Appunti Tecnologia dei materiali e chimica applicata

IAGRAMMA FERRO CARBONIO

Il diagramma di stato ferro-carbonio, descrive le strutture di equilibrio delle principali leghe ferro-carbonio (acciaio e

ghisa).

Nella forma in cui viene presentato solitamente, il diagramma ferro-carbonio presenta un composto intermetallico di

formula Fe C (carburo di ferro) comunemente chiamato cementite. La porzione del diagramma che si prende in

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considerazione è quella con un contenuto di carbonio corrispondente alla composizione stechiometrica della cementite

(6.69% in peso) (per questo sarebbe più appropriato parlare di diagramma ferro-cementite). Difatti la porzione che

interessa dal punto di vista tecnologico (di pertinenza dell'acciaio e della ghisa) coinvolge percentuali di carbonio ben

al di sotto di questo limite (in genere non si supera il 4%). Nel diagramma si assume inoltre per semplicità che la grafite

sia completamente solubile nel ferro fuso, anche se di fatto tale solubilità è limitata al 5%.

La cementite è in realtà un composto metastabile, mostrando la tendenza a decomporsi secondo la reazione

→ 3Fe + C

Fe C

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per dare ferro e grafite. Il vero diagramma di equilibrio termodinamico è perciò il diagramma ferro-grafite (le cui linee

di trasformazione sono rappresentate in blu nella figura 1). Tuttavia la reazione di decomposizione procede in maniera

estremamente lenta tale da non avere rilevanza pratica nelle normali condizioni ambientali.

Questo diagramma è limitato ad un tenore di carbonio ≤ 6,67% (percentuale stechiometrica di C presente nel carburo

Fe C). Le leghe con percentuale superiore a questo valore, non hanno nessun interesse tecnologico. Il diagramma Fe –

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Fe C è di fondamentale importanza per lo studio dei trattamenti termici.

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Il ferro puro (che in natura non esiste), allo stato solido presenta tre forme allotropiche:

 struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC), stabile fino a 912°C.

ferro α: 7-163

 struttura cristallina cubica a facce centrate (CFC), stabile tra 912°C e 1394°C.

ferro γ:

 struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC), stabile tra 1394°C e 1536°C (temp. fusione).

ferro δ:

Queste tre forme allotropiche del ferro sono in grado, in misura diversa, di dar luogo a soluzioni solide con il carbonio,

oltre che combinarsi con questo per formare la cementite.

Nel diagramma le fasi presenti sono quindi le seguenti:

 Fase α: Ferrite. È la soluzione interstiziale formata da piccole quantità di carbonio nel reticolo CCC del ferro

α. La presenza di atomi di carbonio nel reticolo CCC del ferro α produce delle notevoli distorsioni, per questo

la solubilità del carbonio nel ferro α è molto limitata (come si evince dal diagramma) e può raggiungere un

valore massimo dello 0.02% (a 727°C).

 Fase γ: Austenite. È la soluzione solida interstiziale del carbonio nel ferro γ (CFC). La struttura cristallina del

ferro γ, favorisce una maggiore solubilità del carbonio, dal diagramma si nota infatti un campo di stabilità

dell'austenite decisamente più ampio

 Fase δ: È la soluzione interstiziale del carbonio nel ferro δ (CCC). Valgono per questa fase considerazioni

analoghe a quelle fatte sulla ferrite α.

7-164  Fase Fe C: Cementite. È un composto intermetallico duro e fragile, costituito da ferro e carbonio, in cui la

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percentuale di quest'ultimo elemento è pari al 6,69% in massa. Si tratta quindi di un carburo di ferro indicato

con il simbolo Fe C. La struttura cristallina è in grani di solidi intermetallici, è formata quindi da celle tutte

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uguali fra di loro. Un elemento è presente nel reticolo dell’altro elemento in modo costante e regolare. 7-165

7-166 7.4.1 C LASSIFICAZIONE LEGHE FERROSE

La presenza dell’eutettico individua convenzionalmente due diversi materiali ferrosi: gli acciai e le ghise I primi hanno

un tenore di carbonio inferiore massima solubilità nell’austenite, le seconde formano, durante la solidificazione, una

fase grafitica o cementitica. Nel caso di leghe binarie il confine convenzionale tra i due materiali è individuato dal tenore

di 2,11 % C.

7.4.1.1.1 Classificazione degli acciai

La classificazione e la designazione degli acciai sono regolamentate da norme europee valide in tutte le nazioni aderenti

al Comitato Europeo di Normazione (CEN). Le più recenti norme europee, fatte proprie in Italia dall’ente nazionale di

unificazione per l’industria, sono:

- UNI EN 10020 per quanto riguarda la classificazione

- UNI EN 10027-parte 1 per quanto riguarda la designazione alfanumerica

- UNI EN 10027-parte 2 per quanto riguarda la designazione numerica

materiale in cui il ferro è l’elemento predominante e in cui il tenore di

La norma UNI EN 10020 definisce acciaio “un

carbonio è di regola minore del 2 % e che contiene altri elementi. Un numero limitato di acciai al cromo può avere un

tenore di carbonio maggiore del 2 %, ma tale valore del 2 % è il tenore limite corrente che separa l’acciaio dalla ghisa”.

Gli acciai possono essere classificati secondo due criteri: in base alla composizione chimica ed in base all’impiego ed

alle caratteristiche meccaniche. 7-167

1) la norma suddetta definisce due classi: La

In base alla composizione chimica, acciai non legati e acciai legati.

medesima norma, indica i valori degli elementi aggiunti che delimitano gli acciai non legati da quelli legati.

acciai non legati,

a) Negli le percentuali degli elementi chimici presenti (escluso ovviamente il carbonio)

risultano inferiori a quelli indicati nella seguente tabella:

acciai legati,

b) Negli almeno un elemento in lega ha percentuale maggiore o uguale a quella indicata nella

tabella precedente.

2) gli acciai si possono distinguere in

A seconda dell’impiego e delle caratteristiche meccaniche, acciai di base,

acciai di qualità ed acciai speciali

Gli acciai di base

a) sono acciai non legati per i quali non è prevista alcuna prescrizione per quanto riguarda

l’impiego e non è previsto alcun trattamento termico. In particolare devono essere garantite le seguenti

proprietà:

- tenore di carbonio C ≤ 0,10 %, 2

- resistenza a trazione R ≤ 690 N/mm 2

- carico unitario di snervamento minimo ReH = 360 N/mm

- allungamento A ≤ 26 %

- resilienza (misurata con provino unificato a V) K ≤ 27 J - durezza massima Rockwell HRB ≥ 60.

Gli acciai di qualità

b) sono acciai non legati per i quali non è richiesto un regolare comportamento ai

trattamenti termici ma che, in relazione all’impiego, possono essere richieste prescrizioni riguardo la frattura

fragile, la struttura, l’attitudine alla deformazione per cui particolare cura deve essere posta nel processo

produttivo. Tra questi acciai, utili nel campo delle lavorazioni meccaniche, ricordiamo:

- acciai idonei alla bordatura e alla profilatura

- acciai idonei alla saldatura

– acciai resistenti alla corrosione

- acciai per l’imbutitura a freddo

- acciai per alte velocità di taglio

- acciai per vergella

7-168 acciai speciali non legati

c) Gli sono quegli acciai che presentano, rispetto ai precedenti, una purezza superiore,

particolarmente nei confronti delle inclusioni non metalliche. Nella maggior parte dei casi essi sono destinati

al trattamento di bonifica o a un trattamento di tempra superficiale e sono caratterizzati da una risposta regolare

al trattamento subito. In particolare sono:

- acciai che presentano garanzia di resilienza allo stato bonificato

- acciai con specificata profondità di tempra

- acciai con specificata durezza nello stato superficiale

- acciai con tenori limiti di inclusioni non metalliche

- acciai con tenore massimo specificato di zolfo o fosforo.

Acciai di qualità legati

d) Sono acciai la cui utilizzazione è simile a quella degli acciai di qualità non legati,

ma che contengono degli elementi aggiunti per rispondere ad alcune condizioni di impiego. Fanno parte di

questa categoria:

- acciai per costruzione metallica, per apparecchi a pressione o per tubi, a grano fine, saldabili, con carico

2

unitario di snervamento minimo ReH < 380 N/mm

- accia al silicio manganese (per molle)

- acciai per rotaie

- acciai per prodotti piani laminati, destinati a severa formatura a freddo

- acciai avente solo il rame come elemento di lega

Acciai speciali legati

e) Sono degli acciai che, essendo stati ottenuti con una regolazione precisa della loro

composizione chimica e con particolare cura e controllo del processo produttivo, hanno diverse proprietà di

formatura e di attitudine all’impiego. Essi sono:

- acciai resistenti alla corrosione e all’ossidazione a caldo

- acciai resistenti allo scorrimento

- acciai per cuscinetti

- acciai per utensili

- acciai per costruzioni meccaniche metalliche

La norma li suddivide in tre categorie:

1) acciai inossidabili (aventi C ≤ 1,20 % e Cr ≥ 10,5 %)

a) Ni < 2,5 %

b) Ni ≥ 2,5 %

2) acciai rapidi, contenenti almeno due elementi tra molibdeno, tungsteno e/o vanadio, C ≥ 0,60 % e Cr tra 3

e 6 %

3) altri acciai speciali legati

Una classificazione pratica degli acciai è quella che prevede una distinzione in acciai comuni ed acciai speciali. 7-169

1) Acciai comuni

Gli acciai comuni (o acciai semplici o acciai al carbonio) sono quegli acciai che contengono impurezze in numero

abbastanza elevato ed il tenore degli elementi in lega non è controllato. Eventuali altri elementi sono presenti come

residui del processo di fabbricazione. La presenza del carbonio nell’acciaio conferisce durezza. Per questo, per gli acciai

comuni, è molto utilizzata la seguente classificazione pratica d’officina:

• Acciai extra dolci C < 0,15 %

• “dolci C = 0,15 – 0,30 %

• “semiduri C = 0,30 – 0,45 %

• “duri C = 0,45 – 0,65 %

• “extra duri C = 0,65 – 0,80 %

2) Acciai speciali

Gli acciai speciali sono quegli acciai che hanno percentuale bassa e controllata delle impurezze ed anche il tenore degli

elementi aggiunti è controllato. Questi acciai, anche se rappresentano soltanto un quarto della produzione mondiale

dell’acciaio, risultano i più richiesti per le importati applicazioni tecnologiche e meccaniche che permettono. Secondo i

settori tecnologici di impiego, è molto utilizzata la seguente classificazione:

• Acciai da costruzione

• Acciai per usi particolari

• Acciai per utensili

Altre classificazioni possono essere fatte:

1) in base ai requisiti qualitativi ottenuti attraverso il controllo delle tecniche di fabbricazione (acciai di base, acciai

di qualità, acciai speciali);

2) in base alla composizio