Appunti lezioni Scienze dei materiali

Differenze tra le strutture CCC e CFC

La differenza tra le due strutture CCC è nel parametro di cella: in particolare all'aumentare di T aumenta il parametro di cella.

La versione del diagramma di stato più utilizzata è il diagramma di stato Fe-Cementite, che considera la cementite una fase; essa non è uno stato termodinamicamente stabile (lo è invece al suo posto, la grafite), ma è molto comune nei processi produttivi. Si ottiene invece una fase di grafite nelle ghise grigie.

Il diagramma di stato si chiama quindi Fe-Fe C.3. Questo diagramma è caratterizzato da tre trasformazioni:

1. Delta ad alta temperatura (1500°C), che vede stabile la struttura CCC (solida transiente, CCC)
2. Peritettica gamma + liquido -> (CFC o austenite) gamma a 1150°C
3. Eutettica 3 gamma alpha, in cui l'austenite si trasforma in ferrite (CCC) e cementite

3L'eutettica è la meno interessante dal punto di vista della metallurgia, poiché riguarda temperature γ prossime alla fusione, e comunque produce un unico solido (austenite). Tutte le ghise passano attraverso l'eutettica. Sono ipo-eutettiche dal 2 fino al 4.3%.

L'eutettoidica caratterizza gli acciai. Gli ipo-eutettoidici hanno un tenore di carbonio <0.8%, gli iper-eutettoidici fino al 2%, oltre il quale si hanno le ghise.

1Una versione semplificata del diagramma di fase trascura sia la trasformazione eutettica ad alta T, sia la α, fase la quale può solubilizzare solo pochissimo C, infatti il Fe-α ha una struttura CCC con lacune di piccole dimensioni, che difficilmente ospitano C interstiziale.

Acciai: La loro composizione in carbonio varia fino al 2%. Le fasi principali sono:

• γ: soluzione solida Fe-γ e C, CFC, stabile solo sopra i 738°C
• Austenite: Fe-α quasi puro (C < 0.2% a T ambiente), CCC
• Ferrite:

Fe C (Carburo di Ferro) Cementite 3 un miscuglio di due fasi che si distinguono al microscopio, da non confondere con le fasi. Essi sono tutte le fasi sopraelencate più la perlite. La perlite è il prodotto della trasformazione eutettoidica, ed è composta di lamelle di ferrite e cementite (osservabili al microscopio elettronico). Le due fasi non sono distinguibili al microscopio ottico, ma si presentano come piccoli grani scuri che rifrangono la luce come le perle. Essa ha sempre composizione 88.3% Fe-α e 11.7% cementite.

I punti critici sono: - cioè la curva GS, che definisce una trasformazione eutettoidica, e la cui temperatura dipende da 912 a 723°C - la temperatura di curie: 768°C, che segna il passaggio da Fe ferromagnetico a paramagnetico - la trasformazione eutettoide a 723°C

Acciai con C<0.8% α. Tra 912 e 723°C una parte di austenite si trasforma in ferrite Dal punto

A3 fino a A1 la quantità di ferrite aumenta, e i grani pro-eutettoidici sono grandi e sferici. La composizione dell'austenite diventa più ricca in carbonio, fino alla trasformazione eutettoidica. In questa trasformazione, l'austenite si trasforma in lamelle ferrite-cementite, mentre la ferrite pro-eutettoidica resta immutata. Al termine della trasformazione le fasi restano pressoché immutate.

Tra due acciai con diversa composizione più l'acciaio è ricco in carbonio, maggiore è la quantità di austenite che arriva alla temperatura eutettoidica. Tutta l'austenite comunque si trasforma in perlite. Se l'acciaio ha poco carbonio, a T ambiente è formato principalmente di Ferrite pro-eutettoidica, e di poca perlite.

Acciai con C=0.8% È la composizione eutettoidica: tutta l'austenite si trasforma in ferrite. La struttura microscopica è formata di colonie ferritiche, composta di lamelle.

ferrite-cementite. All'eutettoide ho tutta perlite a T ambiente

Acciai con C>0.8%

Viene attraversato un campo prima dell'eutettoide, in cui si forma cementite, che non cambia dicomposizione durante il raffreddamento; l'austenite perde via via carbonio. All'eutettoide ho austenite pro-eutettoidica e cementite, dopo la trasformazione l'austenite residua si trasforma in perlite.

In questa zona ho, a T ambiente, perlite + cementite 2

Ghise

Sono le leghe Fe-C con tenore di C dal 2% al 4%. Le fasi principali sono austenite, ferrite, cementite. In più si hanno nuovi costituenti metallografici:

• deriva dalla solidificazione della miscela eutettica contenente il 4,3% di carbonio disciolto
• Ledeburite: nel ferro. Si presenta come una matrice metallica di austenite all'interno del quale si trovano dei globuli di cementite. Essa esiste quindi tra i 723 e i 1148°C. Esso è quindi un miscuglio di due fasi diverse, che si presentano sotto forma di lamelle

sottili.

• è ledeburite a T minore rispetto a quella eutettoidica; in questa

Ledeburite trasformata:

trasformazione l'austenite si trasforma in perlite, mentre la cementite primaria non varia

La cementite secondaria si forma perché non tutto il carbonio si solubilizza nella fase alfa

Ghisa eutettica

Alla T eutettica il liquido si trasforma completamente in ledeburite, cioè in lamelle o in globuli (in base alla velocità di solidificazione) austenite-cementite. Man mano che la temperatura scende, l'austenite cambia di composizione, e solubilizza sempre meno C, che va a formare cementite, nucleando in nuovi globuli. Alla Teutettoidica, l'austenite si trasforma in perlite. Alla T ambiente c'è solo ledeburite trasformata

Ghisa ipo-eutettica

Dal 2 al 4.3% di C. Dal fuso si forma dell'austenite primaria. All'eutettica il liquido si trasforma in ledeburite.

Al termine della trasformazione si ha austenite primaria (matrice principale)

e ledeburite. Scendendo, l'austenite perde C che forma nuova cementite secondaria. All'eutettoidica l'austenite si trasforma in perlite. Al termine avremo perlite, ledeburite trasformata e cementite secondaria. All'interno di questa categoria si hanno le inghise grigie. Esse seguono il diagramma di stato stabile Fe-C, cui non si forma cementite ma grafite. Affinché questo avvenga servono piccole quantità di silicio, in modo che si formi grafite ad una velocità apprezzabile.

Ghisa iper-eutettica. Essa ha cementite primaria che si forma direttamente dal fuso, prima dell'eutettico. Per il resto segue lo stesso processo della precedente.

Pseudoelasticità e superplasticità. La pseudoelasticità è una proprietà elastica di deformazione reversibile, fino al 6-7% di deformazione. Questi materiali presentano una zona di deformazione elastica non lineare, e in cui la curva di scarico è diversa da quella di carico.

Questi materiali, durante la deformazione, subiscono una trasformazione di fase. Ad esempio, per le leghe Ni-Ti (Nitinol) si ha un passaggio da austenite a martensite applicando un carico.

Nei materiali pseudoelastici si osservano diverse strutture:

• Austenite stabile ad alta temperatura
• Martensite stabile a bassa temperatura

Si dice che:

• Detwinned: sottoposta a sollecitazione
• Twinned: non sottoposta a sollecitazione

Si deforma l'austenite a caldo, inducendo la trasformazione in martensite detwinned, per poi rimuovere il carico.

Le leghe pseudoelastiche sono anche leghe a memoria di forma. Si osserva che l'austenite è stabile a temperature più elevate rispetto alla martensite. Ciò che succede è che il materiale, cambiando la temperatura, cambia fase, e ad ogni fase è associata una forma.

Partendo da un materiale in fase austenitica, raffreddandosi si trasforma in martensite. In questo cambiamento di fase, da ogni grano di austenite si formano piccoli grani di martensite.

ognuno con orientamento diverso. A questo punto lo deformo plasticamente, per poi ritornare alla condizione iniziale.

Nella deformazione plastica i piccoli cristalli di martensite si unificano in cristalli molto più grandi orientati secondo la direzione di applicazione del carico, che porteranno al recupero della forma.

In questo caso la struttura martensitica è monoclina.

La superplasticità è una proprietà che corrisponde a deformazioni plastiche molto elevate, utilizzata per stampare materiali con forme molto complesse. Questa caratteristica si osserva tipicamente anche a bassi carichi applicati, e che può portare a deformazioni fino al 200% se vengono associate a velocità di deformazione molto piccole, e ad una temperatura superiore alla metà della T di fusione. Affinché si osservi questo fenomeno c'è bisogno di una struttura policristallina a grani piccoli equiassici. Questa caratteristica si presenta in materiali

• leghe duplex, in cui sono presenti due fasi distinte nella stessa proporzione, per cui si ottengono grani piccoli. Ad esempio, Ti-Al, Cu-Al e gli acciai duplex.
• Leghe a pseudo singola fase: una fase è in proporzioni molto minori rispetto all'altra. Ad esempio, alluminio e zirconio 111.

• Dilatazione termica
• Aumento di temperatura: causato da una maggiore vibrazione degli atomi/ioni intorno alle loro posizioni