Come interpretare un diagramma Fe-C

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Come interpretare un diagramma Fe-C

Messaggioda Aldebaran » 02/06/2010, 21:58

LE FASI DELL’ACCIAIO

Diagrammi Fe-C, Fe-Cr. Austenite, Ferrite, Perlite, Cementite, Ledeburite.

In questa sezione vedremo le varie forme allotropiche che un acciaio può assumere e come variano i loro campi d'esistenza in base alla temperatura e concentrazione d'alcuni elementi di lega.
Come abbiamo già visto, gli acciai sono leghe formate a ferro e carbonio ed eventualmente contenenti quantità estremamente variabili di altri elementi di lega quali cromo, manganese, molibdeno, vanadio, wolframio, cobalto, silicio, azoto, nichel, fosforo, titanio, alluminio, rame, ecc.
Prima di prendere in esame il diagramma ferro carbonio si ritiene opportuno fare una classificazione degli acciai in base al loro contenuto di C:

Acciai ipoeutettoidici: con tenore di carbonio inferiore allo 0,77%.
Acciai eutettoidici: con tenore di carbonio pari allo 0,77%.
Acciai ipereutettoidici: con tenore di carbonio superiore allo 0,77%, fino ad un contenuto massimo del 2,11% ( sopra questa percentuale di C generalmente si parla di ghise).

Vediamo ora il diagramma Fe-C. Bisogna prima far presente che le trasformazioni indicate in tale diagramma sono valide in condizioni di riscaldo e di raffreddamento, purché quest’ultimo sia molto lento:

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Le fasi dell’acciaio

AUSTENITE: L’austenite è la soluzione solida del carbonio nel ferro gamma (indicata dal simbolo gamma), ha reticolo di forma cubica a facce centrate, è stabile da 912°C sino a 1394°C (ma questo intervallo di “stabilità” varia a seconda del contenuto di carbonio, seguendo le linee AS, SE,EG, GH e a seconda del contenuto di altri alliganti. Alcuni elementi di lega ,infatti, allargano notevolmente il campo di esistenza dell’austenite mentre altri lo riducono drasticamente) e può contenere in soluzione solida di tipo interstiziale sino al 2,1% di carbonio a 1147°C. Le costanti reticolari, ovvero la lunghezza dei lati della cella del ferro gamma è di 3,64 Angstrom (a poco più di 912°C) e il suo volume è quindi di 48,23 Angstrom3. La cella elementare del fero gamma (che ricordiamo essere cubica a facce centrate) contiene 4 atomi. Esatto, 4, e non 14 come potrebe venir da pensare. Perché gli otto atomi ai vertici della cella cubica sono in comune con atre otto celle elementari, mentre i sei atomi di ferro presenti al centro delle facce della cella sono in comune con due celle. Quindi, facendo un po’ di coti ne risulta che:

N ° di atomi = (8 X 1/8) + (6 X 1/2) = 1 + 3 = 4


Se ne ricava quindi che il volume disponibile per ogni atomo di ferro nella cella elementare del ferro gamma è pari a 12,055 Angstrom3 :

Volume per ogni atomi di ferro = 48,23 Angstrom3 / 4 = 12,055 Angstrom3


Bisogna inoltre far presente che l’austenite non è una fase omogenea e possono esserci zone eterogenee che, per arricchimento locale possono avere un’alta concentrazione di elementi di lega o di imperfezioni.
L’austenite presente in tali zone (detta austenite residua) è molto stabile, anche a temperatura ambiente e dopo la tempra e può essere trasformata solamente con trattamento criogenico, sottoraffreddamento o rinvenimenti multipli consecutivi (tratteremo più approfonditamente questo argomento quando parleremo dei trattamenti termici).
Esistono in ogni modo acciai inossidabili, detti austenitici, in cui la struttura austenitica è stabile anche a temperatura ambiente, grazie al loro elevato contenuto di nichel (dal 6 al 22%).

Struttura cubica a facce centrate.Gli atomi di ferro sono agli angoli e al centro delle facce del cubo.
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Grani di austenite
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FERRITE: è la soluzione solida del carbonio nel ferro alfa (indicata dal simbolo alfa), stabile da temperatura ambiente sino a 912°C, tale intervallo di stabilità varia, all’aumentare del contenuto di C, secondo la linea AS.
La ferrite presenta struttura cubica a corpo centrato e può tenere in soluzione una bassissima quantità d'atomi di carbonio (sino ad un massimo dello 0,022% a 723°C, mentre solo lo 0,008% a temperatura ambiente) ma un'elevata quantità d’atomi di cromo.
Le sue costanti reticolari (ovvero la lunghezza dei “lati” della cella cubica) sono di 2,90 Angstrom e il volume di una cella elementare è dunque di 24,39 Angstrom.
Il numero di atomi per ogni cella elementare è pari a 2:
N ° atomi = (8X1/8) + 1 (l’atomo al centro della cella) = 2

Ne risulta quindi che il volume disponibile per ogni atomo di ferro è di 12,195 Angstrom3 :

Volume disponibile per ogni atomo di Fe = 12,195 Angstrom3 / 2 = 12,195 Angstrom3

La ferrite è presente negli acciai ipoeutettoidici allo stato ricotto ed amagnetica al di sopra 770°C (punto di Curie). La ferrite amagnetica viene anche chiamata ferro beta.
Essa inoltre ha bassa durezza e risulta quindi molto duttile, presentando alti valori di resistenza all’urto ma bassi valori di resistenza a trazione e snervamento..

Grani di ferrite,austenite,pearlite,martensite,bainite,cementite.
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FERRO DELTA: Il ferro delta può tenere in soluzione quantità molto basse di carbonio, sino ad un massimo di 0,09% a 1493°C, ma buone quantità di cromo e d altri alliganti.
Anch’esso ha struttura cubica a corpo centrato, bassa durezza e alta duttilità.
Nei diagrammi Fe-C semplificati i campi di esistenza di questa fase vengono eliminati dato che, come vedremo, si trasforma completamente in austenite al termine della solidificazione dell’acciaio. Come vedremo tra poco si ritiene che il ferro delta altro non sia che il ferro alfa stabile a temperature elevate, visto che le costanti reticolari sono le medesime, tenendo conto della variazione dovuta ala maggiore temperatura.


Qualche spiegazione
Abbiamo detto che l’austenite può tenere in soluzione solida interstiziale un contenuto di carbonio molto più elevato rispetto quello della ferrite. Abbiamo visto però che nella cella del ferro gamma gli atomi hanno meno spazio a loro disposizione e sono quindi più compattati. La differenza, sebbene sembri poco rilevante, in realtà è rilevabile con le moderne apparecchiature (dilatometri).
Ma andiamo con ordine.
Come può l’austenite tenere in soluzione solida interstiziale una quantità di atomi di C così superiore rispetto a quella che può tenere in soluzione la ferrite, se gli atomi di ferro hanno meno spazio nella cella del ferro gamma? E cosa vuol dire SOLUZIONE SOLIDA INTERSTIZIALE? Cos’è la CELLA ELEMENTARE?

Vediamo di rispondere con calma a tutte queste domande.



Come forse già sapete nei metalli, e quindi anche negli acciai, allo stato solido gli atomi (perché di atomi si parla) sono disposti in maniera ordinata, su precisi piani.

Quindi, ad una certa temperatura, la distanza tra gli atomi di un piano (in un metallo) sarà sempre costante.

Si dice quindi che i metalli hanno un RETICOLO CRISTALLINO ben preciso.
Possiamo dire dunque che la cella unitaria è la forma geometrica più piccola (elementare) in cui si dispongono, ima maniera regolare, gli atomi.

Nel nostro caso possiamo immaginarci tanti cubetti uno a fianco all’altro che, uniti, formano il nostro pezzo di ferro (parliamo ora di ferro puro perché come vedremo il carbonio “complica” un po’ le cose).

Abbiamo parlato però anche di forma allotropica. Allotropia significa infatti possibilità di cambiare forma. Come abbiamo visto infatti le celle elementari (dette anche unitarie) del ferro cambiano “forma” al variare della temperatura. Aumentandola potremmo “osservare” il passaggio da cubica a corpo centrato a cubica a facce centrate per poi tornare, a cubica a corpo centrato.

Ma allora come “entra” il carbonio all’intero di questa struttura? Entra occupando gli spazi liberi tra gli atomi di ferro, negli interstizi appunto. Forma una SOLUZIONE SOLIDA di tipo INTERSTIZIALE, proprio perché gli atomi di C sono più “piccoli” rispetto a quelli del ferro. Bisogna però far presente che ogni qualvolta si formino soluzioni solide di tipo interstiziale il reticolo si deforma, in maniera più meno rilevante a seconda dello spazio disponibile nella cella elementare e della grandezza degli atomi “intrusi”.

Questo concetto è di fondamentale importanza per capire perché gli atomi di carbonio siano più “solubili” all’interno della fase gamma rispetto alla fase alfa, nonostante in quest’ultimagli atomi siano meno compattati.

La risposta è da trovare nella dispozione degli atomi. Difatti, sebbene più “costretti” all’interno del reticolo cubico a facce centrate, gli atomi di ferro sono disposti in maniera più “razionale” e quindi all’interno della cella del ferro gamma vi è più spazio per gli atomi di C.

Sebbene venga da pensare che vi sia maggiore spazio tra i due atomi centrali e quelli ai vertici di due celle cubiche a corpo centrato (del ferro alfa) i realtà non è così. Ogni atomo infatti ha bisogno di uno spazio ben preciso, come se fosse solido (in realtà non è così ma è un nucleo attorno a quale orbitano nuvole di elettroni). Da misurazioni effettuate ai raggi X si è osservato che lo spazio all’interno della cella CFC è di 1,02 Angstrom mentre lo spazio tra gli atomi centrali e ai vertici di due celle CCC è di appena 0,725 Angstrom (mentre lo spazio tra i duratomi al centro della cella è di 0,385 Angstrom).

Se ne deduce quindi che gli atomi di carbonio avranno più possibilità di inserirsi all’interno della cella elementare del ferro gamma piuttosto che i quella del ferro alfa. Lo spazio necessario al carbonio però è di 1,5 Angstrom e dunque in entrambi i casi si verificherà una distorsione del reticolo. Nel caso della cella CFC però tale distorsione è meno rilevante rispetto a quella che avviene nella cella CCC. Difatti il reticolo del ferro alfa può tenere in soluzione al massimo (ovvero a 723°C) 1 atomo di C ogni 300 celle elementari (ovvero ogni 600 atomi di Fe). Ciò significa che l’intrusione di un atomi di carbonio all’interno di una cella elementare CCC provocherà una distorsione delle 300 celle limitrofe tale che esse non posano più “accettare” atomi di C.

Nel ferro gamma invece le cose cambiano, dato che alla temperatura corrispondente la massima solubilità (1147°C) si possano “intrufolare” ben nove atomi di carbonio ogni cento atomi di ferro (ovvero ogni 25 celle elementari).

Ma allora il carbonio, quando si passa dal ferro gamma al fero alfa, che fine fa?

Semplice, non potendo più rimanere in soluzione si separa fisicamente dalla ferrite, ma non sottoforma di carbonio elementare, bensì sottoforma di cementite, ovvero Fe3C.

Il carbonio si separa fisicamente, sottoforma di cementite, anche dall’austenite, quando la quantità di C nell’acciaio supera il limite di saturazione dell’austenite a quella determinata temperatura.

Ricordiamo che l’indice di saturazione del carbonio nel ferro gamma è indicato, sul digramma di stato Fe-C, dalla linea ES.

Ricordiamo inoltre che il passaggio dalla fase ferro alfa a quella fero gamma provoca una diminuzione di volume dell’acciaio, mentre il passaggio dalla fase gamma a quella alfa provoca un aumento del volume dell’acciaio, dovuto al fatto che gli atomi di ferro nella fase gamma sono più compattati rispetto alla fase alfa.



CEMENTITE: la sua “formula bruta” è Fe3C ed ha un tenore di C costante, pari al 6,69%.
Tale struttura è particolarmente dura (più di ferrite, austenite e perlite), dunque la sua presenza rende più difficile la lavorazione dell’acciaio, aumentandone anche la fragilità. Quindi all’aumentare del percentuale di carbonio, e quindi della percentuale di cementite, si avrà un aumento della resistenza alla trazione, allo snervamento e della durezza ma si avrà una diminuzione della resilienza (resistenza all’impatto) e della duttilità. Con il termine cementite secondaria s'indica quella che si forma dall’austenite, dunque è quella presente negli acciai con contenuto di C inferiore al 4,3%, mentre la cementite primaria è quella che si forma direttamente dal metallo fuso( ovvero quella presente quando la concentrazione di carbonio è superiore al 4,3%). Vedremo poi anche un terzo tipo di cementite, detta terziaria, che si forma dalla ferrite a temperature inferiori ai 723°C.



LEDEBURITE: composto con tenore di carbonio sempre pari al 4,3%. Esso è formato, a temperature superiori i 723°C, dal 47,7% di austenite satura e dal 52,3% di cementite eutettica. A temperature inferiori i 723°C si ha la presenza di ledeburite modificata, formata da perlite, cementite secondaria e cementite euttettica.

Grani di Ledeburite
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PERLITE: la perlite è formata da lamelle alternate di ferrite (88% circa) e cementite (12% circa). Essa è presente negli acciai allo stato ricotto e si forma sotto i 723°C.
Il suo contenuto di carbonio è sempre pari allo 0,77%.
Esistono due tipi di perlite, quella fine e quella grossolana.
La perlite fine presenta maggiore durezza e resistenza meccanica rispetto a quella grossolana.
Questo è dovuto ai fenomeni che avvengono ai bordi della ferrite e cementite.
Infatti all’interno della perlite fine vi è una maggior aderenza tra le fasi alfa e Fe3C nelle zone di separazione e quindi la cementite, molto rigida e resistente, impedisce le deformazioni della ferrite.
Tale effetto è tanto maggiore quanto maggiore sarà la superficie di contatto (a parità di volume) tra le due fasi, quindi risulterà maggiore nella perlite fine.
Inoltre i confini tra ferrite e cementite si oppongono al movimento dei piani cristallini. Essendovi nella perlite fine un numero maggiori di tali confini se ne deduce che lo scorrimento di tali piani sarà maggiormente ostacolato, spiegando dunque la maggior resistenza (a trazione, flessione, snervamento) e durezza della perlite fine rispetto a quella grossolana.
Se ne deduce però che quest’ ultima sarà più duttile (e quindi più semplice da lavorare) ed anche più tenace (e resiliente). La perlite può anche essere trasformata, mediante opportuni “trattamenti”, in cementite globulare o sferoidite, in cui la fase Fe3C è presente sotto forma di aggregati sferoidali.
Tale struttura però è più duttile e meno resistente (a trazione, flessione e snervamento) delle altre due strutture perlitiche perché le superfici di separazione tra ferrite e cementite sono molto ridotte quindi offrono minor resistenza e durezza.
La sferoidite è però molto più duttile ed ha una tenacia (quindi resilienza) maggiore.

Riepiloghiamo velocemente i campi di esistenza delle varie fasi dell’acciaio, dopodichè vedremo come avvengono le varie trasformazioni e transizioni da una fase all’altra, a seconda della temperatura d’esercizio e della concentrazione di carbonio.


- GSEIN

* austenite insatura allo stato solido (fase ferro gamma). Di particolare interesse risulta la curva ES. Essa rappresenta le temperature di equilibrio (al variare del tenore di C nell’acciaio) austenite-cementite. Le temperature giacenti sulla ES vengono chiamate Acm. Come vedremo successivamente anche in questo caso si tende a distingure tali temperature in fase di riscaldo o in fase di raffreddamento.

- ABIH

* fase solida ferro-delta
* fase liquida.

- AHN

* fase solida ferro-delta.

- HIN

* fase solida ferro-delta
* austenite (fase solida ferro-gamma).

- GSP

* austenite (fase solida ferro-gamma)
* ferrite (fase solida ferro-alfa).

Molto importante è sapere che la curva GS rapprensenta l’equilibrio ferrite-austenite. Le temperature indicate da tale curve sono chiamate A3. In condizioni di riscaldo, per un determinato acciaio ipoeutettoide, la temperatura di equilibrio ferrite-austenite (al di spora della quale solo l’austenite sarà stabile, è detta Ac3, mentre in condizioni di raffreddamento tale temperatura, al di sotto della quale inizia la formazione di ferrite alle spesse dell’austenite, è deta Ar3. Vedremo successivamente e in maniera più approfondita anche nella sezione dedicata ai trattamenti termici il perché di questa suddivisione.

- IBCE

* austenite (fase solida ferro-gamma)
* fase liquida.

- CDF

* cementite (Fe3C)
* fase liquida.

- KSECF

Per tenore di C compreso tra lo 0,77% e il 2,11%:

* austenite (fase solida ferro-gamma)
* cementite secondaria (Fe3C)

Per tenori di carbonio compresi tra 2,11 e 4,3%:

* austenite satura (fase solida fero-gamma)
* cementite secondaria (Fe3C)
* ledeburite

Per tenore di carbonio pari a 4,3%:

* ledeburite

Per tenori di carbonio superiori al 4,3% e sino al 6,69%:

* cementite primaria
* ledeburite

- PSK



Questa linea, chiamata eutettoide e corrispondente a 723°C (o, per alcuni autori, 727°C) è detta punto A1, ovvero il punto di equilibrio austenite-perlite. Tale temperatura nelle condizioni di riscaldo è deta Ac1, al di spora della quale è stabile l’austenite mentre in condizioni di riscaldo è chiamata Ar1, al di sotto della quale è stabile la perlite.
:

Per tenori di carbonio inferiori allo 0,02%:

* ferrite
* cementite terziaria

Per percentuali di carbonio variabili tra lo 0,02% e lo 0,77%:

* ferrite
* perlite

Per acciai con contenuto di carbonio dello 0,77%:

* perlite

La linea PSK, corrispondente all’orizzonte eutettoide, è detta punto A1, ovvero il punto di equilibrio austenite-perlite. Tale temperatura nelle condizioni di riscaldo è deta Ac1, al di spora della qualeè stabile l’austenite mentre in condizioni di riscaldo è chiamata Ar1, al di sotto della quale è stabile la perlite.

Per contenuto di C compreso tra 0,77% e 2,11%:

* perlite
* cementite

Per tenori di carbonio dal 2,11% al 4,3%:

* perlite
* cementite secondaria
* ledeburite trasformata



Per tenore di carbonio pari al 4,3%:

* ledeburite trasformata

Per percentuali di carbonio comprese tra il 4,3% e i 6,69%:

* cementite primaria
* ledeburite trasformata



Vediamo ora come avvengono le trasformazioni di fase a seconda della temperatura e composizione (contenuto di carbonio) dell’acciaio.
Prima però vediamo a che tenore di carbonio corrispondono i vari punti del diagramma:

A, N, G: 0% di C

B: 0,51% di C

I: 0,17% di C

H: 0,09% di C

S: 0,77% di C

P: 0,022% di C

E: 2,11% di C

C: 4,30% di C

F: 6,69% di C

Ricordiamo inoltre che le trasformazioni che descriveremo avvengono sia in condizioni di riscaldo sia in condizioni di raffreddamento, purché quest' ultimo sia molto lento.

E' importante conoscere, nelle leghe ferro-carbonio, le varie trasformazioni di fase per meglio comprendere i meccanismi alla base dei trattamenti termici e come la composizione dell’acciaio influisca notevolmente sulla temprabilità degli acciai.
Essi, infatti, non sono semplici leghe Fe-C ma contengono quantità estremamente variabili di altri elementi di lega che modificano i campi di esistenza delle fasi.
Per questo motivo in questa sezione osserveremo anche i diagrammi di stato Fe-Cr e Fe-Ni, cioè degli altri principali alliganti caratteristici degli acciai inossidabili martensitici e inossidabili austenitici.



Come abbiamo visto per gli acciai abbiamo tre principali punti di equilibrio molto importanti, ovvero A1 (giacenti sulla linea PSK), A3 (linea GS) e Acm (ES). bbiamo anche accenato al fatto che si tende a suddividere tali punti (corrispondenti ad una determinata T per un determinato tenore di C) a seconda che si raggiungano in fase di riscaldamento o in fase di raffreddamento. Questa suddivisione viene eseguita perché, aumentando la velocità di riscaldamento e raffreddamento la posizione di tali punti cambia, sia ha un dunque ISTERESI dei punti di equilibrio.

In fase di raffreddamento, tanto maggiore sarà la velocità di raffreddamento tanto più si abbasseranno i punti Ac1, Ac3 e Acm sino a farli scomparire per velocità elevate (portando alla formazione di nuovi punti di trasformazione non presenti nel diagramma di stato).

Parleremo più approfonditamente dei fenomeni legati all’aumento della velocità di raffreddamento e quindi anche dell’isteresi dei punti di equilibrio nella prossima guida (riguardante i trattamenti termici). Per questo motivo (e per non complicare troppo la spiegazione) nell’illustrare le trasformazioni che avvengono nel diagramma di stato Fe-C dobbiamo considerare raffreddamenti estremamente lenti, in modo da considerare nullo l’effetto dell’isteresi (che modifica profondamente la forma del diagramma di stato, anche per raffreddamenti di 1°C/S).







Vediamo ora, prima di osservare come avvengono le varie trasformazioni nelle leghe Ferro-Carbonio, la REGOLA DELLA LEVA.
La Regola della Leva.

La regola della leva si applica nelle zone del diagramma di stato Fe-C in cui si ha la presenza simultanea di due fasi. Tale regola mostra che, ad una data temperatura, le quantità percentuali delle due fasi e il loro tenore di carbonio.

Prendiamo come esempio un acciaio di composizione compresa tra 0,17% e lo 0,53 (sul grafico 0,51)% di C.
La linea VERDE verticale indica la “traiettoria” delle trasformazioni per tale lega al variare della temperatura.

Immagine

Al di sopra della curva AB è presente solamente acciaio allo stato liquido (fase L).
Appena intersecheremo la curva AB (ad una temperatura, in questo caso, di circa 1515-1520°C) dal liquido si formerà il primo cristallo di fase solida delta.
La quantità di tale fase aumenterà con l’abbassarsi della temperatura ed il suo contenuto di carbonio seguirà la linea AH.
In ugual modo, al diminuire della temperatura, la quantità di fase L diminuirà ed il suo tenore di C seguirà la linea AB.
Alla T corrispondente il punto VERDE (1505-1510°C) avremo quindi:

FASE DELTA: la sua quantità (percentuale) è indicata dal segmento “punto Verde- punto Giallo” e il suo contenuto di C è pari a quello corrispondente il punto Blu.

FASE LIQUIDA (L): la sua quantità percentuale è rappresentata dal segmento “punto Blu-punto Verde” ed il suo tenore di C è uguale a quello indicato dal punto Giallo.

Questa è la cosiddetta REGOLA DELLA LEVA.
Come vediamo quindi nessuna delle due fasi ha il tenore di carbonio uguale a quello della lega di partenza.
Il contenuto TOTALE di carbonio però, rimane sempre uguale.
Come vediamo, infatti, in questo caso abbiamo una fase (delta) con % di C inferiore a quello dell’acciaio di partenza e l’altra fase (L) con % di C superiore rispetto a quella del nostro acciaio (la cui % di C è indicata dalla linea Verde) .
Le quantità di queste due fasi quindi sono in equilibrio tra loro per mantenere il tenore totale di C sempre uguale a quello della lega di partenza (e tale regola vale ogni volta che nell’acciaio sono presenti simultaneamente due fasi, siano esse ferrite e austenite, liquido e austenite, austenite e cementite, ecc).

ESEMPIO: prendiamo sempre in esame il nostro acciaio ipoeuttettoidico con tenore di carbonio compreso tra 0,17 e 0,51% alla temperatura di circa 1505-1510°C.
Sempre osservando la figura 1 chiameremo il punto verde V, quello blu U e quello giallo O.
La linea UO corrisponde alla quantità (percentuale) totale del nostro acciaio.
Dunque UO= 100%
Il segmento VU corrisponde alla quantità percentuale di fase liquida.
Il segmento OV corrisponde alla quantità (percentuale) di fase delta.
Ammettiamo che, misurando con un righello, la lunghezza della linea UO, otteniamo il risultato di 10 centimetri (cm). Il segmento VU è lungo 7,5 cm e quello VO 2,5cm.
Come calcolare le quantità (percentuali) delle due fasi, liquida e delta?

Fase delta =

Quantità totale % * (lunghezza VO (cm) / lunghezza UO (cm) )

Dunque:
100 (%) * ( 2,5/ 10) semplificando otteniamo 100 (%) * 0,25 = 25 %

Fase liquida =

quantità totale % * (lunghezza VU (cm)/ lunghezza UO (cm) )

Quindi:

100 (%) * (7,5/10) 100% * 0,75 = 75 %

In conclusione avremo che il nostro acciaio alla temperatura presa in esame è formato dal 25%di fase delta (con tenore di C corrispondente a quello indicato dal punto U) e il 75% di fase liquida (con contenuto di C uguale a quello corrispondente il punto O).

In questo caso particolare quando arriviamo alla temperatura corrispondente alla linea HIB (peritettica. 1497°C) ci troviamo con la presenza di:

Fase delta: quantità (%) indicata dal segmento “quadrato Nero- B” e tenore di C uguale a quella corrispondente al punto H (0,09% ).

Fase L: quantità (%) rappresentata dal segmento “punto Nero- H” e contenuto di C uguale a quello indicato dal punto B (0,51%).

A questo punto avviene una trasformazione isoterma (a T costante): la fase delta si trasforma completamente in fase gamma (austenite) e il suo tenore di carbonio aumenta sino a divenire pari allo 0,17%. Simultaneamente aumenta anche la sua quantità a discapito di quella di fase liquida.
Ecco le fasi che si sono formate alla fine di tale trasformazione isoterma:

Fase gamma (austenite) con lo 0,17% di C e quantità corrispondente al segmento “I- quadrato Nero”.

Fase liquida con lo 0,51% (secondo alcuni testi 0,53%) di carbonio in quantità indicata dal segmento “B- quadrato Nero”

Ad di sotto della linea HIB quindi, sempre per quanto riguarda la lega presa in esame, avremo la presenza di:

Fase solida gamma (austenite): il suo tenore di C aumenterà, al diminuire della T, seguendo la linea IE mentre la sua quantità (%) aumenterà progressivamente.
Fase L: la variazione del suo contenuto di C seguirà la curva BC mentre la sua quantità (%) diminuirà progressivamente al diminuire della T.

Secondo la regola della leva quindi, alla T corrispondente al punto Arancione, la quantità di austenite al segmento “punto Arancio- punto Rosa” e la sua percentuale di C sarà pari a quella corrispondente il punto azzurro mentre la quantità di fase liquida è indicata dal segmento “punto Arancione- punto Azzurro” e il suo tenore di C sarà pari a quello indicato dal punto Rosa.

Quando la verticale Verde intersecherà la curva IE avremo la presenza di sola fase gamma, ovvero austenite, di composizione uguale a quella della nostra lega.

A questo punto avremo la presenza della sola austenite (fase gamma), di composizione uguale a quella dell’acciaio, sino a quando la nostra verticale Verde non incontra la curva GS (alla temperatura leggermente superiore agli 800°C. Punto A3.).

In questo momento, abbassando ulteriormente la temperatura, inizierà a smiscelarsi dall’austenite la ferrite (fase solida ferro-alfa), la cui quantità (dimensione dei grani) aumenterà progressivamente al diminuire della temperatura con una conseguente diminuzione della fase gamma che si arricchirà di carbonio dato che la ferrite può tenere in soluzione una bassissima percentuale di C (regola della leva).
Il tenore di C dell’austenite quindi varierà, al variare della temperatura, seguendo la curva GS mentre il contenuto di C della fase alfa seguirà l’andamento della curva GP.

Quindi quando l’acciaio preso in esame raggiungerà la temperatura corrispondente alla linea PSK (detta euttettoide), ovvero 723°C (per alcuni autori 727°C) avremo:

Austenite con lo 0,77% di C (corrispondente al punto S)

Ferrite con lo 0,22% di C (corrispondente al punto P).

A questo punto la temperatura rimarrà costante fino quando l‘austenite non si sarà completamente trasformata in perlite (anch’essa con lo 0,77% di C ovviamente).

Tale trasformazione isoterma avviene in questo modo: all’interno della struttura austenitica si formano, in maniera uniforme, i primi germi di cristallizzazione di cementite e ferrite attorno ai quali si svilupperanno i relativi cristalli. La formazione dei cristalli di ferrite e cementite farà si che vi siano zone ad alta concentrazione di C (uelle in cui si forma Fe3C) e zone a basissimo tenore di C (le zone in cui si forma la ferrite) e questo spiega quindi la forma lamellare della perlite. Tanto più veloce sarà il raffreddamento tanta più bassa sarà la T alla quale avviene la trasformazione perlitica (per il fenomeno dell’isteresi).
Questo spiega anche perché aumentando la velocità di raffreddamento le strutture perlitiche che si formano sono sempre più fini. Questo è dovuto al fatto che si ha la formazione di un numero maggiore di germi e la diffusione del carbonio è più lenta. Si formerà quindi un numero maggiore di lamelle di cementite e ferrite, che saranno quindi più fini.

(In realtà, quando parleremo dei trattamenti termici e quindi illustreremo più approfonditamente gli effetti della velocità di raffreddamento, vedremo come, per velocità di raffreddamento abbastanza elevate cambi anche il tenore di C della perlite, che potrà essere molto superiore a 0,77% o anche molto inferiore, ma rimarrà sempre valida la regola che aumentando la velocità di raffreddamento la struttura perlitica risulta sempre più fine. Non si parlerà più di perlite però ma più precisamente di bainite e troostite).
Al di sotto della temperatura euttettoide quindi l’acciaio preso in esame è formato da perlite (con lo 0,77% di C) e ferrite.

In realtà al di sotto di tale limite si forma anche una piccolissima quantità di cementite terziaria visto che al diminuire della temperatura diminuisce anche la quantità di carbonio che la ferrite riesce a tenere in soluzione (seguendo la linea PQ).

IMPORTANTE: Abbiamo appena detto che la trasformazione perlitica procede a T costante. Per capire il perché introduciamo il lettore alla regola delle fasi.

Essa dice che quando si ha una un sistema eterogeneo (come l’acciaio) allo stato solido formato da n componenti e da n+1 fasi la temperatura rimarrà costante sino a quando si avranno n + 1 fasi. Per un acciaio formato da ferro e carbonio abbiamo quindi due componenti (n = 2) e alla temperatura eutettoide tre fasi (ferrite, cementite e austenite), ovvero n+ 1. Quindi la temperatura rimarrà costante finchè tutta l’austenite non si sarà trasformata in perlite (che ricordiamo è formata da ferrite e cementite).

Quando il numero di fasi è uguale al numero di componenti si dice che il sistema ha un grado di libertà, ovvero la trasformazione avanza al variare della temperatura. E’ quello che accade ad esempio per un acciaio ipoeutettoide formato dallo 0,30% di C alla temperatura di 770 °C: in questo caso avremo sempre due componenti (ferro e carbonio) e due fasi (ferrite e austenite).

Nel caso il numero di fasi sia inferiore al numero di componenti si dice che il sistema ha due gradi di libertà; si potrà quindi variare, entro certi limiti, sia la composizione dell’acciaio che la temperatura senza avare nessuna trasformazione di fase.
Un esempio potrebbe essere un acciaio contenente l’1% di C alla temperatura di 1100 °C.

Ricordiamo che tutti questi esempi sono validi per acciai binari, ovvero formati solamente da Fe e C. Questo perché l’aggiunta di altri elementi di lega provoca una variazione dei campi di esistenza delle varie fasi.



Osserviamo ora, con l’ausilio del grafico sottostante, le trasformazioni che avvengono in un acciaio (lega Fe-C) eutettoidico (0,77% di C), in uno ipereutettoidico ( tenore di C compreso tra lo 0,77% e il 2,11%) e nelle ghise (anche se lo studio di quest’ultime sono di scarso interesse nell’ambito della coltelleria).

Immagine

ACCIAIO EUTETTOIDICO.

L’andamento delle trasformazioni che avvengono in tale lega sono indicate dalla linea verticale Rossa. L’acciaio è allo stato liquido sino a quando non si arriva alla temperatura indicata dal punto azzurro (ovvero l’intersezione tra la nostra verticale e la curva BC).
A questo punto avremo la separazione del primo cristallo di austenite e la quantità di tale fase aumenterà al diminuire della temperatura, mentre diminuirà quella di fase liquida.

Il loro contenuto di carbonio seguirà rispettivamente l’andamento delle curve IE (per la fase gamma) e BC (per la fase l).

Quando verrà raggiunta la T corrispondente al punto Giallo (intersezione tra la nostra verticale e la curva IE) avremo la presenza di sola austenite di composizione uguale a quella della lega di partenza (ovvero dello 0,77%) e tale “condizione” si manterrà sino a quando non si arriverà a toccare il punto S, alla temperatura dell’eutettoide (723°C), ovvero il punto di equilibrio (austenite perlite) Ac1.
A questo punto la T rimarrà costante fino a che l’austenite non si sarà completamente trasformata in perlite.
ACCIAIO IPEREUTETTOIDICO

Prediamo ora in esame un acciaio ipereutettoidico.
La traiettoria delle sue trasformazioni è indicata dalla verticale Blu.
Come si può notare si ha la presenza di sola fase liquida sino a quando la nostra verticale non interseca la curva BC (punto Verde, a 1440°C circa).
In questo momento si forma il primo cristallo di fase (solida) gamma, ovvero austenite, e la sua quantità aumenterà col diminuire della temperatura, a discapito della quantità di fase liquida ( in percentuali calcolabili tramite la regola della leva).
Il suo tenore di carbonio seguirà l’andamento della curva IE mentre quello della fase L seguirà l’andamento della curva BC.

Quando la nostra lega raggiungerà la temperatura indicata dal punto Nero (intersezione tra la nostra verticale e la curva IE. 1300°C circa) avremo la presenza di sola austenite di composizione uguale a quella del nostro acciaio.

Tale condizione rimarrà invariata fino alla temperatura di 920-930°C (punto Rosa: intersezione verticale Blu- curva ES. Punto Acm): a questo punto inizierà a formarsi cementite secondaria e la sua quantità aumenterà progressivamente al diminuire della temperatura mentre la quantità di austenite diminuirà e così anche il sui tenore di carbonio che seguirà l’andamento della curva ES.

Quando la nostra lega raggiunge i 723°C (eutettoide, linea PSK) l’austenite (ora contenente lo 0,77% di C. Punto S, temperatura A1, detta eutettodica) si trasforma completamente in perlite (tale trasformazione avviene isotermicamente).

Al di sotto di tale temperatura quindi un acciaio di composizione ipereutettoidica è formato da una matrice perlitica e cementite secondaria ai bordi dei grani.
Struttura di un acciaio ipereuttettoide allo stato ricotto alla temperatura ambiente. La zona bianca ai bordi dei grani di perlite è cementite secondaria.



Prima di osservare le trasformazioni di fase nelle ghise è opportuno precisare che tali descrizioni verranno fatte prendendo in esame le fasi metastabili (quelle che abbiamo visto per gli acciai) anche se nelle ghise per raffreddamenti molto lenti il carbonio si separa nella sua forma stabile, ovvero la grafite.

GHISE CON TENORE DI CARBONIO INFERIORE AL 4,3%.

La traiettoria delle sue trasformazioni è indicata dalla verticale Verde.
La ghisa è allo stato liquido sino a quando non raggiunge la temperatura corrispondente al punto Blu.
A questo punto si forma il primo cristallo di fase gamma (austenite).
Al diminuire della temperatura la sua quantità continuerà ad aumentare il suo tenore di carbonio seguir l’andamento della curva IE.

La quantità di fase liquida invece diminuirà progressivamente e la variazione del suo contenuto di carbonio sarà indicato dalla curva BC.

Raggiunta la temperatura corrispondente al punto Rosso (intersezione della verticale Verde con la linea EC) la fase liquida, con tenore di C pari al 4,3%, si trasformerà nel composto solido chiamato ledeburite.

A questo punto la temperatura ricomincerà a diminuire inizierà a formarsi cementite (secondaria) dall’austenite il cui contenuto di carbonio diminuirà (seguendo l’andamento indicato dalla la linea ES) assieme alla sua quantità.

Raggiunti i 723°C (linea PSK, detta eutettoide) l’austenite (di composizione S) si trasformerà isotermicamente in perlite. Anche l’austenite contenuta nella ledeburite si trasformerà e precisamente andrà a formare perlite e cementite secondaria. La ledeburite sarà quindi ora formata da cementite eutettica, perlite e cementite secondaria.

Di sotto la temperatura eutettoide quindi la nostra ghisa sarà formata da perlite, cementite secondaria e ledeburite trasformata.



GHISE CON TENORE DI CARBONIO PARI AL 4,3%.



Osserviamo la verticale arancione. Come si può notare la lega Fe-C è formata solamente da fase liquida fino all’incontro con l’orizzonte EF nel punto C ( 1147°C).
In questo momento la fase L si trasforma completamente e isotermicamente in ledeburite e non avverrà più alcuna trasformazione al diminuire della temperatura.

Giunti alla temperatura eutettoidica l’austenite contenuta nella ledeburite si trasformerà isotermicamente in perlite e cementite secondaria.
Sotto i 723°C quindi la ghisa presa in esame sarà formata da ledeburite trasformata.

GHISE CON TENORE DI CARBONIO COMPRESO TRA IL 4,3% E IL 6,67%.

La verticale Rosa indica la traiettoria delle trasformazioni per una lega Fe-C di questo tipo.

La lega rimane allo stato liquido sino alla temperatura indicata dal punto Marrone (poco più di 1300°C). In questo momento si forma il primo cristallo di cementite primaria la cui quantità aumenta al diminuire della temperatura (ricordiamo che il contenuto di carbonio del Fe3C è sempre uguale a 6,67%. Linea DF.) mentre quella di fase liquida diminuisce così come il suo tenore di carbonio la cui variazione è indicata dalla linea CD.
Quando la nostra verticale interseca l’euttettico (punto Celeste. 1147°C) la fase liquida si trasforma isotermicamente in ledeburite.

A questo punto la temperatura scenderà nuovamente e la ghisa sarà formata da cementite in una matrice di ledeburite.

Quando si toccherà l’euteottoide l’austenite contenuta nella ledeburite si trasformerà in perlite e cementite secondaria.

Al di sotto della temperatura di 723°C l’acciaio sarà quindi formato da cementite primaria e ledeburite modificata (formata da cementite eutettica, cementite secondaria e perlite).

Come abbiamo già visto però gli acciai non contengono solamente carbonio ma anche quantità estremamente variabili di altri elementi come cromo, molibdeno, manganese, nichel, cobalto, wolframio, silicio, fosforo, azoto, ecc.

Ognuno di questi elementi influenza il campo di esistenza delle fasi gamma e alfa.
Aprono il campo della fase gamma : Ni, Mn, Co. Tali elementi vengono detti gammageni.
Allargano il campo d’esistenza della fase gamma: C, N,Cu.

Aprono il campo di esistenza della fase alfa (chiudendo quello della fase gamma): Si, V, Mo, W, P, Al, Cr, Ti. Tali elementi vengono detti alfageni.
Allargano il campo di esistenza della fase alfa, restringendo quello della fase gamma: S, O, Ta, Nb, B.

Siccome, oltre agli acciai al carbonio (altolegati e bassolegati) sono sempre più utilizzati, in coltelleria, gli acciai inossidabili martensitici, di seguito prenderemo in considerazione il diagramma di stato Fe-Cr.

Immagine

Si nota subito il campo d’ esistenza della fase gamma chiuso e quello della fase alfa aperto.
E’ inoltre importante osservare che l’austenite, a temperature superiori gli 580°C, presente solamente per contrazioni inferiori il 12% circa di Cr. Oltre è presente anche a T elevate solamente la fase alfa.
La presenza di carbonio però allarga il campo di esistenza della fase gamma così già con lo 0,20% di C si ha la presenza di austenite (a T elevate) anche per acciai con tenore di Cr superiore del 15% (figura B).
Qundi all’aumentare della percentuale di C il campo di esistenza della fase gamma si allarga rendendo temprabili acciai contenenti elevate concentrazioni di C.



Bibliografia:
Scienza dei materiali:Anderson,Leaver,Alexander,Rawlings.
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Re: Come interpretare un diagramma Fe-C

Messaggioda Aldebaran » 28/03/2012, 16:03

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