Metallurgia e materiali non metallici - Riassunto completo sui diagrammi di stato

DIAGRAMMI DI STATO COMPLESSI

liq ,

.

, = 900°C

2

1 200°C

A C B

20% 30% = 40% 70% 90% 95%

C rappresenta un composto (fase addensata attorno ad una certa composizione chimica) al 40% in B omogeneo.

 Consideriamo una lega al 30% in B.

= 50%

20

+

{

In = 50% in grani

1 = 25%

−

{

In = 75%

1 = 25%

eutettico 50% { = 25%

{

grani = 50%

A 20°C non cambia più nulla.

 = 900°

Consideriamo una lega al 90% in B e poniamo

2

: 100% in grani omogenei

In

2 = 90.91% in grani omogenei

= 200°: {

In = 9.09% smiscelato

Il range di solubilità dio B in A nella fase è il 20%, dato dal limite di solubilità a temperatura eutettica fino alla

solubilità a 20°C.

= 83.3% in grani omogenei

{

A 20°C: = 16.7% smiscelato

DIAGRAMMA FERRO-CARBONIO – LEGHE IPOEUTETTOIDICHE

Il diagramma ferro-carbonio descrive le condizioni di equilibrio delle leghe ferro-carbonio, come gli acciai (C < 2.11%) e

Fe C

le ghise (C > 2.11%). Sulla verticale al 6.69% in C sta un composto interstiziale di composizione chimica (carburo di

3

ferro).

Il ferro a 20°C è ferro-α con celle cubiche a corpo centrato sino a 912°C, temperatura alla quale diviene ferro-γ con celle

cubiche a facce centrate, a 1394°C diviene ferro-δ con celle cubiche a corpo centrato. La temperatura di fusione è

1538°C. Le trasformazioni che subisce il ferro solido all’aumentare della temperatura sono dette trasformazioni

allotropiche.

Il carbonio a 727°C raggiunge il limite di solubilità nel ferro-α allo 0.02%. La massima solubilità nel ferro-γ viene

raggiunta a 1148°C al 2.11% in C. A 1495°C vi è un’orizzontale peritettica che determina il limite di solubilità del carbonio

nel ferro-δ allo 0.09%:

Osservazioni:

La fase è la soluzione solida del carbonio nel ferro-α, la fase è la soluzione solida del carbonio nel ferro-γ e la fase

è la soluzione solida del carbonio nel ferro-δ.

Variando la configurazione cella da cubica a corpo centrato a cubico a facce centrate, essa diviene meglio organizzata,

quindi il carbonio interstiziale trova maggiore possibilità di insediarsi nelle celle: quelle di ferro-γ.

; ; ; ; Fe C.

In questo diagramma vi sono queste fasi: Tracciando le orizzontali si verifica l’alternanza tra campi

3

monofasici e bifasici.

Le orizzontali sono 3: una a 727°C (orizzontale eutettoidica), una a 1148°C (orizzontale eutettica), una a 1495°C

(orizzontale peritettica).

1538°C 0.17 0.53

1495°C liq.

0.09

1394°C 1148°C

2.11 4.3

912°C

1 0.02 727°C

0.77 Fe C

3

0.008

Fe 6.69%

 Consideriamo una lega ferro-carbonio allo 0.01% in C. ,

Inizialmente il composto solidifica formando grani omogenei di che si accresceranno fino a comporre il 100%

del sistema. Questi grani omogenei si dicono ferrite-. - ,

Scendendo con la temperatura si incontra il campo bifasico cioè comincia a nucleare ed accresce a

scapito di fino a comporre il 100% del sistema in grani omogenei. Questi grani si dicono austenite.

-: ,

Diminuendo ancora la temperatura si entra nel campo bifasico comincia a nucleare che accresce a

scapito di fino a comporre il 100% del sistema in . I grani omogenei che vengono a formarsi si dicono ferrite.

1 ,

Diminuendo ulteriormente la temperatura si incontra il limite di solubilità del carbonio in quindi comincerà

Fe C

a smiscelare il composto a bordo grano.

3 6.69−0.01

= 100 = 99.97%

0.008

{

A 20°C si avranno le fasi 6.69−0.008

Fe C = 0.03%

3

ferrite in grani omogenei = 99.97%

: Fe C

{ smiscelato a bordo grano si dice cementite terziaria.

3

Fe C smiscelato a bordo grano = 0.03%

3 Fe C

Ricordiamo che puro si dice carburo di ferro.

3

 Consideriamo una lega allo 0.02% in C.

Con questa lega si può calcolare il massimo quantitativo di cementite terziaria presente in una lega.

In vi sarà il 100% di austenite.

1

Diminuendo la temperatura fino a 727°C si troverà un accrescimento di ferrite sino al 100% del sistema.

= 99.82%

0.008

{

A 20° si avranno le fasi Fe C = 0.18%

3 ferrite = 99.82%

{

Le microstrutture saranno organizzate come cementite terziaria = 0.18%

0.18% è la quantità massima di cementite terziaria che si può trovare in un composto ferro-carbonio.

 Consideriamo una lega allo 0.77% in C. ,

Questa lega non vede la formazione di grani ma si formano direttamente i grani di austenite.

In : 100% austenite.

1 +

A 727°C : 100% austenite. Il ferro-γ puro è stabile fino a 912°C, mentre in lega con il carbonio esso è stabile fino

a più basse temperature.

= 88.76%

0.02

-

A 727°C :{ Fe C = 11.24%

3 = 88.76%

: costituente bifasico { il costituente eutettoidico bifasico si dice perlite.

Fe C = 11.24%

3 ll

Se la composizione è maggiore rispetto allo 0.77% in C si avranno acciai ipereutettoidici, se è inferiore acciai

ipoeutettoidici.

= 88.6%

0.008

{

A 20°C: ha smiscelato il carburo di ferro, quindi le lamelle si riorganizzeranno in:

Fe C = 11.4%

3 = 88.6%

0.008

: 100% perlite { Fe C = 11.4%

3

Immaginando di avere una lega a 0.77% a 20° in equilibrio essa sarà composta da 100% da perlite. Come si può

fare per sciogliere tutto il carbonio nel ferro? Scaldando il sistema fino a 727°C si otterrà un composto al 100%

in ferro-γ.

 Consideriamo una lega allo 0.3% in C .

Partendo dalla soluzione liquida si avrà prima di tutto la formazione di grani

= 52.27% ferrite

0.09

+ {

A 1495°C = 47.73%

0.53

= 63.89% autenite

0.17

- {

A 1495°C = 36.11%

0.53

In i nuclei di (austenite) saranno aumentati fino ad occupare il 100% del sistema.

1

Diminuendo la temperatura cominciano a nucleare i grani (ferrite), che accrescono fino a 727°C.

= 62.67%

0.02

+

A 727°C :{ = 37.33%

0.77

ferrite = 62.67%

: {

austenite = 37.33%

= 95.8%

0.02

-

727°C :{ Fe C = 4.2%

3

ferrite = 62.67% = 33.13%

: {

perlite = 37.33% { Fe C = 4.2%

3

= 95.63%

0.008

{

A 20°C Fe C = 4.37%

3

ferrite =?

cementite terziazia smiscelata =?

: Fe C

{ I grani di hanno smiscelato riarrangiando le lamelle.

3

=?

perlite = 37.33% {

Fe C =?

3

Considero la lega ausiliaria allo 0.02% in C. Essa ci dice che 0.18% è la quantità massima di cementite terziaria

che può essere smiscelata, quindi:

100 62.67

= ⇒ = 0.11%

0.18

ferrite = 62.67% − 0.11% = 62.56%

cementite terziazia smiscelata = 0.11%

: { = 95.63% − 62.56% = 33.07%

perlite = 37.33% { Fe C = 4.37% − 0.11% = 4.36%

3

Scaldando questa struttura arrivando a 728°C avremo austenite e ferrite. Per avere il 100% di austenite dovrò

scaldare a temperature più alte rispetto a quella necessaria per avere il 100% di austenite nella lega a 0.77% in

carbonio. Questa temperatura si dice temperatura di austenitizzazione: varia a seconda della percentuale di

carbonio presente nella lega.

DIAGRAMMA FERRO-CARBONIO – LEGHE IPEREUTETTOIDICHE

1538°C 0.17 0.53 liq.

1495°C 0.09

1394°C 1148°C

2.11 4.3

912°C

1 0.02 727°C

0.77 Fe C

3

0.008

Fe 6.69%

 Consideriamo una lega al 2.11% in C.

Questa lega solidifica formando nuclei di che accrescono fino ad occupare il 100% del sistema a 1148°C in

grani omogenei (austenite). = 77.36%

0.77

+

Fe C {

Diminuendo la temperatura l’austenite smiscela fino a 727°C

3 Fe C = 22.64%

3

austenite = 77.36%

: { dove la cementite secondaria è il carburo di ferro smiscelato a bordo

cementite secondaria = 22.64%

grano dall’austenite.

= 68.67%

0.02

- {

A 727°C Fe C = 31.33%

3 = 68.67%

perlite = 77.36% {

:

{ Fe C = 8.69% di costituzione eutettoidica dà origine al componente eutettico: la

3

cementite secondaria = 22.64%

perlite = 68.54%

0.008

{

A 20°C Fe C = 31.46%

3 = 68.54%

perlite = 77.36% {

: { Fe C = 8.82% quindi 22.64% è la massima quantità di cementite secondaria che si

3

cementite secondaria = 22.64%

può trovare in una lega ferro-carbonio.

 Consideriamo una lega allo 0.9% in C. = 97.8%

0.77

+ {

Quando si raggiungono i 727°C le fasi sono Fe C = 2.2%

3

austenite = 97.8%

: {

cementite secondaria = 2.2%

= 86.81%

0.02

- {

A 727°C Fe C = 13.19%

3 = 86.81%

perlite = 97.8% {

: { Fe C = 10.99%

3

cementite secondaria = 2.2%

Le strutture di equilibrio degli acciai sono:

ferrite-perlite con tracce di cementite terziaria per ipoeutettoidici

- 100% perlite per acciaio di composizione eutettoidica

- perlite-cementite secondaria per acciai ipereutettoidici

-

Passiamo ora a studiare le microstrutture delle ghise.

 Consideriamo una lega al 4.3% in C.

+

Questa lega è liquida fino a 1148°C : è la lega con la temperatura di solidificazione più bassa.

= 52.18%

2.11

- {

A 1148°C si ha un’orizzontale eutettica, le fasi sono Fe C = 47.82%

3

MS: 100% costituente eutettico bifasico, che si dice ledeburite. A differenza dei soliti costituenti eutettici

.

bifasici, è costituito da una matrice di carburo di ferro, nella quale sono dispersi globuli di

= 40.37%

0.77

+ {

A 727°C Fe C = 59.63%

3 = 40.37%

0.77

: 100% ledeburite { Fe C = 59.63%

3

= 35.83%

0.02

-

{

A 727°C il di composizione eutettoidica d