Metallurgia - Prima Parte

GHISA

Per una ghisa ipoeutettica si hanno grani di austenite (neri) e grani di ledeburite che derivano dalla solidificazione

del liquido. Si hanno quindi due costituenti e due fasi distinte nella prima immagine.

Abbassando ancora la tempera-

tura, quando si supera l’orizzontale

eutettoidica, tutto ciò che era si

γ

trasforma in struttura lamellare al-

ternata C (immagine di de-

α+Fe

3

stra); la ledeburite viene così chia-

mata “trasformata”.

Le zone chiare corrispondono alla

ledeburite trasformata, mentre i

domini più scuri con tratti curvilinei corrispondono alla perlite.

IPEREUTETTICA (COMPOSIZIONE 4,30%<C<5% IN PESO)

GHISA

Quando il sistema ipereutettuco supera l’orizzontale eutettica la fase liquida si trasforma in ledeburite. A tempera-

tura ambiente, come nel caso precedente, la ledeburite diventa ledeburite trasformata (non è corretto dire grani

di perlite in Fe C).

3

La ledeburite deriva dalla solidifi-

cazione (a 1147 °C) di un partico-

lare tipo di ghisa fusa, la miscela

eutettica contenente il 4,3% di car-

bonio disciolto nel ferro.

Al di sopra di 727 °C, fino a 1148

°C, la ledeburite è una miscela di

cementite e austenite. La morfolo-

gia si presenta come una matrice metallica di fase gamma all'interno del quale trovano posto dei globuli di fase

Fe C. Sotto i 727 °C, in condizioni di equilibrio (raffreddamento lento), è for-

3

mata da cementite e perlite e viene chiamata ledeburite trasformata.

La cementite (Fe C a sé stante) si divide in:

3

- PRIMARIA, si forma dal liquido (T>1148°C) nelle ghise ipereutettiche, ha la

forma di aghi allungati;

- SECONDARIA, si forma dall’austenite negli acciai ipereutettoidici (T<727°C);

METALLURGIA – PRIMO PARZIALE 29 Gabriele Grezzana

- TERZIARIA, si forma nella ferrite negli acciai ipoeutettoidici, in quantità molto basse, (T<727°C).

γ

La cementite non cambia forma dopo essersi generata, in base alla temperatura e alla concentrazione a cui si

forma avrà una struttura differente.

30/03/2015

9. DIAGRAMMI DI STATO TERNARI Per riuscire a descrivere leghe semplici, formate da due ele-

menti A e B, risulta sufficiente utilizzare un grafico bidimen-

sionale, che possiede le variabili concentrazione di A (e

quindi di B dato che A+B=1) e temperatura.

La pressione, non influenzando significativamente gli equili-

bri tra le fasi per piccole variazioni, è ritenuta fissa ad 1 atm.

Le leghe più comuni sono però composte da più di due ele-

menti; ampliando lo studio si possono approcciare i dia-

grammi ternari, rappresentabili in tre dimensioni.

Essi vengono genericamente riportati come prismi a base

triangolare, dove questa riporta la variabile concentrazione

delle tre specie presenti, mentre l’altezza rappresenta la temperatura.

Come nel caso di diagrammi binari, anche in quelli ternari, in base a T e C%, alcune fasi sono più stabili di altre:

saranno proprio queste a presentarsi in una condizione di equilibrio.

METALLURGIA – PRIMO PARZIALE 30 Gabriele Grezzana

Sfortunatamente, quando si hanno più di tre componenti, ci si affida a pro-

software

grammi di calcolo ( ) poiché una rappresentazione esaustiva della

lega sarebbe impossibile in uno spazio tridimensionale.

Nel triangolo equilatero in figura il sistema di coordinate è così strutturato:

- ai vertici sono presenti i componenti puri;

- tracciando dei segmenti equidistanziati tra loro e paralleli ad un lato oppo-

sto al vertice di un elemento si ottiene la percentuale di presenza di questo

nella lega; allontanandosi da un vertice decresce la percentuale della specie

relativa a quel vertice;

- sui lati del triangolo si trovano le tre leghe binarie corrispondenti agli ele-

menti presenti sui due vertici che il lato collega.

Tracciando un punto all’interno della superficie si ottiene una lega che ha una composizione determinata, ricava-

bile tracciando linee parallele ai tre assi di riferimento e leggendo i valori di intersezione con i lati.

Banalmente, una volta che si conoscono le concentrazioni di due specie, la terza è direttamente esplicitata dalla

formula Z=1-X-Y.

Complessivamente, come riportato nella prima figura di questo capitolo, il diagramma ternario sembra una “sca-

tola” nello spazio, dove le tre facce laterali sono i diagrammi binari, posizionati in verticale (coerentemente con la

temperatura), delle due specie ai vertici. solidus

All’interno di questa scatola si hanno casi intermedi tra i tre diagrammi di stato alle “pareti”: le linee di e

liquidus diventano superfici orizzontali che collegano i diagrammi binari; ciò che si ottiene sono delle lenti tridi-

mensionali (e non più bidimensionali) dove fase liquida e solida possono coesistere.

Nei casi più semplici può anche presentarsi un’unica fase solida di equilibrio per ogni combinazione di composi-

zioni.

Per studiare le leghe ternarie più complesse è utile fissare la percentuale di uno dei tre componenti, in modo da

avere leghe pseudobinarie, rappresentabili nelle due dimensioni. Questo è ottenibile eseguendo delle sezioni ver-

ticali nel grafico, partendo dal segmento nella base che riporta la X% desiderata.

Logicamente non è detto che la zona interna nel diagramma ternario sia sempre una media pesata dei tre dia-

grammi secondari, essa può assumere forme e presentare fasi non prevedibili dal solo studio delle sottoleghe.

Queste eventualità sono visualizzabili tramite sezioni orizzontali del grafico: esse sono dette sezioni isotereme poi-

ché permettono di vedere, al variare delle concentrazioni, le fasi

di equilibrio ad una certa temperatura.

Combinando lo studio di sezioni verticali (X% di un componente

fissata) con quello delle sezioni orizzontali (T definita), ovvero

estraendo informazioni attraverso profili definiti da linee di livello

fissando la T o la X%, si estraggono le informazioni relative alle

superfici interne al grafico, che delimitano le varie fasi.

Una versione dei diagrammi ternari più semplici è ottenibile in

due dimensioni (figura): similmente a quanto fatto per le car-

tine geografiche, vengono sovrapposte le curve che delimitano le

fasi di equilibrio ad intervalli regolari di temperatura. In questo

modo è possibile osservare l’andamento delle fasi al variare di T

e avere una rappresentazione più chiara e leggibile della lega.

METALLURGIA – PRIMO PARZIALE 31 Gabriele Grezzana

Nei casi più complessi

(figure), dove il numero

delle fasi è elevato e una

sovrapposizione delle linee

di livello creerebbe molta

confusione, si usa riportare

le sezioni isoterme separate: a seconda della temperatura di inte-

resse si avrà un diagramma della lega differente.

[Gli acciai inossidabili vengono ottenuti tramite leghe di ferro,

cromo e nichel (Fe-Cr-Ni)].

01/04/2015 temperature time trasformation continuous cooling trasformation

10. CURVE TTT ( ) E CTT ( )

CURVE DI TRASFORMAZIONE DELL’AUSTENITE E INTRODUZIONE AI TRATTAMENTI TERMICI

Definizione dei punti critici: A , A , A , A :

1 3 4 CM

• A di eutettoide (727°C), in cui l’auste-

temperatura

1

nite si trasforma in perlite, indipendentemente dalla co-

stituzione;

• A alla quale l’austenite diventa ferrite,

temperatura

3

il punto critico è valido solo per acciai ipoeutettoidici;

• A a cui si ottiene l’austenite a partire

temperatura

4

dalla ferrite δ;

• A temperatura in cui l’austenite si smiscela in au-



CM

stenite e cementite.

Il diagramma di fase Fe-C per ottenere leghe commer-

ciali è differente da quello riportato e studiato il questo

corso. Questo è dovuto alla complessità e alla vastità

delle miscele ottenibili aggiungendo elementi alliganti,

che permettono di modificare le zone di stabilità delle fasi nel diagramma:

AUSTENITIZZANTI, come Zn, Cu, Ni, Co, N, Mn, che aumentano la zona di stabilità dell’austenite;

FERRITIZZANTI, come Al, V, Mb, Zn, Cr, che riducono il campo di esistenza dell’austenite a favore di quello della

ferrite.

Esempio per un acciaio ipoeutettoidico raffreddato dalla fase a

γ

velocità progressivamente crescenti con la comparsa di nuovi co-

stituenti di non-equilibrio (grafico):

- perlite grossolana;

- perlite fine;

- bainite (prima bainite superiore e poi bainite inferiore);

- martensite.

COSTRUZIONE GRAFICA DI UN DIAGRAMMA DI TRASFORMAZIONE ISOTERMA DELL’AUSTENITE PER UN ACCIAIO

EUTETTOIDICO: CURVE TTT O CURVE DI BAIN

Le curve di Bain, sono dei diagrammi sperimentali che permettono di identificare le strutture ottenute al termine

di un determinato processo di raffreddamento.

METALLURGIA – PRIMO PARZIALE 32 Gabriele Grezzana

Si procede a studiare la trasformazione dell’austenite in perlite a diverse velo-

cità di sottoraffreddamento utilizzando alcuni provini di un acciaio eutettoide

(C 0,77%) portato da una temperatura superiore ai 723 °C a temperature di-

verse, come 710 °C, 700, 680, ecc. La trasformazione avviene, perciò, con un

grado di sottoraffreddamento via via crescente. Questo grado di sottoraffred-

damento fa sì che la reazione diventi via via più veloce, almeno fino a 550-

500 °C (sotto queste temperature vengono, infatti, ostacolati i moti diffusivi).

Riportando in grafico i tempi di inizio e fine trasformazione in funzione della

temperatura alla quale essa avviene, si ottengono le curve di Bain, con in or-

dinate la T e in ascisse il logaritmo

del tempo. Come si nota dal grafico

a destra, sopra 723 °C è stabile

l’austenite.

Sotto, fino alla curva di inizio tra-

sformazione si ha austenite metastabile. Tra le due curve austenite in

trasformazione, cioè austenite + perlite. Sotto la seconda curva perlite.

Sotto i 300 °C, però, la diffusione risulta così ostacolata che l’austenite

non riesce più a espellere il carbonio che rimane intrappolato nel reti-

colo. Si avrà sempre una trasformazione in ferrite (CCC), ma essa con-

tiene un eccesso di carbonio (0,81%, mentre la solubilità è inferiore allo

0,025%) che distorce il reticolo, passando a una struttura a cella ele-

mentare tetragonale. Si ha, cioè, una soluzione solida soprassatura di

carbonio in ferro detta martensite.

α,

A temperatura ambiente sarebbe stabile la struttura perlitica, un miscu-

glio di ferro alfa e cementite (Fe C); il raffreddamento troppo rapido,

3

però, fa sì che la massa metallica "non riesca" ad arrangiarsi nella