Leghe Fe-C acciai ghise ferro commercialmente puro acciaio 1,2%,

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1 Leghe Fe-C Il Ferro non è mai utilizzato come metallo puro, ma sempre in lega con il C e altri elementi. Le leghe di ferro-carbonio possono essere distinte in acciai quando il tenore di C è compreso fra 0,008 e 2,06% e in ghise quando il tenore di C supera il 2,06% (fino al max di 6,67%). Il ferro commercialmente puro contiene meno dello 0,008% di C. Quindi un acciaio può essere definito come una lega Fe-C in cui il C non supera il 2,06%,ma dove sono sempre presenti altri elementi in lega, per cui, in pratica, il C non supera mai l 1,2%, restando, nella maggior parte dei casi, compreso fra lo 0,06 e lo 0,4% (campo ipoeutettoidico).

2 Diagramma Fe-C In corrispondenza del 6,67% di C si forma il composto intermetallico Fe 3 C, cioè il carburo di ferro o cementite (trasformazione rappresentata dalla linea verticale in corrispondenza del 6,67%). Il diagramma Fe-C può essere considerato diviso in due parti: una ricca in Fe (fino a C = 6,67%) e una ricca in C (6,67 100%, quando C = 100% corrisponde alla grafite). Il diagramma di Fe-C potrebbe essere definito diagramma di fase Fe Fe 3 C, in quanto Fe 3 C è considerato un componente. Per convenzione e per convenienza la composizione continua ad essere espressa in % in peso di C anziché % in peso di Fe 3 C ; 6.67% in peso di C corrisponde al 100% in peso di Fe 3 C.

3 Diagramma Fe-C

4 Metalli e strutture cristalline Celle elementari. Trasformazioni allotropiche del Fe puro Allotropia è la proprietà di cambiare la forma cristallina a seconda della temperatura (sono poco più di una decina i metalli che hanno tale proprietà es: Fe, Co, Ce, Mn, Cr, etc.). Se si considerano le forze che tengono insieme gli atomi nelle celle elementari: È minima la ΔG del Fe γ per cui è termodinamicamente stabile La maggior parte dei metalli solidifica secondo una di queste 3 strutture cristalline (sono i reticoli più compatti). È minima la ΔG del Fe α per cui è termodinamicamente stabile 4

5 Analisi ai Raggi X e Legge di Bragg La struttura cristallina può essere studiata mediante i raggi X. Gli atomi di un reticolo cristallino sono disposti in allineamenti regolari, paralleli ed equidistanti l uno dall altro. Bragg dimostrò che quando la diffrazione, cioè la deviazione del fascio di raggi X, assume l aspetto di una riflessione, la relazione fra la lunghezza d onda λ e la distanza fra due allineamenti di atomi d (costante reticolare, Å =Angstrom = m) è la seguente: Legge di Bragg λ = 2d senθ Se si eseguono misure ai raggi X su campioni di Ferro purissimo, si ottiene che a temperatura ambiente il reticolo critallino del Ferro α ha una costante reticolare (cioè lo spigolo del cubetto della cella elementare) di 2,86 Å.

6 Perché non abbiamo la fase β nel diagramma Fe-C? La fase α del diag. Fe-C è ferromagnetica (cioè il materiale si magnatizza sotto l effetto di un campo magnetico esterno), la fase γ è non è ferromagnetica. I primi ricercatori che hanno studiato le forme allotropiche del ferro, hanno osservato che il comportamento ferromagnetico del ferro scompariva a 768 C (temperatura di Curie al di sopra della quale il materiale è paramagnetico). Questo fenomeno fu attribuito alla trasformazione in una nuova fase, che fu chiamata β. Più tardi si scoprì che la perdita di magnetismo non era dovuta alla trasformazione di fase ma al passaggio da comportamento ferromagnetico a comportamento paramagnetico della stessa fase α, per cui la presunta fase β non poteva esistere.

7 Trasformazioni allotropiche del Fe e diversa solubilità del C Il Fe α è stabile fino a 911 C e la costante reticolare aumenta linearmente all aumentare della temperatura da 2,86 a 2,90 Å. Per T>911 C, fino a 1403 C è termodinamicamente stabile il Fe γ la cui costante reticolare a T>911 C è di 3,64 Å. Per T>1403 C ritorna stabile la struttura ccc, ma viene indicata come Fe δ (stessa struttura del Fe α, ma con costante reticolare maggiore per effetto della temperatura). Le costanti reticolari sono le dimensioni caratteristiche della cella unitaria. Per il reticolo cubico è la lunghezza dello spigolo della cella unitaria. ccc cfc ccc 7

8 C è più spazio nella cella CCC o nella cella CFC? Volumi in Å 3 delle due celle: Cella CCC (α) = 2,90 * 2,90 * 2,90 = 24,39 Å 3 Cella CFC (γ) = 3,64 * 3,64 * 3,64 = 48,23 Å 3 Atomi presenti in ogni cella: Cella CCC (α): 1 atomo al centro della cella e ciascuno degli atomi ai vertici del cubo appartiene a 8 celle per cui vale 1/8. I vertici sono 8 quindi 8*1/8 = 1. In totale ho 2 atomi. Cella CFC (γ): 1 atomo al centro di ogni faccia appartiene a 2 facce per cui vale 1/2. Poiché le facce sono 6 avrò: 6* 1/2 = 3 atomi della cella e ciascuno degli atomi ai vertici del cubo appartiene a 8 celle per cui vale 1/8. I vertici sono 8 quindi 8*1/8 = 1. In totale ho 4 atomi. 1 atomo nella cella CCC occupa un volume di 12,195 Å 3 (= 24,39/2) 1 atomo nella cella CFC occupa un volume di 12,057 Å 3 (= 48,23/4) Quindi il passaggio da Fe α a Fe γ comporta una contrazione, ovvero il Fe γ ha un reticolo più compatto cioè lo stesso numero di atomi occupa un minor volume.

9 Solubilità del Carbonio nel Ferro (acciai): Il C è un elemento interstiziale del Ferro e forma soluzioni solide interstiziali sia con la ferrite α e δ, sia con l austenite γ. Tuttavia la solubilità nel Fe α è molto bassa (max 0,022% in peso a 727 C), mentre si scioglie fino a un max di 2,14% in peso nel Fe γ ad una T di 1147 C. La solubilità del C nel Fe γ è circa 100 volte maggiore che nel Fe α. Gli atomi di C trovano il modo di adattarsi nel reticolo CFC senza troppo disturbare l allineamento e la configurazione geometrica degli atomi di Fe, mentre a fatica riescono a sistemarsi nel reticolo CCC senza disturbarlo in modo intollerabile (distorcere il reticolo). Anche se nel CFC ci sono più atomi, lo spazio vuoto è concentrato al centro della cella unitaria ed è sufficiente per contenere un atomo di C, mentre nel reticolo CCC lo spazio vuoto è suddiviso in varie zone del reticolo ed è perciò meno utilizzabile per formare soluzioni solide interstiziali. La Fe δ ha le stesse caratteristiche della Fe α però si forma in un intervallo alto di T e quindi dal punto di vista tecnologico non è importante.

10 La distanza fra due atomi centrali di due celle contigue (cavità ottaedrica) è di appena 0,385 Å, l atomo di C non riesce a sistemarsi in tale posizione. Lo spazio libero fra due degli atomi ai vertici e gli atomi centrali di due celle contigue (cavità tetraedrica) è di 0,725 Å, in questa posizione l atomo di C (sferetta di circa 1,5 Å) riesce a sistemarsi distorcendo il reticolo.

11 La cavità ottaedrica è posta al centro della cella unitaria, oppure sullo spigolo comune fra due celle contigue e può contenere una sferetta di 1,02 Å. La cavità tetraedrica è posta al centro di un tetraedro costituito da 3 atomi sulle facce ed uno sullo spigolo. Qui lo spazio disponibile è minore: 0,56 Å

12 Cementite, Fe 3 C La cementite si forma quando si supera il limite di solubilità della Fe α cioè per tenori di C superiori allo 0,022%. Quando raffreddando il carbonio non è più solubile nel Fe α (soluzione satura di C: cioè si è superato il limite di solubilità del C nel Fe) si forma un composto intermetallico costituito da 3 atomi di Fe ed 1 di C, caratterizzato da una struttura ortorombica. Fe 3 C Composto metastabile 3Fe + C

13 Cementite, Fe 3 C - metastabile La cementite in realtà è una fase metastabile (cioè non sarebbe stabile a T ambiente e il diagramma Fe-C non sarebbe una diagramma di equilibrio), tuttavia a T ambiente si mantiene come composto per un tempo indefinito. Se si esegue un riscaldamento fra 650 e 700 C per un lungo tempo (diversi anni) la cementite si decompone in Fe α + Carbonio (in forma di grafite) e rimane tale per successivo raffreddamento fino a temperatura ambiente.

14 Nel sistema ferro carburo di ferro, troviamo un eutettico a 4.30% in peso di C e alla temperatura di 1147 C; la trasformazione eutettica è: L Fe γ + Fe 3 C Il liquido che solidifica forma le fasi austenite e cementite. Naturalmente, per successivo raffreddamento fino alla temperatura ambiente si potranno indurre ulteriori variazioni di fase. Esiste anche un altro punto invariante, un eutettoide (ho equilibrio fra tre solidi, quindi simile ad eutettico dove ho equilibri fra 1 liquido e 2 solidi), alla composizione di 0.76% in peso di C e alla temperatura di 727 C. Questa trasformazione può venire rappresentata da Fe γ Fe α + Fe 3 C Cioè, per raffreddamento, la fase solida γ si trasforma in ferro α e cementite. Le variazioni di fase eutettoidi descritte sono molto importanti, in quanto, come si vedrà in seguito, sono fondamentali per i trattamenti termici degli acciai.

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16 Microstrutture

17 Microstrutture microstruttura austenitica, costituita da grani poligonali con presenza di geminati. Accicio inossidabile austenitico in cui l austenite e stabile per la presenza di elevate quantità di Ni in lega. microstruttura ferritica di un acciaio con contenuto di carbonio inferiore allo 0,02%, si osserva la presenza di cementite al contorno dei grani di ferrite.

18 Trasformazione eutettoidica: Perlite

19 Perlite: è una microstruttura degli acciai ottenuta dalla trasformazione diretta dell austenite per raffreddamento al di sotto della temperatura eutettoidica di 727 C. Al di sotto di tale T l'austenite non è più stabile e tende a trasformarsi in una struttura lamellare costituita da lamelle di ferrite alternate a lamelle di cementite (lamelle di fase α e Fe 3 C). Lo spessore è di circa 8 a 1. La perlite si chiama così perché ha un aspetto simile alla madreperla se osservata al microscopio a bassi ingrandimenti. Perlite lamellare in un acciaio eutettoidico C=0,76%

20 Perlite: si presenta in grani spesso denominati colonie, all interno di ogni colonia le lamelle sono orientate nella stessa direzione che varia da una colonia all altra. La fase chiara è la ferrite, mentre la cementite appare come lamelle sottili più scure. Alcune lamelle sono talmente sottili e vicine che appaiono indistinguibili fra loro. La perlite ha proprietà meccaniche intermedie fra la ferrite, tenera e duttile, e la cementite, dura e fragile.

21 Perlite La formazione della perlite avviene per diffusione allo stato solido, partendo da un austenite con un contenuto di C pari allo 0,76% si ottengono due fasi con composizione molto differente [ferrite (C% = 0,022%) e cementite (C%=6,67%)]. Quindi tale trasformazione eutettoidica richiede una ridistribuzione del C per diffusione. Si formano delle lamelle in quanto tale configurazione richiede una diffusione degli atomi su distanze relativamente brevi. Continuando a raffreddare al di sotto della T eutettoidica (dal punto b) le variazioni microstrutturali sono del tutto trascurabili.

22 Lega ipoeutettoidica Lega con contenuto di C inferiore all eutettoide [%C < 0,76%wt.]. punto d (775 C): coesistenza delle due fasi α e γ. La fase α si è formata ai bordi grano della fase γ. Le composizioni delle due fasi si ottengono tracciando le due linee corrispondenti [ Fase α: %C = 0,020%, Fase γ: %C = 0,40%]. punto e: Continuando a raffreddare la fase α si arricchisce di poco in C mentre la γ si arricchisce molto e, secondo la regola della leva la quantità di fase α aumenta mentre quella di γ diminuisce. punto f: sotto la T eutettoidica la fase γ si trasforma in perlite. Dove la retta nera tratteggiata interseca la curva (freccia blu) inizia a formarsi la fase α. La composizione della prima fase α che si forma corrisponde ad un contenuto di carbonio pari a C. C C

23 Applicazione della regola della Leva Frazione Perlite = W p = T/(T+U) = (C o 0,022)/(0,76-0,022) Frazione Fase α (ferrite proeutettoidica) = W α = U/(T+U) = (0,76 C o )/(0,76-0,022) Si possono anche determinare le frazioni di ferrite totale e cementite.

24 Lega ipereutettoidica Lega con contenuto di C superiore all eutettoide [0,76% < %C < 2,14%]. punto h (775 C): coesistenza delle due fasi γ e Fe 3 C. Si è formata ai bordi grano la cementite ai bordi grano della γ. La cementite si definisce proeutettoidica. La composizione della Fe 3 C rimane costante (C% = 6,70%) al variare della T, fino a T amb., mentre la composizione della γ varia lungo la curva PO fino all eutettoide. punto i: sotto la T euttettoidica tutta la γ rimasta si trasforma in perlite costituita da ferrite eutettoidica (che cambia di poco continuando a raffreddare fino a T amb.) e cementite eutettoidica che ha una composizione uguale a quella proeutettoidica. Dove la retta nera tratteggiata interseca la curva PO (freccia blu) inizia a formarsi la fase Fe 3 C con composizione C% = 6,70%

25 Applicazione della regola della Leva Frazione Perlite = W p = X/(X+V) = (6,7- C 1 )/(6,70-0,76) Frazione Fase Fe 3 C (cementite proeutettoidica) = W Fe3C = V/(V+X) = (0,76 C 1 )/(6,70-0,76)

26 Microstruttura ipoeutettoidica ed ipereutettoidica

27 Cinetica delle trasformazioni di fase. Le microstrutture che si formano secondo il Diagramma Fe-C si ottengono solo se il raffreddamento è molto lento e vengono mantenute le condizioni di equilibrio. Tali condizioni sono difficilmente praticabili nella realtà. Inoltre durante la produzione e le lavorazioni i materiali subiscono numerose e importanti trasformazioni di fase che portano in generale a modifiche della microstruttura rispetto a ciò che si ottiene secondo il diagramma Fe-C. Le trasformazioni, nella maggior parte dei casi, non avvengono in modo istantaneo ma passano attraverso il meccanismo di nucleazione (formazione di nuclei critici della nuova fase, in corrispondenza di disomogeneità della fase di origine, ad es. i bordi grano) e accrescimento (alcuni dei nuclei critici diventano nuclei stabili e, per diffusione atomica, aumentano di dimensione fino alla scomparsa di una parte o di tutta la fase di origine).

28 Cinetica delle trasformazioni di fase. Quindi le trasformazioni di fase richiedono un certo tempo per il loro completamento. La velocità di trasformazione dipende anche dalla temperatura a cui viene mantenuta la lega. A temperature alte, prossime a Tf, la trasformazione di fase avviene con una velocità di nucleazione bassa ed una velocità di accrescimento alta, per cui si formeranno pochi nuclei che accresceranno rapidamente (microstruttura grossolana). A temperature più basse, lontane da Tf, la trasformazione di fase avviene con una velocità di nucleazione veloce ed una di accrescimento bassa, per cui si formeranno molti nuclei che cresceranno di poco (microstruttura fine). A T intermedie avremo la massima velocità della trasformazione di fase (naso). La velocità con cui avviene la trasformazione di fase è inversamente proporzionale al tempo necessario per avere un certo grado di completamento della trasformazione (es. 50%).

29 Diagrammi di trasformazione isotermica Curve TTT Curva temperatura-tempo-trasformazione della lega Fe-C alla composizione eutettoidica. Sopra la T eutettoidica è stabile la fase austenitica. La curva rossa indica l inizio della trasformazione da austenite a perlite o austenite bainite. La curva verde indica la fine della trasformazione. Fra le due curve sono presenti entrambe le strutture e la curva blu tratteggiata indica il 50% di struttura trasformata. Sotto la T eutettoidica a sinistra della curva rossa la struttura è costituita da austenite instabile. Bainite: altro tipo di microstruttura che si forma dall austenite sempre con processo di diffusione. E costituita da ferrite e cementite in forma di aghi o placchette a seconda della temperatura in cui si forma. La microstruttura è così fine da essere visibile nei particolari solo al microscopio elettronico a scansione (SEM).

30 Diagrammi di trasformazione isotermica Curve TTT ABCD percorso di trattamento isotermico. AB raffreddamento e BCD trattamento isotermico. Appena sotto la T eutettoidica si forma la perlite grossolana in quanto la velocità di diffusione è elevata e si possono formare lamelle relativamente spesse. A temperature vicine al naso (circa 540 C) la velocità di diffusione è del C diminuisce e si formano lamelle molto fini, cioè la perlite fine. Al di sotto del naso (a T vicine 540 C) si forma la bainite fine e a temperature più basse (prossime ai 215 C) si forma la bainite grossolana.

31 Martensite: è una struttura aciculare (metastabile) ottenuta per tempra degli acciai. Con tale trattamento si ottiene un elevata durezza degli acciai. La formazione della martensite si differenzia dalle altre trasformazioni allo stato solido perché non avviene per nucleazione e accrescimento e non coinvolge alcuna diffusione di atomi. Per ottenere tale struttura si parte da una temperatura tale da avere la fase austenitica stabile e si applica un raffreddamento molto veloce. A tali velocità di raffreddamento viene soppressa la diffusione per la trasformazione reticolare da fase cfc a ccc (quindi non si forma più la ferrite), ma anche il carbonio non riesce più a diffondere per formare la cementite. Avviene quindi una trasformazione a scatto nella quale gli atomi restano imprigionati nel reticolo cfc, facendolo assumere una forma tetragonale a corpo centrato.

32 Martensite Il reticolo tetragonale a c. c. è un parallelepipedo a sezione quadrata. Struttura della martensite.

33 Trasformazione martensitica La martensite essendo una fase metastabile (di non equilibrio) non appare nel diag. Fe-C. Essendo una trasformazione istantanea è rappresentata con delle rette orizzontali a temperature relativamente basse t.c. la diffusione del C sia praticamente inesistente. La trasformazione in martensite è indipendente dal tempo dipende solo dalla temperatura a cui la lega viene temprata o raffreddata.