindi, nel tracciare il diagramma completo, si tiene in generale conto della semplificazione ora introdotta (vedi per esempio figura successiva). Diagramma di stato semplificato Fe - Fe 3 C per lo studio delle leghe ferro-carbonio con C<2,06%. 17

18 Leghe con tenore di carbonio compreso tra lo 0,51% e il 2,06% I fenomeni che avvengono durante la solidificazione di una lega fra lo 0,51% ed il 2,06% si semplificano non dovendosi prendere in considerazione la trasformazione peritettica. Così, una lega individuata dal punto S 3 comincia a solidificare in S 3, depositando nuclei di cristalli di soluzione solida γ di composizione chimica pari a quella del punto T. Il liquido e la soluzione solida γ, che si va formando da esso, modificano gradualmente le proprie composizioni, rispettivamente lungo le rette di liquidus AC e di solidus AE. La solidificazione ha termine nel punto S 3 con la scomparsa delle ultime gocce di liquido e la formazione di una soluzione solida γ di composizione chimica pari a quella del liquido di partenza. Dal punto di vista dei costituenti strutturali, al termine della solidificazione di una lega a tenore di carbonio minore del 2,06% si è in presenza di sola austenite. 18

19 Fenomeni alla solidificazione di leghe con tenore di carbonio compreso tra 2.06% e 6.67% Si prendano ora in esame i fenomeni che avvengono nel corso della solidificazione di leghe con tenore di carbonio maggiore del 2,06% (ghise) e per ragioni di chiarezza si consideri nell ordine una lega con contenuto di carbonio minore di 4,3% (ghisa ipoeutettica), una lega con contenuto uguale al 4,3% (ghisa eutettica) e una lega avente più del 4,3% (ghisa ipereutettica). 19

20 Diagramma Fe - Fe 3 C semplificato e completo; (b) e (c) diagramma dei costituenti strutturali e delle fasi presenti per le leghe ferro-carbonio alla temperatura di 1147 C al termine della solidificazione. Lega S 1 : nel punto S 1 ha inizio la solidificazione del liquido con formazione di γ H. Tali cristalli si accrescono al procedere del raffreddamento, modificando la loro composizione lungo la retta di solidus AE, mentre il liquido, con essi in equilibrio, va diminuendo in quantità variando la propria composizione lungo la retta di liquidus AC. Per esempio, alla temperatura T 1 la soluzione solida omogenea γ M è in equilibrio con il liquido di composizione chimica pari a quelle del punto N e il rapporto in peso fra solido e liquido è uguale a quello dei segmenti S 1 N e S 1 M. Quando il sistema si trova a una temperatura di poco superiore a quella dell eutettico si è in presenza di una soluzione solida primaria γ E in equilibrio con il liquido di composizione eutettica C. Alla temperatura eutettica compaiono i primi cristalli di Fe 3 C e la solidificazione del liquido eutettico procede a temperatura costante (condizione di invarianza per la presenza di due fasi. solide γ E e Fe 3 C e di una liquida L C ) fino a quando si è completata la formazione dell eutettico, denominato ledeburite, formato da una miscela di soluzione solida γ (austenite eutettica satura; punto E) e di carburo di ferro 20 (cementite eutettica punto F).

21 Per quanto si riferisce ai costituenti strutturali, la lega alla fine della solidificazione risulta formata da cristalli primari di austenite satura dispersi in una matrice di ledeburite. (a) Diagramma Fe - Fe 3 C semplificato e completo; (b) e (c) diagramma dei costituenti strutturali e delle fasi presenti per le leghe ferro-carbonio alla temperatura di 1147 C al termine della solidificazione. 21

22 Nel caso di una lega fusa di tenore di carbonio maggiore di 4,3%, punto S 3, la solidificazione inizia nel punto della linea di liquidus CD con separazione di cristalli primari di carburo di ferro, deposizione che continua con il raffreddamento fino alla orizzontale eutettica. Qui avviene a temperatura costante la solidificazione del liquido eutettico con formazione di ledeburite. La lega risulta pertanto costituita, al termine della solidificazione, da cristalli di cementite primaria in una matrice di ledeburite. 22

23 Per la lega eutettica, infine, la solidificazione ha inizio nel punto C e procede a temperatura costante fino a quando tutto il liquido eutettico non si è solidificato. La struttura è interamente ledeburitica, non essendosi depositati in precedenza nè cristalli primari di austenite nè di cementite. 23

24 A titolo riassuntivo viene riportata nel diagramma di fig. -b la percentuale in peso dei costituenti strutturali presenti ad una temperatura di poco inferiore a 1147 C, in funzione del tenore di carbonio. Si può notare che i costituenti strutturali sono: solo austenite non satura per leghe con C%< 2,06%; austenite satura primaria e ledeburite per leghe con 2,06% < C% < 4,3%, ledeburite per la lega eutettica (C = 4,3%) infine cementite primaria e ledeburite per leghe con C% > 4,3%. Questa figura può essere ulteriormente completata per dare le fasi presenti dopo completa solidificazione semplicemente unendo il punto E al punto F (Fig. 7-c). In particolare il punto D sulla verticale CC individua graficamente la percentuale in peso del Fe-γ eutettico (austenite eutettica) e del Fe 3 C eutettico (cementite eutettica) presenti nella ledeburite. Se infine si unisce E con D e D con F si possono evidenziare i triangoli EDF e E DF i quali permettono di conoscere le percentuali in peso di Fe-γ (austenite eutettica) e di Fe 3 C (cementite eutettica) presenti nella ledeburite, in funzione 24 del tenore di carbonio.

25 Diagramma di stato semplificato Fe - Fe 3 C per lo studio delle leghe ferro-carbonio con C<2,06%. Fenomeni al raffreddamento di leghe (allo stato solido) ferro-carbonio con tenore di carbonio minore di 2,06% Nel considerare i fenomeni che avvengono nel corso del raffreddamento di leghe ferrocarbonio con C% minore di 2,06% allo stato solido si fa ancora riferimento al diagramma completo e semplificato di figura. E necessario innanzitutto, prima di descrivere i fenomeni al raffreddamento, tener ben presente due aspetti fondamentali tipici del diagramma ferro-carburo di ferro, ossia la diminuzione di solubilità del carbonio nel Fe-γ al diminuire della temperatura (vedi linea ES) e l esistenza della trasformazione allotropica del Fe-γ in Fe-α (spezzata GSK). Premesso questo, riprendiamo nell ordine la descrizione dei fenomeni al raffreddamento di una lega eutettoidica (C% = 0,8%), ipoeutettoidica (C% < 0,8%) ed ipereutettoidica (C% > 0,8%) in termini 25 di costituenti struttura1i e di fasi.

26 Nella lega S 1, contenente esattamente lo 0,8% di carbonio.: l austenite, non satura anche con l abbassarsi della temperatura, si raffredda senza subire modificazioni fino alla orizzontale eutettoidica (723 C). Qui avviene la trasformazione eutettoidica dei cristalli di austenite eutettoidica, tramite un meccanismo di nucleazione ed accrescimento di noduli del costituente strutturale eutettoidico, denominato perlite, formato da laminette alternate di cristalli di ferro α e di carburo di ferro. La temperatura rimane costante (invarianza per la presenza di tre fasi Fe-γ, Fe-α, Fe 3 C) fino a quando tutta l austenite si è trasformata in perlite il cui tenore medio di carbonio è pari allo 0,8%. Tale successione di fenomeni è stata visualizzata schematicamente nella successiva figura. 26

27 Questa lega a temperatura ambiente è costituita da sola perlite, nella quale sono presenti le due fasi Fe-α e Fe 3 C nelle percentuali in peso: Rappresentazione schematica delle strutture assunte da un acciaio eutettoide nel corso di un lento raffreddamento. 27

28 Nella lega ipoeutettoidica S 2 : l austenite si raffredda senza subire trasformazioni fino al punto S 2, situato sulla linea GS. In questo punto si ha la comparsa dei primi cristalli di ferrite α primaria i quali si accrescono al diminuire della temperatura: contemporaneamente l austenite si arricchisce in carbonio secondo la linea GS. Come si raggiunge in S E2 la orizzontale eutettoidica, compare accanto alla ferrite α ed all austenite eutettoidica (in percentuali in peso che stanno inizialmente tra loro come i segmenti S E2 S e S E2 P), un primo nodulo di perlite. La temperatura rimane costante (invarianza per la presenza di tre fasi Fe-α, Fe-, Fe 3 C) fino a quando tutta l austenite di composizione eutettoidica si è trasformata in perlite. La lega risulta pertanto costituita a temperatura ambiente da cristalli di ferrite α primaria in una matrice di perlite ed in termini di fasi ancora e solo da Fe-α e Fe 3 C. Le trasformazioni che avvengono sono state schematicamente visualizzate nella figura 28 successiva.

29 Rappresentazione schematica delle strutture assunte da un acciaio ipoeutettoidico nel corso di un lento raffreddamento. 29

30 Pertanto la lega a temperatura ambiente risulta costituita da cementite secondaria e da perlite. In termini di fase si ha ancora la presenza di Fe-α e Fe 3 C uniche fasi stabili a temperatura ambiente, che però hanno variato il proprio rapporto in peso rispetto al caso precedente. Lega ipereutettoidica S 3 : l austenite si raffredda senza subire trasformazioni fino a quando diventa satura (punto S 3V ) sulla retta SE. Si ha allora la segregazione di cristalli di cementite secondaria al contorno dei cristalli di austenite satura. La cementite è detta secondaria per distinguerla da quella chiamata primaria che si separa dal liquido nella zona del diagramma ferro-carbonio a temperatura maggiore di 1147 C e per tenori di carbonio maggiori del 4,3%, e da quella chiamata terziaria che si può separare dalla ferrite α a temperatura minore di 723 C e tenore di carbonio minore o uguale a 0,02%. La formazione di cementite continua al diminuire della temperatura attraverso un accrescimento dei cristalli, sotto forma di laminette disposte lungo i contorni dei grani di austenite. Come conseguenza, l austenite si va impoverendo di carbonio secondo la linea ES, fino a quando raggiunge il tenore di carbonio dello 0,8% in corrispondenza della orizzontale eutettoidica. La percentuale in peso di questa austenite sta a quella della cementite secondaria come il segmento S E3 K sta a quello S E3 S. La temperatura della lega rimane costante fino a quando tutta l austenite eutettoidica si è 30 trasformata in perlite.

31 Rappresentazione schematica delle strutture assunte da un acciaio ipereutettoidico nel corso di un lento raffreddamento La distribuzione della cementite secondaria nella struttura dell acciaio si presenta come una rete a maglie tendenzialmente continua e regolare che non contorna, però, totalmente i noduli di perlite. In altre parole la cementite secondaria si presenta in forma di sottili lamine che contornano i grani di austenite. Occorre osservare però che i grani di austenite non sono mai completamente circondati dalla cementite secondaria poichè la massima quantità di cementite secondaria che si può separare in un acciaio ipereutettoidico è quella di un acciaio al 2,06% di carbonio e vale circa il 21,5%, come si può facilmente verificare. Le trasformazioni ora descritte sono state visualizzate schematicamente nella figura. 31

32 Fenomeni al raffreddamento di leghe con tenore di carbonio maggiore del 2,06% I fenomeni che avvengono nel corso del raffreddamento di leghe ferrocarbonio allo stato solido con C% > 2,06%, hanno luogo nella austenite satura primaria o nella ledeburite che, come si è detto, contiene l austenite eutettica satura nella percentuale in peso del 51,5%. La cementite eutettica della ledeburite o la cementite primaria rimangono totalmente inalterate. Per quanto riguarda l austenite primaria satura (o eutettica) essa si modifica nel senso di diminuire il proprio tenore di carbonio secondo la retta ES mediante la formazione di cementite secondaria fino a portarsi alla temperatura eutettoidica ad un tenore di carbonio dello 0,8%. Qui essa si trasforma isotermicamente nella perlite che rimane poi tale fino a temperatura ambiente. 32

33 Per la lega eutettica solidificata i fenomeni al raffreddamento dal punto di vista dei costituenti strutturali sono deducibili dalla figura.a, a partire dalla orizzontale eutettica a) Diagramma schematico e semplificato Fe - Fe 3 C; b) e c) costituenti strutturali, rispettivamente all inizio e fine della trasformazione eutettoidica nella ledeburite trasformata contenuta in leghe ferro-carbonio con C 2,06%. 33

34 La solidificazione aveva dato origine alla ledeburite formata da austenite eutettica (in percentuale in peso pari al 51,5%) e da cementite eutettica (in percentuale in peso pari al 48,5%). Nel corso del raffreddamento, mentre la cementite eutettica rimane inalterata, l austenite eutettica si va via via impoverendo in carbonio secondo la linea ES attraverso la formazione di cementite secondaria e a 723 C si porta ad un tenore di carbonio pari allo 0,8%. Alla temperatura eutettoidica, nella lega sono presenti la cementite eutettica (48,5%), la cementite secondaria e l austenite eutettoidica. Per quanto riguarda le percentuali in peso della cementite secondaria e dell austenite eutettoidica all inizio della trasformazione eutettoidica, esse si ricavano semplicemente ricordando che a 723 C la cementite totale (ossia la cementite eutettica più la cementite secondaria) sta all austenite eutettoidica come il segmento SS E2 sta al segmento S E2 K ovvero: Tenendo conto ora del fatto che la cementite eutettica è rimasta percentualmente invariata si ha: - cementite eutettica = 48,5%; - cementite secondaria = cementite totale - cementite eutettica = 11,1% - austenite eutettoidica = 34 40,4%

35 Una costruzione grafica è facilmente eseguibile. Infatti basta riportare, in fig -b, sulla verticale CC, il segmento CH, corrispondente alla percentuale in peso di austenite eutettoidica (pari al 40,4%) e verificare che il prolungamento della retta FH passa per il punto S situato sulla verticale per S e che il segmento DH, corrispondente alla percentuale in peso di cementite secondaria, ha un valore pari a 11,1%. Il diagramma si completa congiungendo D e H con E e F ottenendo così i costituenti strutturali presenti nella ledeburite trasformata in leghe Fe-C con C > 2,06% a temperatura di poco superiore ai 723 C (per esempio a 723 C + 1 C). 35

36 A questo punto nella lega a temperatura di 723 C avviene la trasformazione completa dell austenite eutettoidica in perlite. Pertanto, al termine di tale trasformazione, nella lega sono presenti la cementite eutettica per il 48,5%, la cementite secondaria per l 11,1% e la perlite per il 40,4%, che rimangono tali fino a temperatura ambiente. Ricordando ora che la perlite è costituita dal 12% di cementite eutettoidica e dall 88% di ferrite eutettoidica, nella lega lediburitica trasformata sono presenti a temperatura ambiente: - cementite eutettica = 48,5% - cementite secondaria = 11,1%; - cementite eutettoidica = 4,85%; - ferrite eutettoidica = 35,55% 36

37 La costruzione grafica di fig. -b, viene pertanto completata in quella di fig. -c, semplicemente riportando sulla verticale CC un segmento CI pari alla percentuale in peso di ferrite eutettoidica (35,55%) e verificando che il prolungamento del segmento IF passi per il punto G sulla verticale per G e che il segmento HI, corrispondente alla percentuale di cementite eutettoidica, sia pari al 4,85%. Si completa infine il diagramma congiungendo il punto I con i punti E ed E. a) Diagramma schematico e semplificato Fe - Fe 3 C; b) e c) costituenti strutturali, rispettivamente all inizio e fine della trasformazione eutettoidica nella ledeburite trasformata contenuta in leghe ferro-carbonio con C 2,06%. 37

38 - Per la lega contenente il 2,06% di carbonio i fenomeni che avvengono nel corso del raffreddamento a partire da 1147 C con la lega completamente solidificata possono essere descritti così: - la lega è inizialmente costituita interamente da austenite satura. Dall austenite satura si forma per segregazione la cementite secondaria, mentre la austenite si impoverisce di carbonio secondo la linea ES. Al raggiungimento della temperatura eutettoidica, i costituenti strutturali della lega sono la cementite secondaria e l austenite eutettoidica nelle percentuali in peso che corrispondono ai segmenti SS E4 e S E4 J, ovvero: 38

39 Alla temperatura di 723 C l austenite eutettoidica, la cui percentuale in peso è pari all 88,5%, si trasforma completamente in perlite. Pertanto da una temperatura di poco inferiore a quella eutettoidica fino a temperatura ambiente, le lega è costituita da cementite secondaria (21,5%) e perlite (88,5%). Se, infine, si tiene conto che le perlite è e sua volta formate dal 12% di cementite eutettoidica e dall 88% di ferrite α eutettoidica, nella lega si distinguono: - cementite seconderia = 21,5%; - cementite eutettoidica = 9,4%; - ferrite eutettoidica = 69,1%. 39

40 Infine per una lega di composizione ipereuttica dopo la solidificazione è costituita da ledeburite e da cementite primaria. Nel corso del raffreddemento successivo solo le ledeburite si trasforma nel modo già descritto nel caso precedente. Pertanto, al di sotto della orizzontale eutettoidica, i costituenti strutturali sono la ledeburite trasformata e la cementite primaria. 40

41 A titolo riassuntivo nella tabella seguente sono riportate le fasi e la loro collocazione nei diversi costituenti per le leghe ferro-carbonio al di sotto della temperatura eutettoidica; tra queste sono di nuovo riportate quelle con carbonio maggiore o eguale a 2,06%. Quadro riassuntivo dei costituenti strutturali e delle fasi nelle leghe Fe-C con tenore di carbonio maggiore o eguale a 2,06% (ghise). 41

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