Mtll Metallurgia Diagramma di fase Fe - C

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1 Mtll Metallurgia Diagramma di fase Fe - C Prof. Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25 Orario di ricevimento: i Mercoledì Tel.-fax iacoviello@unicas.itit Sito didattico:

2 Densità ρ (20 C): 7870 kg/m 3 R m = MPa R e = MPa A% = 40-50% Z = 80-95% HB = E = 210 GPa Il Ferro puro Temperatura T f (1538 C) A 4 (1394 C) Diagramma di fase Fe C Feδ (CCC) liquido Feγ (CFC) Feδ (CCC) Oltre alla fusione, il ferro puro presenta due trasformazioni di fase allo stato solido; le temperature corrispondenti vengono indicate con A 3 ed A 4 (nelle condizioni di equilibrio). A 3 (912 C) 770 C Feα (CCC) Feγ (CFC)

3 Influenza degli elementi di lega Diagramma di fase Fe C 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 A 3 ed A 4. Si definiscono alfageni quegli elementi che stabilizzano la fase CCC, aumentando la temperatura del punto A 3 e diminuendo quella del punto A 4. Si definiscono gammageni quegli elementi che stabilizzano la fase CFC, diminuendo la temperatura del punto A 3 ed aumentando quella del punto A 4.

4 DIAGRAMMA Fe-C Diagramma di fase Fe C Il sistema stabile si riferisce al diagramma Fe-C (linee tratteggiate) e permetterà di analizzare i processi di solidificazione e raffreddamento delle ghise grigie (o grafitiche)

5 DIAGRAMMA Fe-C Diagramma di fase Fe C Il sistema metastabile si riferisce al diagramma Fe-Fe 3 C (linee continue) e permetterà di analizzare i processi di solidificazione e raffreddamento degli acciai e delle ghise bianche (o cementitiche)

6 Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti: Ferrite α: soluzione solida interstiziale di C nel ferro α (solubilità max pari a 0.02% 02% a 727 C); il reticolo è CCC;

7 Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti: Ferrite δ: soluzione solida interstiziale di C nel ferro δ (solubilità max pari a 0.1% a 1487 C); il reticolo è CCC;

8 Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti: Austenite γ: soluzione solida interstiziale di C nel ferro γ; il reticolo è CFC;

9 Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti: Cementite (Fe 3 C): la sua composizione corrisponde ad un tenore del 6.67% 67% in C. Si tratta di un composto interstiziale, metastabile che tende a decomporsi in ferrite (oppure austenite) e grafite secondo la reazione Fe 3 C 3Fe + C gr

10 Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti: Carbonio puro (grafite) C gr : la solubilità del Fe nel C gr è nulla

11 Il sistema binario Fe-C pòs può subire detipi due differenti di evoluzione, in funzione della fase ricca in C che si forma (cementite oppure C gr ). I due tipi di evoluzione non avvengono mai simultaneamente. I due diagrammi sono caratterizzati da: una trasformazione eutettica Diagramma metastabile l ( 4.3% C ) FeC 3 + +γ (2.11% C ) 1148 C l(4.25% C) Diagramma stabile 1153 C C gr ledeburite +γ (2.03% C)

12 Il sistema binario Fe-C pòs può subire detipi due differenti di evoluzione, in funzione della fase ricca in C che si forma (cementite oppure C gr ). I due tipi di evoluzione non avvengono mai simultaneamente. I due diagrammi sono caratterizzati da: una trasformazione eutettoidica Diagramma metastabile γ ( 077%. C ) Fe3 C + α ( 002%. C ) 727 C perlite Diagramma stabile γ(. 069% C) C + α(. 002% C) 738 C gr

13 Il sistema binario Fe-C pòs può subire detipi due differenti di evoluzione, in funzione della fase ricca in C che si forma (cementite oppure C gr ). I due tipi di evoluzione non avvengono mai simultaneamente. I due diagrammi sono caratterizzati da: una trasformazione peritettica l(0.51% C) + δ (0.1% C) 1487 C γ (0.16% C)

14 A 1 A 3 A 4 A cm Punti critici : T equilibrio austenite perlite : T equilibrio austenite ferrite α A : T equilibrio i austenite ferrite δ : T equilibrio austenite cementite Diagramma di fase Fe C

15 A 1 A 3 A 4 A cm Punti critici : T equilibrio austenite perlite : T equilibrio austenite ferrite α A : T equilibrio i austenite ferrite δ : T equilibrio austenite cementite Diagramma di fase Fe C

16 A 1 A 3 A 4 A cm Punti critici : T equilibrio austenite perlite : T equilibrio austenite ferrite α A : T equilibrio i austenite ferrite δ : T equilibrio austenite cementite Diagramma di fase Fe C

17 A 1 A 3 A 4 A cm Punti critici : T equilibrio austenite perlite : T equilibrio austenite ferrite α A : T equilibrio i austenite ferrite δ : T equilibrio austenite cementite Diagramma di fase Fe C

18 Punti critici Per ognuno di questi punti critici si possono distinguere: A e : T di equilibrio della trasformazione A c : T alla quale la trasformazione avviene mediante riscaldamento A r : T alla quale la trasformazione avviene mediante raffreddamento La differenza fra la A c ed A r è dovuta alla cinetica di reazione delle nuove fasi ed a quella di diffusione del C. Solitamente A c A e Diagramma di fase Fe C Diminuzione i i di A r1 all aumentare della velocità di raffreddamento

19 Influenza degli elementi di lega sull eutettoide Diagramma di fase Fe C

20 Spesso si farà riferimento, sia per il diagramma stabile che per quello metastabile, ad una forma semplificata del diagramma di fase in cui: Si considera nulla la solubilità del C all interno del reticolo CCC del ferro α; Si trascura l esistenza della reazione peritettica;

21 La presenza dell eutettico individua convenzionalmente due diversi materiali ferrosi: gli acciai e le ghise. I primi hanno un tenore di carbonio inferiore alla massima solubilità nell austenite, le seconde formano, durante la solidificazione, una fase grafitica o cementitica. Nel caso di leghe binarie il confine convenzionale tra i due materiali iliè individuato id dl dal tenore di 2,11%C. ACCIAI GHISE

22 Gli acciai possono essere suddivisi in ipoeutettoidici, eutettoidici o ipereutettoidici, in base al tenore di carbonio, nel caso in cui esso sia rispettivamenteinferiore,ugualeosuperiorealtenoredell eutettoide(chenel caso di leghe binarie Fe-C e pari allo 0,77%C). ipoe euttettoid dici eu uttettoidi ici iper reuttetto oidici

23 Per quanto riguarda le ghise possono essere distinte in ipoeutettiche, eutettiche o ipereutettiche, in base al tenore del carbonio rispettivamente inferiore, uguale o superiore all eutettico (nelle leghe binare Fe-C è pari allo 4,3%).

24 Solidificazione di leghe binarie Fe-C secondo il diagramma metastabile Diagramma di fase Fe C

25 Solidificazione di leghe binarie Fe-C secondo il diagramma stabile Diagramma di fase Fe C

26 Raffreddamento acciaio eutettoidico Bordo grano austenite Diagramma di fase Fe C Nella micrografia, le zone scure sono le lamelle di cementite (Fe 3 C), mentre la fase chiara è la ferrite α Temp peratura ( C) Perlite Eutettoide Cementite (Fe 3 C) Direzione di crescita della perlite Diffusione del C (%C)

27 Raffreddamento acciaio ipoeutettoidico Diagramma di fase Fe C Tempe eratura ( C) α eutettoide Perlite α proeutettoide (%C)

28 Raffreddamento acciaio ipoeutettoidico Diagramma di fase Fe C La perlite è un aggregato eutettoidico ottenuto mediante la trasformazione isotermica dell austenite. Presenta l 11% in peso di cementite Fe 3Cel 89%inpeso di ferrite α. L aggregato è generalmente lamellare. La cementite è la fase nucleante. Un parametro importante è la distanza interlamellare Δ

29 Applicazione della regola della leva per la determinazione della percentuale di perlite in una lega binaria Fe-C ipoeutettoidica

30 Raffreddamento acciaio ipereutettoidico Diagramma di fase Fe C Tempe eratura ( C) Fe 3 C proeutettoide Perlite Fe 3 C eutettoide (%C)

31 Raffreddamento acciai: influenza tenore di C su microstruttura Ipoeutettoidico eutettoidico ipereutettoidico

32 Raffreddamento acciai: influenza tenore di C su microstruttura

33 Acciai ferrito-perlitici: microstruttura e proprietà p meccaniche Le proprietà meccaniche e tecnologiche di questo tipo di acciai dipendono da: Frazioni in peso e ripartizione di ogni fase Parametri microstrutturali tt come grandezza del grano, distanza interlamellare ll della perlite Influenza del tenore di C Influenza della dimensione del grano ferritico d

34 Acciai ferrito-perlitici: microstruttura e proprietà p meccaniche Influenza degli elementi di lega Modifica delle reazioni, delle temperature e dei tenori corrispondenti alle temperature eutettiche ed eutettoidiche; Modifica dell estensione dei domini di esistenza delle soluzioni solide (effetto gammageno ed alfageno) Ad esempio (per %C<0,6): Ac 1( C) = ,7(%Mn) - 16,9 (%Ni) + 29,1 (%Si) + 16,9 (%Cr) + 6,38 (%W) (%As) ( ) R = e R e + 0 β i % X i + k d i 12 / R m (MPa)=265+(480+1,95(%Mn))(%C)+20,6(%Mn)+(0,17+0,008(C))(%Mn)+700 (%P) + 235(%Si) + k ove k dipende dalle dimensioni del provino di trazione e va da -20 a +20 MPa.