Metallurgia I Diagramma di fase Fe - C Prof. Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25 Orario di ricevimento: Mercoledì 14.00-16.00 Tel.-fax 07762993681 E-mail: iacoviello@unicas.it Sito didattico: http://www.metallurgia.unicas.it
Densità (20 C): 7870 kg/m 3 R m = 180-290 MPa R e = 100-170 MPa A% = 40-50% Z = 80-95% HB = 45-55 E = 210 GPa Il Ferro puro Temperatura T f (1538 C) A 4 (1394 C) Fe (CCC) liquido Fe (CFC) Fe (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 Fe (CCC) Fe (CFC)
Influenza degli elementi di lega 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.
DIAGRAMMA 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)
DIAGRAMMA 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)
Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti: Ferrite : soluzione solida interstiziale di C nel ferro (solubilità max pari a 0.02% a 727 C); il reticolo è CCC;
Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti: Ferrite : soluzione solida interstiziale di C nel ferro (solubilità max pari a 0.1% a 1487 C); il reticolo è CCC;
Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti: Austenite : soluzione solida interstiziale di C nel ferro ; il reticolo è CFC;
Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti: Cementite (Fe 3 C): la sua composizione corrisponde ad un tenore del 6.67% 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
Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti: Carbonio puro (grafite) C gr : la solubilità del Fe nel C gr è nulla
Il sistema binario Fe-C può subire due tipi 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 l ( 4.3% C) FeC 3 (2.11% C) 1148 C l(4.25% C) Diagramma metastabile Diagramma stabile 1153 C C gr ledeburite (2.03% C)
Il sistema binario Fe-C può subire due tipi 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 (. 077% C) Fe3C (. 002% C) 727 C perlite Diagramma stabile (. 0 69% C) C (. 0 02% C) 738 C gr
Il sistema binario Fe-C può subire due tipi 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) (0.1% C) 1487 C (0.16% C)
A 1 A 3 A 4 A cm Punti critici : T equilibrio austenite perlite : T equilibrio austenite ferrite : T equilibrio austenite ferrite : T equilibrio austenite cementite
A 1 A 3 A 4 A cm Punti critici : T equilibrio austenite perlite : T equilibrio austenite ferrite : T equilibrio austenite ferrite : T equilibrio austenite cementite
A 1 A 3 A 4 A cm Punti critici : T equilibrio austenite perlite : T equilibrio austenite ferrite : T equilibrio austenite ferrite : T equilibrio austenite cementite
A 1 A 3 A 4 A cm Punti critici : T equilibrio austenite perlite : T equilibrio austenite ferrite : T equilibrio austenite ferrite : T equilibrio austenite cementite
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 Diminuzione di A r1 all aumentare della velocità di raffreddamento
Influenza degli elementi di lega sull eutettoide
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 ; Si trascura l esistenza della reazione peritettica;
La presenza dell eutettico individua convenzionalmente due diversi materiali ferrosi: gli acciai eleghise. 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 è individuato dal tenore di 2,11%C. ACCIAI GHISE
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). ipoeuttettoidici euttettoidici ipereuttettoidici
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%).
Solidificazione di leghe binarie Fe-C secondo il diagramma metastabile
Solidificazione di leghe binarie Fe-C secondo il diagramma metastabile
Solidificazione di leghe binarie Fe-C secondo il diagramma stabile
Raffreddamento acciaio eutettoidico Bordo grano austenite Nella micrografia, le zone scure sono le lamelle di cementite (Fe 3 C), mentre la fase chiara è la ferrite Temperatura ( C) Perlite Eutettoide Cementite (Fe 3 C) Direzione di crescita della perlite Diffusione del C (%C)
La perlite è un aggregato eutettoidico ottenuto mediante la trasformazione isotermica dell austenite. Presenta l 11% in peso di cementite Fe 3 Cel 89%in peso di ferrite. L aggregato è generalmente lamellare. La cementite è la fase nucleante. Un parametro importante è la distanza interlamellare
Raffreddamento acciaio ipoeutettoidico Temperatura ( C) eutettoide Perlite proeutettoide (%C)
Applicazione della regola della leva per la determinazione della percentuale di perlite in una lega binaria Fe-C ipoeutettoidica
Raffreddamento acciaio ipereutettoidico Temperatura ( C) Fe 3 C proeutettoide Perlite Fe 3 C eutettoide (%C)
Raffreddamento acciai: influenza tenore di C su microstruttura Ipoeutettoidico eutettoidico ipereutettoidico
Raffreddamento acciai: influenza tenore di C su microstruttura
%C = 0.05 %C = 0.34 %C = 0.11 %C = 0.58 %C = 0.20 %C = 0.64
Acciai ferrito-perlitici: microstruttura e proprietà meccaniche Le proprietà meccaniche e tecnologiche di questo tipo di acciai dipendono da: Frazioni in peso e ripartizione di ogni fase Parametri microstrutturali come grandezza del grano, distanza interlamellare della perlite Influenza del tenore di C Influenza della dimensione del grano ferritico d
Acciai ferrito-perlitici: microstruttura e proprietà 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) = 727 + 10,7(%Mn) - 16,9 (%Ni) + 29,1 (%Si) + 16,9 (%Cr) + 6,38 (%W) + 290 (%As) Re Re 0 i % Xi kd 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.