Chimica e tecnologia dei materiali - acciai e ghise

Acciai e ghise

Le leghe di ferro si distinguono in acciai e ghise in base alla percentuale di carbonio:

• Acciai → % di carbonio < 2,06
• Ghise → % di carbonio > 2,06

Diagramma ferro – carbonio

È un particolare diagramma di fase che descrive la microstruttura degli acciai e delle ghise. Esso presenta un composto intermetallico noto come cementite (Fe₃C = carburo di ferro) che ha 6,67 % di C; questo è anche il limite del diagramma perché leghe con tenore di carbonio superiore non hanno alcun significato.

La cementite è un composto metastabile, che si decompone secondo la reazione: Fe₃C → 3Fe + C per dare ferro e grafite. Quindi il diagramma ferro – carbonio, più appropriatamente ferro – carburo, dovrebbe essere ferro – grafite. Ma, anche se quest’ultimo è stabile da un punto di vista termodinamico, osservare tale diagramma richiederebbe velocità di raffreddamento molto lente. È per questo che facciamo riferimento al diagramma ferro – cementite.

Fasi delle leghe ferro – carbonio e trasformazioni invarianti

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

• Ferro α con struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC)
• Ferro γ con struttura cristallina cubica a facce centrate (CFC)
• Ferro δ con struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC)

Queste tre forme allotropiche si combinano con il carbonio per dar luogo alla cementite. Le fasi sono le seguenti:

• Fase α → Ferrite α (ferro α + 0,02 % di carbonio a 725 °C)
• Fase γ → Austenite γ (ferro γ + 2,08 % di carbonio a 1148 °C)
• Fase δ → Ferrite δ (ferro δ + 0,17 % di carbonio a 1495 °C)
• Fase Fe₃C → Cementite

P = punto eutettoidico; Q = punto eutettico; R = punto peritettico

P ha tre fasi:

• 1) Austenite γ con 0,8 %C
• 2) Ferrite α con 0,02 %C → Trasf. eutettoidica: Austenite γ → Ferrite α + Cementite
• 3) Cementite con 6,67 %C

Q ha tre fasi:

• 1) Liquida con 4,3 %C
• 2) Austenite γ con 2,08 %C → Trasf. eutettica: Liquido → Austenite γ + Cementite
• 3) Cementite con 6,67 %C

R ha tre fasi:

• 1) Liquida con 0,53 %C
• 2) Ferrite δ con 0,09 %C → Trasf. peritettica: Liquido + Ferrite δ → Austenite γ
• 3) Austenite γ con 0,17 %C

Gli acciai vengono suddivisi in:

Diagramma ferro – carbonio

• Eutettoidici: con 0,8 %C; a temperatura ambiente sono costituiti da laminette di Ferrite + cementite = perlite
• Ipoeutettoidici: con < 0,8 %C; costituiti da Ferrite α + perlite