Affidabilità dei materiali - Stefano Natali

MATERIALI METALLICI

Iniziamo questa parte trattando gli acciai, cioè le leghe Fe-C, analizzando prima di tutto il diagramma di stato tra questi due elementi:

La prima cosa da osservare è che il C ed il Fe non rispettano le regole di Hume-Rothery: hanno dimensioni sensibilmente diverse, cristallizzano con reticoli diversi e hanno un diverso numero di elettroni di valenza. Tuttavia, è importante tener presente l'elevata affinità chimica tra i due elementi, che permette l'interazione tra di loro. Questa affinità chimica è responsabile dell'ossidazione del ferro e della creazione di un legame chimico tra atomi di Fe e C, creando la cementite. Per questo motivo, il diagramma Fe-C non arriva ad avere il 100% di C, ma si ferma al 6.67%, cioè alla formazione della cementite.

Chiameremo acciai le leghe con C < 2.06% e ghise le leghe con C > 2.06%.

Vediamo le zone monofasiche del diagramma:

Ferrite (α): è una struttura CCC, in cui la solubilità massima del C è dello 0.02% a 723°C (punto P), ma questa diminuisce fino a 0.005% scendendo a 0°C.

cristallizzi in forma più compatta rispetto alla ferrite, può ospitare un numero maggiore di atomi di C (infatti la solubilità è molto maggiore). Questo fatto, che può sembrare della cella CFC rispetto a quello paradossale, è dovuto alla presenza di un maggiore vuoto all'interno che si ha nella cella CCC (dove c'è un atomo in mezzo che occupa spazio), così che vi possa entrare un numero superiore di atomi a livello interstiziale.

Analizziamo adesso le trasformazioni invarianti del diagramma.

→ 1495 °C): Trasformazione peritettica (punto I stando alla regola della leva, il liquido contenente si combina con la ferrite δ di solubilità massima 0.53 % di C (punto B) (0.09 % di C), per dare vita all'austenite γ, che avrà una percentuale a metà tra queste due (0.17 % di C).

(punto C → 1148 °C): Trasformazione eutettica °C): stando alla regola della leva, il liquido con 4.3 % di C si

decompone in austenite con 2.06 % di C e cementite, che contiene sempre 6.67% di C. → 723 °C): stando alla regola della leva, l’austenite con 0.8% di C si decompone in ferrite α con solubilità massima (0.02% di C) e cementite. Questo punto è molto importante, poiché delimita quelli che chiameremo acciai strutturali (tenore di C < 0.8 %) e gli acciai per utensili (tenore di C > 0.8 %), oltre all’acciaio eutettoidico (tenore di C = 0.8%). Vengono, inoltre, detti acciai al carbonio, tutti gli acciai con 0.03 % < C < 1.2 %. 45 Vediamo la struttura dei 3 tipi di acciaio elencati poco fa: Acciai eutettoidici: ci riferiamo ad un acciaio con 0.8 % di C, che viene mantenuto inizialmente ad una temperatura superiore a quella eutettoidica, subendo il processo di austenitizzazione, ossia la formazione di una struttura omogenea di austenite. Raffreddando fino al punto “a”, avremo ovviamente tutta

austenite; ma appena finiamo poco al disotto della temperatura eutettoidica (punto "b"), la struttura che si viene a creare è formata da unaserie di lamelle alternate di ferrite α e cementite. Questa struttura la chiameremo perlite: Più sono piccoli i grani austenitici di partenza e minori saranno le dimensioni delle colonie di lamelleequiorientate: circoscrivendo le lamelle in una zona molto piccola, si rende complicato il moto delledislocazioni, andando così a rafforzare il materiale. Una volta rimpiccioliti i grani austenitici, l'obiettivo sarà quello di assottigliare sempre di più le lamelle e questo accadrà aumentando sempre di più il sottoraffreddamento rispetto alla temperatura eutettoidica (in questo caso parliamo di raffreddamenti reali). 46consideriamo quello con 0.4 % di C (l'acciaio C40), eAcciai ipoeutettoidici (strutturali): supponiamo di raffreddarlo a partire da 900 °C, sempre per avere una

struttura di austenite omogenea:Giunti al punto “b”, inizierà a precipitare la ferrite α proeutettoidica, che crescerà principalmente nei bordi dei grani austenitici. Continuando a raffreddare si allunga il segmento relativo alla ferrite α a discapito dell’austenite (che diminuisce); ma allo stesso tempo l’austenite aumenta proeutettoidica, il proprio tenore di carbonio, visto che nella struttura CCC della ferrite c’è meno spazio per gli atomi CFC. Giunti al punto “c” l’austenite di C rispetto alla situazione precedente in cui avevamo tutta ferrite α residua subisce la trasformazione eutettoidica, formando perlite. Ovviamente chiameremo eutettoidica quella che si alterna con la cementite per formare la perlite. 47 Acciai Ipereutettoidici (per utensili): consideriamo un acciaio con 1.2 % di C, riscaldato sempre ad una elevata temperatura, così da avere completamente austenite:Giunti al punto “b”,

Talmente poca che possiamo assumere come "precipitato" e quindi non avremo più lamelle alternate di ferrite e cementite (perlite), malamelle di ferrite in cui è precipitata della cementite (bainite).

Il primo trattamento termico che vediamo è la tempra di soluzione:

Prendiamo una lega tra due elementi A e B con diagramma eutettico (un esempio è la lega Al-Cu) e consideriamo la composizione x. Il trattamento termico si compone delle seguenti fasi:

1. (tratto DA) all'interno della zona monofasica α e
• Si innalza la temperatura fino al valore T sol
• Si attende per un certo tempo (tratto AB) che tutta la fase β scompaia (solubilizzazione);
2. Si raffredda molto rapidamente da T ad una T bassa (tratto BC), per esempio sfruttando soldell'azoto liquido, così da non permettere la precipitazione della fase β, ma ottenere una struttura α sovrassatura di atomi B, che rimangono incastrati nel reticolo di α;
3. Si