Diagramma di stato ferro-carbonio
1. Diagramma di stato Fe-C
Bainite: definizione, microstruttura e proprietà meccaniche
Bainite:
Componente bifasico ottenuto dalla trasformazione dell'austenite.
NON E’ UNA FASE!
Temperatura compresa tra quelle di formazione di perlite e martensite. (>550°C)
Ottenibile solo con i grafici TTT e non CCT.
Microstruttura è di ferrite α, fitta dispersione di cementite.
Struttura: bainite superiore e inferiore.
o Bainite superiore:
Temperatura tra i 350 °C e 450 °C a causa di questa temperatura, il carbonio riesce ad uscire (diffusione) dalla soluzione per formare placche di cementite alternate a placche di ferrite.
Serie di placche di fase ferritica tra le quali è precipitato il carburo.
Fragile, la cricca trova cementite all'interfaccia che la fa propagare velocemente lungo la sua direzione ed è quindi soggetta a frattura per clivaggio.
o Bainite inferiore:
Temperatura tra i 250 °C e 350 °C a causa della temperatura inferiore, il carbonio rimane in soluzione in quanto la diffusione non è favorita.
Lamelle di ferrite α con dentro una carburo di ferro ε (Fe2,4C).
Più tenace, offre più ostacoli alla propagazione della cricca.
Dura, affinamento del grano e precipitati all’interno del grano, in tale modo la cricca non trova cementite all'interfaccia.
6. Martensite: definizione, morfologia, Ms e Mf, stabilità termica
Martensite:
Fase ottenuta da una trasformazione dell’austenite.
Microstruttura: soluzione solida di C in Fe.
Struttura: tetragonale a corpo centrato, carbonio interstiziale
Formata da placche orientate in maniera precisa, nette ed acuminate.
La trasformazione avviene raffreddando l’austenite in modo tale da sopprimere tutte le trasformazioni intermedie (perlite/bainite); il meccanismo è istantaneo, quindi la cella cristallina del materiale si deforma e il C rimane imprigionato.
Materiale durissimo, ma la cella non è distorta, dunque la durezza non deriva da questo.
Temperatura di trasformazione non costante, all’aumentare del sottoraffreddamento aumenta l’energia di Gibbs che attiva il processo.
Se entro nella fascia di martensite start con la temperatura, la trasformazione è istantanea, ma se rimango in questa fascia non avviene TUTTA la trasformazione, ma solo una percentuale. Per far sì che tutto il materiale si trasformi devo continuare il raffreddamento.
NB: la temperatura martensitica esiste anche in altre leghe (ottoni – trombe in azoto liquido)
La temperatura di martensite start e martensite finish dipendono dalla % di carbonio.
Due tipi di martensite:
Aciculare (alta % di carbonio), plate martensite
Placche (bassa % di carbonio), lath martensite.
Trasformazione:
Non diffusiva.
Trasformazione cooperativa, tutti gli atomi in un certo volume di austenite cambiano cooperativamente posizione descrivendo un nuovo arrangiamento reticolare degli atomi (come sollecitare meccanicamente un materiale, con la formazione di geminati – atomi che cambiano posizione cooperativamente, ma nella martensite cambia anche la struttura cristallina).
Strain accomodation: capacità dell’austenite circostante al volume che si è trasformato in martensite di accomodare la deformazione. Il ΔG minimo deriva proprio da questo fatto, infatti si deve fornire il motivo termodinamico al materiale per spingerlo a deformarsi. La trasformazione necessita di continuo raffreddamento per continuare ad avere questa forza motrice.
Martensite start cala all’aumentare di % C o di elementi in lega: infatti, l’austenite con maggior carbonio o elementi in lega risulta indurita, dunque fa più fatica ad assorbire la deformazione della trasformazione in martensite.
Dunque, all’aumentare di carbonio o elementi in lega, diminuirà la dimensione del grano martensitico, in questo modo si deformerà l’austenite circostante in minor quantità.
7. Trasformazione martensitica indotta da stress, Md e la stabilizzazione meccanica
Stress induced trasformation:
La trasformazione in martensite avviene con un sottoraffreddamento, come le altre trasformazioni di fase ma a differenza delle altre si può formare martensite anche attraverso l’applicazione di carichi.
Esempio: cuscinetti a sfera.
I cuscinetti a sfera necessitano un indurimento molto alto. Per questo sono trattati con tempra e rinvenuti, e la loro composizione tende al 100% di martensite. Se Ms è sottozero però, può risultare dell’austenite residua del 7-8%. Per questo, in esercizio sottoposti a carichi i cuscinetti possono avere questa trasformazione indotta da stress, trasformando l’austenite in martensite inducendo una brusca variazione di volume che porta alla rottura del cuscinetto.
Meccanismo dello stress induced trasformation:
Il moto cooperativo di atomi ottenuto mediante una deformazione permanente è equivalente a quello ottenuto per sottoraffreddamento. In alcune condizioni, l’austenite risponde a deformazione trasformandosi in martensite.
Esiste uno sforzo di taglio critico al di sopra della temperatura Md, che rende termodinamicamente favorita la trasformazione in martensite piuttosto che lo scorrimento plastico.
La temperatura è un parametro molto importante per il comportamento sotto sforzo.
NB: Leghe a memoria di forma sfruttano la trasformazione martensitica dei materiali piegando a freddo un materiale; riscaldandolo ritorna alla posizione originale.
Stabilizzazione termica:
Fenomeno per il quale l’austenite si stabilizza se si blocca la trasformazione martensitica ad una temperatura intermedia.
Come conseguenza si ha la diminuzione della temperatura Mf
La causa di questa stabilizzazione è da ricercare nella diffusione degli interstiziali che formano le atmosfere di Cottrell indurendo la matrice di austenite e sfavorendo quindi la formazione delle placchette di martensite.
Esempio: cuscinetti a sfera. T austenitizzazione= 940°C, Ms=220°C, Mf= -90°C.
Devo assolutamente raggiungere Mf, in quanto non voglio austenite residua nei cuscinetti.
Si tempra in olio, fino ad una temperatura, poi si sposta il materiale in un'altra vasca (stabilizzazione termica in questa fase purtroppo inevitabile) e si tempra in azoto liquido.
L’importanza della stabilizzazione termica e la sua influenza su Mf dipende soprattutto dal tempo di stallo della trasformazione. Maggiore è questo tempo, minore sarà Mf risultante.
Stabilizzazione meccanica:
Se si incrudisce l’austenite durante il raffreddamento, si otterrà un abbassamento di Mf in quanto è più difficile accomodare la deformazione indotta dalla martensite.
Vantaggi:
Microstruttura più fine
Martensite a placchette più fini, meno fragile
8. Durezza della martensite
Deriva dalla sua struttura, la più dura che si può avere negli acciai.
Tetragonale a corpo centrato
Non ha piani ottaedrici, quindi niente sistemi di scorrimento
I piani più densi hanno uno sforzo di taglio di Nabarro-Peierls elevato.
Materiale indurito per soluzione
Inadatta alla deformazione (atomi interstiziali o sostituzionali di carbonio o elementi in lega)
La durezza dipende molto dalla %C
N.B.B.B.B: è SBAGLIATO dire che la martensite è dura perché la cella è distorta.
9. Tempra dell’acciaio: definizione, velocità critica di tempra, descrizione del trattamento
Definizione:
o Trattamento termico avente lo scopo di indurre la fomazione di martensite.
Trattamento:
o Riscaldamento ad una temperatura in campo austenitico (o intercritico):
Problema delle tensioni:
Espansione di volume per trasformazione di fase (austenite ha un volume minore) e per dilatazione termica.
La diversa velocità di riscaldamento superficie-cuore porta ad un gradiente di temperatura.
Al materiale non è permesso deformarsi liberamente (superficie-cuore), dunque all’interno si formano tensioni.
Preriscaldi, per evitare le tensioni (2-3 preriscaldi per omogeneizzare la temperatura del pezzo)
o Permanenza a questa temperatura per un tempo adeguato:
Portare a temperatura tutto il pezzo
Austenitizzare tutto il pezzo
Ottenere un’austenite omogenea.
Evitare l’ingrossamento del grano austenitico.
o Raffreddamento con una velocità tale da favorire la formazione della martensite (velocità superiore alla velocità critica di tempra)
o Il trattamento è condotto in un’atmosfera controllata, per evitare carburazione o decarburazione dell’acciaio.
10. Temprabilità Jominy: descrizione, distanza Jominy, parametri che influenzano la temprabilità
Temprabilità: Predisposizione di un materiale a prendere tempra. Maggiore è la temprabilità, meno “cattivo” dovrà essere il raffreddamento per permettere a tutto il pezzo di prendere tempra.
N.B: si assume che un pezzo sia temprato quando nella sua sezione è presente martensite in quantità minima del 50%.
Temprabilità Jominy:
Più semplice e più ricorrente, ma meno raffinato del metodo Grossman.
Descritto da una normativa
Riscaldamento di un provino di grandezza e a temperatura secondo la norma.
Raffreddamento con un rubinetto di acqua di portata e temperatura secondo la norma.
L’acqua non deve lambire le superfici laterali.
Sezione del provino in direzione parallela all’asse e analisi della microstruttura e della durezza
Grafico della temprabilità Jominy, dove è possibile vedere il parametro dj, distanza Jominy, ovvero la distanza di tempra.
11. Temprabilità Grossmann: descrizione, diametro critico, diametro ideale, parametri che influenzano la temprabilità
Temprabilità Grossmann:
Alcuni provini di diverso diametro, con altezza almeno il doppio del diametro.
Austenitizzare i provini.
Temprare in un mezzo di tempra a piacere (olio, acqua ecc.)
Gradiente di raffreddamento si avrà in direzione radiale e non assiale.
Misurare la durezza in funzione del raggio del provino
Grafico della temprabilità Grossmann, con la durezza in funzione della distanza dall’asse.
Si ottiene un valore di diametro critico, ovvero il diametro massimo che si può avere affinchè tutto il pezzo prenda tempra. Tale diametro dipende dal mezzo di tempra.
Grossmann cercò un modo per confrontare le temprabilità misurate in questo modo in funzione dei diversi mezzi di tempra.
Diametro ideale: diametro critico di tempra se il pezzo viene temprato in un mezzo ideale, ovvero:
Non aumenta la propria temperatura quando inserisco il pezzo
La superficie del pezzo assume immediatamente la temperatura del mezzo.
Nella realtà, il mezzo ideale di tempra si può ottenere approssimando, aggiungendo molto fluido reale rispetto al volume dei pezzi inseriti. Per la seconda condizione invece, si utilizza un fluido in movimento, per non creare “sacche di calore”.
Problemi progettuali:Dato il mezzo di tempra, scelgo l'acciaio piu adeguato oppure dato l¡¦acciaio, scelgo il mezzo di tempra piu adeguato.
Ho un acciaio di cui conosco il diametro ideale. Inserisco D ideale nel grafico dei diametri critici. So quanto e il diametro di progetto, per cui in base a questi dati scelgo il mezzo di tempra piu appropriato (es. per le curve sopra: diametro ideale = 2,0 ; diametro progettuale= 1,0 -> utilizzo il mezzo di tempra che ha H=1.0, in quanto riesce a temprare un po¡¦ di piu dell'1,0 che serve a me).
Se invece ho gia il mezzo di tempra,ho la curva del mezzo di tempra, dunque interseco il diametro progettuale con la curva del mezzo e trovo il diametro ideale che serve a me, dunque compro l¡¦acciaio con quel diametro ideale.
Parametri che influenzano la temprabilita:
Composizione chimica, maggiori elementi in lega, maggiore e la temprabilita.
Dimensione grani austenitici, al diminuire della dimensione dei grani diminuisce la temprabilita.
12. Tensioni di tempra
Durante il trattamento termico di tempra, si sviluppa un campo tensionale all¡¦interno del pezzo che puo portare a rottura immediata, a deformazioni o a cricche.
Tensioni di tempra:
Si sviluppano durante il raffreddamento
Dipendono da:
o Dimensioni del pezzo temprato
o Composizione chimica del pezzo
Dovute alla non omogenea variazione di temperatura nel pezzo.
Piu alta e la temprabilita, piu ingenti saranno le tensioni di tempra, dunque piu difficile sara fare il processo.
Tensioni senza cambiamenti di fase:
Inizialmente la superficie si trova in trazione a seguito del gradiente di temperatura, mentre il cuore e in compressione. Successivamente, parte della tensione viene scaricata tramite deformazione plastica
Infine, la superficie si trova in compressione, mentre il cuore e in trazione.
Per le tensioni residue con i cambiamenti di fase basti sapere che aggravano ancora di piu lo stato tensionale finale, con tensioni residue maggiori che comportano una ¡§diminuzione apparente¡¨ del carico di snervamento, ma che in realta si traduce nel fatto che nella prova a trazione il provino e gia sotto trazione di alcuni MPa a causa delle tensioni residue.
13. Rinvenimento: perche si deve fare il rinvenimento, trasformazioni microstrutturali e influenza sulle proprieta
Rinvenimento:
Trattamento termico che segue la tempra. SEMPRE.
Elimina la fragilita della martensite
Toglie l¡¦austenite residua facendola trasformare
Toglie le tensioni residue.
Il rinvenimento va fatto subito dopo la tempra, non si deve aspettare altrimenti le tensioni residue spaccano il pezzo.
Stadi del rinvenimento:
o 100-200¢XC: La martensite ad alta %C si trasforma in martensite a bassa densita di C e libera carburi £`. Vengono ridotte le distorsioni reticolari e dunque la fragilita della martensite.
o 300-350¢XC: L¡¦austenite residua si trasforma in ferrite + carburo. In certi casi la trasformazione porta alla formazione di bainite, in altri casi solamente ferrite + carburo; aumento di volume.
o 400-450¢XC: La martensite a bassa %C si combina con un carburo per dare Ferrite + Fe3C stabile. Il materiale risulta indurito sia per affinamento del grano che per precipitazione.
o 450¢XC: coalescenza dei precipitati.
Effetto delle trasformazioni:
o Tensioni si rilassano, gia a 200¢XC
o Cala la fragilita gia al primo stadio, e ancor di piu con la scomparsa di martensite
o Precipitazione molto fine di carburi compensa il calo di purezza e di carico di snervamento seguito alla perdita di martensite.
In seguito all¡¦aumento di duttilita, vi e un calo delle proprieta meccaniche. Per un materiale che mantenga le proprieta, devo trovare elementi in lega che rallentino la precipitazione e la coalescenza dei carburi. (Cromo e molibdeno in bassa percentuale ¡V acciai basso legati)
Cr e Mb formano carburi piu fini, piu duri che nucleano a T maggiore e resistono alla coalescenza.
NB. Per gli acciai alto legati, dopo la tempra si ha molta austenite residua (20-25%). Questa austenite e stabile. Si necessita di un
o QUINTO STADIO: 500-570¢XC: l¡¦acciaio perde alcuni elementi in lega ed e libero di trasformarsi in martensite con il raffreddamento.
14. Austempering e martempering
I trattamenti termici speciali: austempering e martempering, hanno lo scopo di aumentare la resistenza del materiale e interessano tutto il pezzo. L¡¦autempering viene utilizzato per ottenere bainite in modo controllato mentre il martempering per ridurre le tensioni di tempra.
Austempering:
Ottengo bainite in modo controllato
Riscaldo il pezzo con i preriscaldi
Raffreddo fino ad una temperatura un po¡¦ maggiore di Ms
Mantengo il pezzo in temperatura (processo isotermo) finche non si trasforma in bainite
Raffreddo a temperatura ambiente.
Martempering:
Riscaldo il pezzo con i preriscaldi
Raffreddo fino a una temperatura un po¡¦ maggiore di Ms
Mantengo il pezzo a bagno a questa temperatura per consentire di uniformare la temperatura nel pezzo, ma non troppo a lungo per non formare bainite.
Raffreddo a temperatura ambiente.
Quest'ultimo trattamento viene fatto su pezzi di dimensioni ragionevoli (stampi) e serve ad attraversare la trasformazione martensitica in modo che il materiale sia il piu possibile omogeneo.
Vantaggi:
o formazione contemporanea di martensite, nessuna ossidazione o decarburazione se il raffreddamento finale avviene in atmosfera protettiva, maggiore tenacita pagando un po' sulla durezza.
Svantaggi:
o maggiori costi di impianto, piu austenite residua