Appunti Tecnologia dei materiali

DIAGRAMMA RAME ARGENTO

Il punto E è uno punto fisso, punto invariante, è l'incrocio fra tre fasi. Trasformazione eutettica: da una fase liquida si ottengono due fasi solide diverse.

DIAGRAMMA PIOMBO STAGNO

DIAGRAMMA FERRO CARBONIO

A sinistra, dove il carbonio è =0: A 1536: il ferro dal liquido diventa solido, e si forma ferro con struttura cubica a corpo centrato, c'è una struttura meno densa. Questo ferro è detto ferrite, ed è stabile solo a temperature elevate. A 1400: abbiamo una trasformazione, il ferro assume struttura cubica a facce centrate, chiamata austenite, o ferro γ. A 912: sia un'altra trasformazione, il ferro assume nuovamente struttura cubica a corpo centrato, ferro α o ferrite. Aumentando la percentuale di carbonio: Si forma cementite, molecola formata da tre atomi di ferro e uno di carbonio (Fe3C). La cementite non è un composto stabile, è un composto metastabile, e riscaldando per tantissimi.

anniotterremo ferro e grafite, nella pratica però rimane stabile come cementite. (Nelle ghise si forma anche la grafite perché sono composte anche dal silicio, che ne favorisce la formazione). Nel ferro il carbonio entra in forma interstiziale, formando una soluzione solida. la percentuale che può essere solubilizzata è minima, questo perché nel reticolo ci sono molti spazi, ma molto piccoli. Scendendo ancora di temperatura se arriva il ferro, con struttura CFC, più denso, ma con una solubilità molto maggiore, che aumenta con lo scendere della temperatura, fino alla solubilità massima che si trova a 2,06, limite degli acciai. Le soluzioni solide che si formano sono:

---A 727° avviene una trasformazione eutettica, con composizione dello 0,76 di carbonio. da un solido si formano due solidi diversi. La miscela eutettica che si forma si chiama perlite, è una miscela con due fasi, che si forma solamente alla composizione precisa di

carbonio (0,76%). Questo è costituita daun'alternanza di lamine delle due fasi, la fase e la fase di Fe3C. La perlite si presenta in grani dicolonie, all'interno delle quali le lamine sono orientati nella stessa direzione. La perlite a proprietàintermedie fra la ferite e la cementite. Le miscele come perlite e ledeburite (che è formata da housetenete e cementite), si chiamano costituenti strutturali, come se fossero una fase unica, ma in realtàsono una miscela di fasi.

Formazione della perlite:Perché dall'austenite si formino ferite cementite il carbonio deve lasciare il reticolo cristallinodell'austenite, e il ferro che rimane senza carbonio va a formare la fase , mentre la parte con ilcarbonio va a formare la cementite. Si formano quindi due fasi contemporaneamente.Prendendo un punto intermedio, una lega che ha composizione fra 0 e 0,76.L'austenite raffreddandosi inizia a formare una fase eliminando il carbonio. siforma

Una fase primaria e l'austenite rimanente diventa perlite. Invece, prendendo una composizione con una percentuale di carbonio e poco aldi sopra di 0,76, si forma perlite e cementite primaria.

Leghe ferro carbonio:

• Acciai: sono leghe ferro carbonio che hanno una percentuale di carbonio tra lo 0% il 2%.
• Ghise: sono leghe ferro carbonio che hanno una percentuale di carbonio fra il 2% e il 6,7%. Hanno temperatura di fusione molto più bassa.

A temperature basse, sia gli Acciai che le ghise, presentano ferrite e cementite, però in base alla percentuale di carbonio cambia la percentuale di fase metallica e fase ceramica.

Trasformazioni di fasi:

• Tipo 1: dipendono dalla diffusione, è presente un movimento di atomi. Non si verificano modificazioni nel numero delle fasi e nella composizione delle fasi (ad esempio da metallo allo stato liquido a metallo solido).
• Tipo 2: dipendono dalla diffusione. Portano a modificazione della composizione e del numero delle fasi (ad esempio...

trasformazione eutettica)-Tipo 3: avvengono senza diffusione. producono fasi metastabili (solitamente non sono nel diagramma distato). (Ad esempio la trasformazione martensitica). Solidificazione (cinetica): Le trasformazioni di fase portano alla formazione di almeno una nuova fase. la maggior parte delle trasformazioni non avviene in modo istantaneo, ma avviene gradualmente, e il processo è suddivisibile in due diversi stadi: - Nucleazione: consiste nella comparsa di particelle molto piccole, cioè nuclei della nuova fase, in grado di crescere successivamente. La nucleazione può avvenire in due modi, può essere cioè omogenea o eterogenea. In quella omogenea i nuclei della nuova fase si formano in modo uniforme in tutta la fase originaria. Invece in quella eterogenea i nuclei si formano in corrispondenza delle disomogeneità strutturali, ad esempio lungo i bordi di grano e nelle dislocazioni. - Crescita: inizia quando i nuclei diventano nuclei stabili. La crescita avviene attraverso l'aggiunta di atomi o molecole alla superficie dei nuclei, permettendo loro di aumentare di dimensione. Durante questo processo, i nuclei possono fondersi tra loro per formare una fase continua.nucleazione continua a verificarsi anche durante la crescita. il processo di crescita termina in ogni regione in cui le particelle della nuova fase giungono fra loro in contatto. Solidificazione omogenea: Consideriamo di avere un liquido alla temperatura di equilibrio, la solidificazione è ancora all'inizio, quindi pari a zero. Ad alte temperature, cioè sotto la temperatura di equilibrio, gli atomi oscillano, quindi non formano legami. Alla temperatura di equilibrio invece, gli atomi si uniscono fra loro, creando i primi nuclei solidi all'interno del liquido. Quando si forma un nucleo di fase solida l'energia diminuisce. In questo meccanismo è fondamentale la temperatura. Alla temperatura di equilibrio la variazione di energia libera (ΔG) è quasi pari a zero. Diminuendo la temperatura la variazione di energia libera aumenta, e il materiale solidifica più velocemente. Quindi il materiale, per continuare la solidificazione, deve scendere.

A una temperatura più bassa rispetto a quella di equilibrio. Da ogni nucleo si forma un grano, quindi se i nuclei sono pochi, si formano grani più grandi. A basse temperature si formano tanti nuclei velocità di crescita è bassa, rimangono piccoli, si origina quindi una fase con grani piccoli. A seconda della temperatura di raffreddamento otteniamo strutture completamente diverse.

La velocità di raffreddamento è quindi molto importante, ad esempio:

Grafico della trasformazione dell'austenite in perlite.

CURVE TTT (tempo-temperatura-trasformazione) è un diagramma di trasformazione isotermica, cioè a temperatura costante. Il tratto ABC mostra un trattamento di raffreddamento a temperatura costante, a circa 650 gradi. Lo spessore delle lamine che costituiscono la perlite dipende dalla quale avviene la reazione isotermica. Se la velocità di raffreddamento è molto elevata si forma una struttura chiamata perlite grossolana.

La bainite è composta da lamine più spesse. Questa si forma a temperature appena inferiori della temperatura eutettoide. Se la velocità di raffreddamento è più lenta si forma la perlite fine, cioè composta da lamine sottili. Questa struttura invece si forma a temperature vicine ai 450.

DIAGRAMMA DI TRASFORMAZIONE ISOTERMICA PER LA BAINITE

Il diagramma di trasformazione isotermica mostra che la bainite si forma una temperatura inferiore rispetto alla perlite. Per ottenere quindi la bainite occorre fare un raffreddamento a una temperatura inferiore, quindi occorre fare un raffreddamento più lento.

Si può osservare che le trasformazioni per creare la perlite e la bainite sono in realtà competitive fra loro, ovvero una volta che si è formato uno dei due microcostituenti non si può formare l'altro, a meno che non si riscaldi nuovamente per formare austenite.

La bainite può essere formata da aghi o da placchette immersi

all'interno della ferrite. Queste due fasi (perlite e bainite) non sono completamente stabili, se vengono riscaldati, al di sotto della temperatura eutettoide, per un tempo sufficientemente lungo, si forma una nuova microstruttura chiamata sferoidite. Al posto dell'alternanza di lamine di ferrite e cementite, la cementite assume la forma di particelle sferiche che si trovano disperse in una matrice continua di ferrite. Questa trasformazione si attua mediante un ulteriore diffusione del carbonio, però senza produrre variazioni nella composizione o nella quantità delle fasi di ferrite e cementite. Questa trasformazione riduce l'energia superficiale. La sferoidite ha un'elevata tenacità. Serve infatti per ottenere delle lamelle molto sottili di materiale. Per ottenere questa struttura servono però dei trattamenti termici molto lunghi. Formazione della martensite: Se una lega ferro carbonio, in fase austenitica, viene raffreddata rapidamente, si forma la martensite. La martensite è una fase metastabile, caratterizzata da una struttura cristallina tetragonale a corpo centrato. La sua formazione avviene attraverso un processo di trasformazione martensitica, che è una trasformazione diffusiva senza diffusione del carbonio. La martensite è molto dura e fragile, ma ha una buona resistenza meccanica. La sua durezza può essere aumentata tramite trattamenti termici di tempra e rinvenimento. Durante la tempra, la lega viene raffreddata rapidamente per ottenere la martensite, mentre durante il rinvenimento, la lega viene riscaldata a temperature inferiori a quelle di austenitizzazione per ridurre la fragilità e migliorare la tenacità.

Crea un altro microcostituente chiamato martensite. Questo consiste in una struttura monofasica di non equilibrio risultante dalla trasformazione dell'austenite senza diffusione. Questo è possibile quando la velocità di raffreddamento è troppo elevata, e impedisce quindi la diffusione. Essendo una fase di non equilibrio, la martensite non appare nel diagramma di fase, ma solo nel diagramma di trasformazione isotermica.

Nella martensite gli atomi di carbonio rimangono come impurezze, è un materiale molto resistente e quindi anche molto fragile. La quantità di martensite che si forma dipende dalla velocità di raffreddamento, maggiore è la velocità e maggiore è la quantità.

La trasformazione dell'austenite in martensite dipende solo dalla temperatura, non dipende dal tempo poiché non c'è diffusione. È infatti detta trasformazione ad alta temperatura.

DIAGRAMMA DI TRASFORMAZIONE IN RAFFREDDAMENTO

La maggior parte dei trattamenti termici per gli acciai prevede un raffreddamento continuo fino a temperatura ambiente. In questo caso la velocità di raffreddamento dipende dal mezzo utilizzato. Il diagramma di trasformazione esotermica è valido solo nei casi in cui la temperatura rimane costante. La trasformazione inizia dopo un certo tempo, cioè quando la curva di raffreddamento interseca la curva di inizio trasformazione, e si conclude quando incrocia la curva di trasformazione completa.

Normalmente per raffreddamento continuo non si ottiene la bainite. Con il raffreddamento continuo, l'austenite rimasta si trasforma in martensite dopo aver attraversato la curva Mstart. Nelle trasformazioni in raffreddamento continuo è possibile definire la velocità di tempra critica, la quale rappresenta la minima velocità di raffreddamento necessaria per ottenere una struttura completamente martensitica. Per velocità di raffreddamento

piuttosto basse si form