Appunti Tecnologia dei materiali metallici

Forme allotropiche del ferro

Il ferro ha due configurazioni: CCC, CFC. I parametri che intervengono sono 3: la temperatura, la composizione e la velocità di riscaldamento/raffreddamento.

- FERRITE ALFA: fino alla temperatura di 907°C ha la configurazione CCC detto FERRO α

- AUSTENITE: da circa 907°C fino a 1400°C ha configurazione CFC ed è detto FERRO γ

- FERRITE DELTA : da circa 1400°C fino a 1537°C ha configurazione CCC ed è detto FERRO δ

Il FERRO β (beta) va dai 768°C a 907°C ma l'unica differenza con il ferro alfa è che il ferro beta è PARAMAGNETICO ed il ferro alfa è FERROMAGNETICO. Quindi tecnicamente il ferro alfa esiste fino a 768°C e poi diventa ferro beta dai 768°C a 907°C (a 768°C perde le proprietà ferromagnetiche e diventa paramagnetico temperatura di curie). La distinzione ha senso solo se si discutono le proprietà magnetiche.

Esistono

Elementi che influenzano i campi di esistenza delle forme allotropiche del ferro, cioè spostano i punti di trasformazioni. Ad esempio, il carbonio estende il campo di esistenza dell'austenite anche per t<907°C. Il cromo invece tende a ridurre il campo di esistenza dell'austenite (per tenori > 13% l'austenite scompare). Si dividono così in:

Elementi austenitizzanti = ampliano il campo γ e riducono il campo della ferrite α o della ferrite δ [carbonio, nichel, manganese]

Elementi ferritizzanti = riducono il campo γ [il cromo, l'alluminio e silicio]

DIAGRAMMA DI STATO FERRO-CARBONIO

➔ Trasformazione peritettica: Austenite γ Liquido + Ferro δ

➔ Eutettoidica Austenite γ Ferrite α + cementite Eutettica solido liquido

Il grafico rappresenta le strutture di equilibrio delle leghe ferro – carbonio. Gli acciai si differenziano per la percentuale di carbonio:

- Acciai ipoeutettoidi: con tenore di carbonio

< 0,77%.- Acciai eutettoidi con tenore di carbonio = 0,77%.- Acciai ipereutettoidi: con tenore di carbonio > 0,77%, fino a un massimo del 2,11%

I punti notevoli di invarianza sono 3:

Trasformazione peritettica

Punto peritettico(I): trasformazione per cui al riscaldamento una fase solida (0,18% di carbonio) origina una fase solida ed una fase liquida avviene (ferrite delta 0,1% carbonio) (0,5% carbonio) 1495 °C e 0,18% di carbonio schematizzata nel seguente modo:

➔Austenite γ Liquido + Ferro δ riscaldando

Tutte le leghe comprese tra lo 0,1% e 0,5% di carbonio subiscono la trasformazione peritettica.

Trasformazione eutettoidica:

Punto eutettodico (S): la miscela eutettoide ha percentuale di carbonio pari a 0,8% contemperatura di solubilità solida di 727 °C

A questa T la fase γ (austenite) si trasforma in una struttura lamellare composta da fase α (ferrite)+ Fe C (cementite) detta perlite.

3 Austenite γ Perlite (Ferrite α + cementite)

727°C (raffreddo)➔ ➔Avvengono dei processi di diffusione (da 0,8% di carbonio omogenea tutti il carbonio finisce nella cementite) e di riarrangiamento atomico (da CFC a CCC). I processi diffusivi sono funzione della temperatura e del tempo. Quando passiamo dalla struttura austenitica alla struttura ferritica ci aspettiamo in primo luogo una nucleazione di Ferrite α e Fe3C e poi una crescita degli stessi nuclei. Gli atomi di carbonio devono muoversi per concentrarsi e formare un numero di cementite e poi accrescerlo. Le zone circostanti saranno prive di carbonio (si forma la ferrite). Il passaggio da CFC a CCC avviene tramite piccolissimi spostamenti (meno di un passo atomico). Martensite (struttura tetragonale a corpo centrato) è una fase metastabile che si forma perché gli atomi di carbonio non riescono a fuoriuscire dal reticolo a causa dell'elevata velocità di raffreddamento che impedisce i moti diffusivi. Le strutture martensitiche sono ottenute attraverso un

Raffreddamento rapido chiamato tempra al fine di "congelare" una fase che è stabile ad alta temperatura ma a temperatura ambiente è instabile. Nel diagramma di stato non rientra la martensite non essendo una fase di equilibrio.

Trasformazione eutettica: tenore di carbonio=4,3% t= 1147°C ➔ solido liquido riscaldando. Il cui punto di fusione è più basso di quello delle singole sostanze che la compongono. Quando il liquido arriva a composizione eutettica solidifica. La fase eutettica ha distribuzione lamellare perché in questo modo la redistribuzione dalla fase solida a quella liquida degli atomi per effetto della diffusione è più semplice. Solidificando (a 1147 °C) ghisa fusa di miscela eutettica (4,3% di carbonio) si forma una miscela meccanica di austenite e cementite chiamata Ledeburite.

LEGHE CON > 2%C, LE GHISE: Per tenori di carbonio >2% si parla di ghisa ed inevitabilmente compare l'eutettico. Inoltre, quando c=4,3%

si ha la composizione eutettica e per >4,3% si possono verificare due casi: si forma liquido + cementite Fe3C oppure liquido + grafite.

Grafite è favorita quando la velocità di raffreddamento è bassa ed è presente in buon tenore il silicio che è un elemento grafitizzante.

Si ottiene tramite Inoculazione: al momento della colata aggiungiamo un quantità minima di silicio 0,1% sotto forma di ferrolega (50% Fe 50% Si) e questa polvere aumenta localmente l’attività del carbonio. Localmente siamo in condizioni ipereutettiche. Questo fa sì che la grafite si formi come fase primaria solida nel liquido e solidifichi sotto forma di lamelle. Se la velocità di raffreddamento è molto lenta ed il tenore di silicio è abbondonante, l’azione grafitizzante del silicio permane nel corso del raffreddamento.

L’austenite che dovrebbe formarsi perde tutto il carbonio e diventa ferrite (siamo prima del 4,3%C). Alla fine,

si ha struttura di ferrite con lamelle di grafite. Se il raffreddamento non è lento/tenore Si non elevato l'austenite si trasforma in perlite (ghisa➔grigia) perlite con lamelle di grafite. La composizione a lamelle della grafite non è l'ottimale. Il top sarebbe avere la grafite sferoidale ghise sferoidali. È assolutamente competitiva con gli acciai. La sferoidizzazione della grafite si realizza aggiungendo magnesio subito dopo l'inoculazione, prima che si solidifichi. Il grosso vantaggio è che il fattore di intensificazione degli sforzi (parametro significativo per la determinazione degli sforzi passa da 13 a 3.)- Cementite è favorita quando c'è alta velocità di raffreddamento, se ci sono bassi tenori di silicio e sono presenti elementi che stabilizzano i carburi come cromo molibdeno vanadio etc... È detta ghisa bianca e il carbonio è sotto forma di carburo (cementite). È assolutamente da

Evitare una ghisa che presenta sia cementite che grafite (ghisa trotata). Non ha applicazioni e si butta via.

Le ghise sono materiale da fonderia. Facciamo solidificare il materiale in una forma che è simile alla forma finale (colata in uno stampo). Le caratteristiche migliori si hanno quando la composizione è quella eutettica. Per due motivi:

1. L'eutettico è il punto più basso in cui abbiamo liquido si può lavorare a temperature più basse e questo è molto agevole.
2. All'eutettico il liquido passa direttamente allo stato solido. Per altre composizioni questo non accade, per un certo intervallo di temperature si forma un solido che coesiste con il liquido. Si ottiene così un fango (liquido più parti solide) che non è detto riempia in maniera ottimale lo stampo come accade per un liquido semplice.

Tuttavia, una ghisa con 4,3% di carbonio ha scarse proprietà meccaniche ed è del tutto inutile.

Per aggirare il problema della colata si utilizza il silicio. La sua presenza fa sì che il carbonio si comporti come se fosse in quantità maggiore del 30%. Ossia: Carbonio equivalente = %carbonio + 1/3 %silicio. Quindi se aggiungo il 3% di silicio l'effetto è come se avessi 1% in più di carbonio. Aggiungo silicio per ottenere una composizione eutettica ma con tenori di carbonio minori (carbonio circa 3,3% aggiungo 3% Si). PRODUZIONE ACCIAIO Ci sono due strade: - Ciclo integrale, si parte dal minerale e si ricava l'acciaio (altoforni). - Acciaieria elettrica, non si parte dal minerale ma dall'acciaio stesso (rottami). Vengono rifusi e diventano perfettamente riutilizzabili. Tuttavia, i rottami sono inquinati (rame, piombo e zinco principali inquinanti) perciò deve essere aggiunto acciaio pulito derivante dagli altoforni. ALTOFORNI: 1. Minerale di ferro 2. Fondente 3. Carrelli trasportatori 4. Bocca di carico 5. Strato di Coke e fondente 6. Strato di

Fondente eminerali di ferro 7. Flusso di aria calda a circa 1200 °C 8. Rimozione delle scorie 9. Crogiolo per la colata della ghisa 10.Siviera per le scorie 11. Colata in siviera 12. Contenitore per la separazione delle particelle solide 13. Ricuperatori 14.Ciminiera 15. Condotto per l'aria calda inviata all'altoforno 16. Carbone in polvere 17. Cokeria 18. Coke 19. Uscita dei fumidall'altoforno

La produzione di acciaio con gli altoforni richiede:

• minerale di Fe
• coke che si ricava dal carbon fossile
• fondente (calcare): serve a fluidificare la carica per evitare che si blocchi.

Queste tre sostanze vengono miscelate e sinterizzate e poi calate dall'alto nel forno. Questa caricascendendo incontra il gas.

Dall'alto forno esce la ghisa che successivamente passa per un convertitore. Prima di entrare nelconvertitore deve essere rimosso lo zolfo che è presente a causa del coke. il convertitore è unpentolone al cui interno si spara ossigeno puro.

Questo ossigeno brucia quello che c'è nella ghisa (carbonio, fosforo, manganese silicio etc...). Quando vediamo che inizia a bruciare il ferro, fermiamo il processo. All'interno c'è un materiale refrattario basico e le scorie di fosforo (acido) reagiscono con il refrattario e vanno via. Una volta ottenuta la composizione voluta si va in colata continua. Viene laminato a caldo (800-1200°C) e si ha l'ossidazione superficiale. Dopo avviene il decapaggio, ossia immergiamo il pezzo che è superficialmente ossidato in soluzione di acido solforico o cloridrico che ha lo scopo di rimuovere gli ossidi superficiali. Se vogliamo spessori minori dopo il decapaggio avviene la laminazione a freddo (a temperatura ambiente). Così facendo si ottiene un materiale fortemente incrudito a causa delle forte deformazioni subite a freddo. Per rimuovere queste tensioni possiamo optare per:

• ricottura in discontinuo (la lamiera arrotolata viene lasciata una giornata a 720°C).

, dopo aver analizzato attentamente il problema, abbiamo identificato la soluzione migliore. Abbiamo deciso di implementare un algoritmo di machine learning per risolvere il problema in modo efficiente. Questo algoritmo sarà in grado di apprendere dai dati forniti e di adattarsi alle varie situazioni. Inoltre, utilizzeremo una combinazione di tecniche di preprocessing e feature engineering per migliorare ulteriormente le prestazioni del modello. Siamo fiduciosi che questa soluzione ci permetterà di ottenere risultati eccellenti e di superare le aspettative dei nostri clienti.