LEGHE FERRO - CARBONIO

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1 LEGHE FERRO - CARBONIO Le leghe binarie ferro-carbonio comprendono gli acciai ordinari e le ghise. Come già studiato gli acciai hanno percentuale di carbonio tra 0,008 e 2,06, le ghise tra 2,06 e 6,67. La struttura cristallina delle leghe Fe-C varia anche dopo la solidificazione, secondo la temperatura e la velocità di raffreddamento. Le proprietà fisiche, meccaniche e tecnologiche delle leghe Fe-C sono strettamente legate al tipo di struttura in esse presente. Il carbonio E un non metallo solido. In natura è diffuso sotto forma di carbonato di calcio (calcare) o di carbonato di calcio e magnesio (dolomite), nei carboni fossili, negli idrocarburi, nell aria sotto forma di CO 2, allo stato purissimo come diamante o con impurezze nella grafite. Nei materiali ferrosi, il carbonio può essere presente allo stato combinato sotto forma di carburo di ferro Fe 3 C (cementite), oppure come grafite: si hanno così, rispettivamente, gli acciai e le ghise bianche o le ghise grigie. La formazione della cementite è favorita: - dalla presenza di tellurio, cromo, manganese, molibdeno, tungsteno, vanadio - dalla rapidità del raffreddamento La grafitizzazione delle ghise è favorita: - dalla presenza di silicio, alluminio, nichel, rame, zolfo - dalla lentezza del raffreddamento Le proprietà fisiche del carbonio sono diverse a seconda dello stato allotropico (diamante o grafite). E praticamente in fusibile; solo alla temperatura dell arco voltaico ( C) rammollisce e volatilizza senza fondere. Il punto di ebollizione, estrapolato per la grafite, è di 4830 C. Il carbonio è insolubile nei comuni solventi (es.: acqua), mentre si scioglie in vari metalli fusi, formando talvolta carburi metallici (es.: carburi di ferro). Il carbonio (soluto) forma soluzioni solide interstiziali col ferro (solvente). Come già detto, esso è più solubile nel Fe γ piuttosto che nel Fe α. Il Ferro Non si trova allo stato libero in natura, ma sotto forma di ossidi, carbonati, solfuri. Viene estratto dai suoi minerali (magnetite, ematite rossa, limonite, siderite). Il prodotto industrialmente denominato Ferro è in realtà un acciaio dolcissimo (C < 0,10 %); soltanto il Ferro elettrolitico (C 0,008 %) può considerarsi Ferro puro, ma non ha applicazioni industriali. Esso possiede: - Temperatura di fusione T f = 1535 C - Massa volumica ρ = 7,87 kg/dm 3 - Resistenza a trazione R m = N/mm 2 - Allungamento A = % - Durezza Brinell HBS = Come già detto, il Ferro cristallizza secondo quattro stati allotropici: Fe α (C.C.C), Fe β o α non magnetico (C.C.C), Fe γ (C.F.C) e Fe δ (C.C.C). Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 1

2 Le trasformazioni che le leghe Fe-C subiscono con la temperatura sono essenzialmente dovute all allotropia del Ferro, perché i vari stati allotropici hanno diversa capacità di sciogliere il carbonio. - Il Fe α scioglie una piccolissima quantità di Carbonio (0,04 % alla temperatura di 721 C) - Il Fe γ è quello che scioglie la maggior quantità di Carbonio: 2,06 alla temperatura di 1147 C - Il Fe δ scioglie una piccola quantità di Carbonio (0,12 % alla temperatura di 1493 C) Le temperature alle quali avvengono le trasformazioni allotropiche sono dette Punti critici, che di seguito sono indicati a seconda se trattasi di riscaldamento o di raffreddamento. Ac = punti critici durante il riscaldamento Ar = punti critici durante il raffreddamento Si ha: - Fe α (C.C.C) Fe β o α non magnetico (C.C.C): Ac 2 = Ar 2 = 768 C - Fe β (C.F.C) Fe γ (C.F.C): Ac 3 = 910 C Ar 3 = 898 C (sembra che tale diversità sia dovuta all inerzia della trasformazione del reticolo cristallino) - Fe γ (C.F.C) Fe δ (C.C.C): Ac 4 = Ar 4 = 1394 C DIAGRAMMA DI EQUILIBRIO Fe - C Il diagramma Fe-C, opera di numerosi metallurgisti tra i quali Mannesmann, Osmond, Howe, Austen, Ledebur, Roozeboom, è stato ottenuto sperimentalmente, mediante riscaldamenti (o raffreddamenti) molto lenti e le sue varie curve indicano le temperature alle quali, per ogni determinata percentuale di Carbonio, iniziano e terminano le diverse trasformazioni strutturali. Alcune tra queste curve sono particolarmente importanti, soprattutto in relazione ai trattamenti termici. Sono quelle indicate con simboli tipici quali A 1, A 3, A cm. Il diagramma di equilibrio delle leghe Fe-C viene limitato ad un tenore di Carbonio C 6,67 %, che rappresenta la percentuale stechiometrica di Carbonio presente nel carburo di Ferro Fe 3 C (cementite). Le leghe a maggior concentrazione di Carbonio, per la loro estrema fragilità, non hanno interesse pratico. Tale diagramma è impropriamente chiamato Fe-C dal momento che le percentuali in esso indicate sono quelle, calcolate, del Carbonio nel complesso tra Fe e Fe 3 C. Più correttamente dovrebbe essere denominato diagramma Fe- Fe 3 C. Si ha: - Peso atomico del Ferro = 55,85 - Peso atomico del Carbonio = 12 1 grammomolecola di Fe 3 C quindi contiene: 55, = 167, ,55 grammi Per ottenere la percentuale di Carbonio al termine del diagramma (cioè al 100 % di Fe 3 C) basta fare la proporzione: 179,55 : 12 = 100 : x da cui x = / 179,55 = 6,67 Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 2

3 La cementite non è un composto chimico vero e proprio. Si può considerare un composto intermetallico di tipo interstiziale nel quale gli atomi di ferro sono un numero 3 di volte più grande degli atomi di Carbonio. La cementite ha reticolo ortorombico (parallelepipedo con tre lati aventi dimensioni diverse). Di seguito si farà riferimento al diagramma metastabile, cioè quello ottenuto con raffreddamenti lenti (sistema a cementite) e non a quello stabile (sistema a grafite), ottenuto con raffreddamenti lentissimi. Diagramma Ferro-Carbonio + FERRITE DELTA FERRITE DELTA L I D A4 + + S E + FERRITE CM TERZIARIA AI BORDI A3 T A2 P Acm CON CM SECONDARIA AI BORDI A1 PERLITE CON CM SECONDARIA AI BORDI CON CEM SECONDARIA AI BORDI + + LED PERLITE CON CM TERZIARIA AI BORDI PERLITE CEM SECONDARIA AI BORDI LED TRASFORMATA CEM SECONDARIA AI BORDI CON CM SECONDARIA AI BORDI + PERLITE -A1: temperatura eutettoidica (T = 721 C) -A2: la lega perde\acquista il magnetismo (T = 768 C) -A3: luogo dei punti critici al di sopra dei quali c è Austenite (T = C) -A4: luogo dei punti critici al di sotto dei quali c è Austenite (T = C) -Acm: luogo dei punti critici al di sotto dei quali c è cementite secondaria (T = C) -E: punto Eutettico (C = 4,3 % ; T = 1147 C) -P: punto Eutettoide (C = 0,87 % ; T = 721 C) -T: massima percentuale di Carbonio nel ferro α (C = 0.04 % ; T = 721 C) -S: massima percentuale di Carbonio nel ferro γ (C = 2,06 % ; T =1147 C) -L: massima percentuale di Carbonio nel ferro δ (C = 0,12 % ; T = 1493 C) -I: punto in cui comincia a comparire l Austenite per reazione peritettica (C = 0.19 % ; T = 1493 C) -D: punto peritettico (C = 0,47 % ; T = 1493 C) Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 3

4 Tipi di cristalli - Strutture fondamentali All interno del diagramma, a seconda della temperatura e del tenore di Carbonio, possono presentersi cristalli di composti chimici e cristalli di soluzioni solide. a) Cristalli di composti chimici Il carbonio forma col ferro un solo composto chimico ben definito: il carburo di ferro Fe 3 C, detto cementite, molto duro e fragile. - La cementite è detta primaria quando si forma, in grani, direttamente dalla fase liquida - La cementite è detta secondaria quando si forma per decomposizione della soluzione solida austenite, durante il raffreddamento lento, disponendosi ai bordi dei grani di austenite - La cementite è detta terziaria quando, diminuendo la solubilità del carbonio a causa della diminuzione della temperatura, si separa dalla soluzione solida ferrite, disponendosi ai bordi dei grani di ferrite - La cementite è detta eutettica quando si trova all interno dell eutettico-ledeburite b) Cristalli di soluzioni solide Il carbonio forma col ferro tre soluzioni solide: - Soluzione δ (o ferrite δ): carbonio disciolto nel ferro δ Massima percentuale di carbonio disciolto nel ferro δ = 0,12 alla temperatura T = 1493 C - Austenite: carbonio disciolto nel ferro γ Massima percentuale di carbonio disciolto nel ferro γ = 2,06 alla temperatura T = 1147 C - Ferrite: carbonio disciolto nel ferro α Massima percentuale di carbonio disciolto nel ferro α = 0,04 alla temperatura T = 721 C Nel diagramma sono presenti anche dei costituenti strutturali (miscugli): - Ledeburite (eutettico della ghisa): si trova per C = 4,3 % ; T = 1147 C E costituita da austenite satura di Fe 3 C e cementite eutettica. Deriva direttamente dal liquido. - Ledeburite trasformata: si trova per C = 4,3 % ; T = 721 C E costituita da perlite e cementite eutettica. - Perlite (eutettoide dell acciaio): si trova per C = 0,87 % ; T = 721 C E costituita da ferrite e cementite secondaria. Deriva dalla soluzione solida austenite. Nel diagramma, a seconda della percentuale di carbonio, si hanno: - Acciai ipoeutettoidi, con C = 0,008 % 0,87 % - Acciai eutettoidi, con C = 0,87 % - Acciai ipereutettoidi, con C = 0,87 % 2,06 % - Ghise ipoeutettiche, con C = 2,06 % 4,3 % - Ghise eutettiche, con C = 4,3 % - Ghise ipereutettiche, Co C = 4,3 % 6,67 % Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 4

5 STUDIO DI UN ACCIAIO C = 0,30 % 0.3 % CARBONIO T FERRITE DELTA + FERRITE DELTA + FERRITE FERRITE CM TERZIARIA AI BORDI t - Considero l acciaio ipoeutettoide avente lo 0,30 % di Carbonio - Raffreddo lentamente, pervengo nel punto 1 sulla curva del liquido - Si formano i primi cristalli solidi, per determinare la loro composizione, traccio l orizzontale fino ad incontrare la curva del solido, scendo sulle ascisse e leggo le percentuali - Considerazioni: i primi cristalli solidi sono formati da poco Carbonio disciolto nel ferro δ, parliamo quindi di Ferrite δ - Continuo il raffreddamento lento, pervengo nel punto 1 intermedio - Per determinare la composizione dei cristalli, traccio l orizzontale fino ad incontrare la curva del solido, scendo fino alle ascisse e leggo le percentuali - Considerazioni: la percentuale di carbonio disciolta nel Ferro δ è leggermente aumentata, ma siamo ancora in presenza di Ferrite δ - Se vado verso destra sulla curva del liquido e scendo, leggo la composizione del liquido - Continuo il raffreddamento lento, pervengo nel punto 2 alla temperatura di 1493 C - A questa temperatura abbiamo una quantità di liquido di composizione D (0,45 % di C) e dei cristalli solidi di concentrazione L (0,12 % C); a temperatura costante di 1493 C avviene una trasformazione peritettica: i cristalli ed il liquido, reagiscono formando dei nuovi cristalli di Austenite di composizione I ( avente C = 0,19 %); la trasformazione finisce quando tutti i cristalli di ferrite δ si saranno trasformati; si hanno quindi tre fasi: Liquido+Austenite+Ferrite δ, giustificando il tratto orizzontale nella curva di raffreddamento e l invarianza del sistema (V = = 0) - Continuo il raffreddamento lento durante il quale il liquido residuo si trasforma in Austenite - Considerazioni: i grani di austenite sono sempre più ricchi di Carbonio - Pervengo nel punto 4 - A questa temperatura il rimanente liquido si è tutto trasformati in Austenite - Continuo il raffreddamento lento, pervengo nel punto 5 su A3 - A questa la temperatura, l Austenite comincia a trasformarsi in ferrite (soluzione solida interstiziale di carbonio nel ferro α) perché il reticolo si trasforma da C.F.C a C.C.C - Continuo il raffreddamento lento, pervengo nel punto 6 su A1 - Alla temperatura di 721 C l Austenite, che non si è trasformata in ferrite, si trasforma in eutettoide-perlite (= ferrite + cementite secondaria); la trasformazine avviene a temperatura costante, giustificando quindi il tratto orizzontale nella curva di raffreddamento e l invarianza del sistema (infatti si hanno tre fasi: Ferrite+Cementite+Austenite e quindi V = = 0) - Al diminuire della temperatura, diminuendo la solubilità del Carbonio nella ferrite, si separa cementite terziaria, che va ai bordi dei grani di ferrite. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 5

6 STUDIO DI UNA GHISA C: 3 % 3 % CARBONIO T LIQU IDO LIQU IDO + + LED EBURITE A USTENITE CON CEM SECONDARIA AI BORDI + LEDEBU RITE CEM SECOND ARIA AI BORDI CEM SECON DARIA A I BORD I LED TRASFO RM ATA - Considero una ghisa ipoeutettica con il 3 % di carbonio - Raffreddo lentamente, pervengo nel punto 1 sulla curva del liquido - Si formano i primi cristalli solidi, per determinare la loro composizione, traccio l orizzontale verso sinistra fino alla curva del solido, scendo fino ad incontrare le ascisse e leggo le percentuali - Considerazioni: i primi cristalli solidi sono costituiti da Carbonio disciolto in Ferro γ, parliamo di Austenite - Continuo il raffreddamento lento, pervengo nel punto 1 (intermedio) - Per determinare la composizione dei cristalli, traccio l orizzontale verso sinistra fino alla curva del solido, scendo fino ad incontrare le ascisse e leggo le percentuali, - Considerazioni: i cristalli solidi sono costituiti da Carbonio disciolto in Ferro γ, parliamo ancora di Austenite, ma sono più ricchi di Carbonio - Se vado verso destra sulla curva del liquido e scendo, leggo la composizione del liquido - Continuo il raffreddamento lento, pervengo nel punto 2 - Si forma l ultima particella solida di Austenite, ma rimane liquido di composizione data dal punto E; il liquido che non si è trasformato in Austenite si trasforma a temperatura costante in Ledeburite che a sua volta è formata da Austenite+Cementite eutettica, quindi si hanno tre fasi: Liquido+Austenite+Cementite, che giustificano il tratto orizzontale nella curva di raffreddamento e l invarianza del sistema (V = = 0) - Continuo il raffreddamento lento - Con il diminuire della temperatura, diminuisce la solubilità del Carbonio nel Ferro γ, che decade ai bordi dei grani di Austenite sotto forma di Cementite II - Continuo il raffreddamento lento, pervengo nel punto 3 (su A1) - A partire dalla temperatura di 721 C, trasformandosi il reticolo da C.F.C a C.C.C, l Austenite non può esistere, quindi a temperatura costante, l Austenite si trasforma in Perlite (costituita da lamelle di Cementite secondaria e di Ferrite); la Ledeburite, che non contiene più Austenite ma Perlite, prende il nome di Ledeburite trasformata; anche in questo punto del raffreddamento si distinguono tre fasi: Perlite+Cementite+Ledeburite, che giustificano il tratto orizzontale della curva e l invarianza del sistema (V = = 0). t Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano - Pag. 6