Scienza e Tecnologia dei Materiali

LEGHE BINARIE PERITETTICHE

Le leghe binarie peritettiche, o sistemi peritettici ,sono quelle che si formano quando si hanno due

componenti metallici con temperature di fusione sensibilmente diverse. Nei diagrammi di stato di

questi sistemi si può osservare l’omonima trasformazione peritettica che consiste nell’interazione tra

una fase liquida e una solida per la formazione di una nuova fase solida. Questa trasformazione,

infatti, può essere scritta come: Liquido + α − − − > β

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ALTRE TRASFORMAZIONI INVARIANTI

Altre due importanti trasformazioni invariati che avvengono nei sistemi binari sono la trasformazione

eutettoidica e la trasformazione peritettoidica. La trasformazione eutettoidica è simile a quella

eutettica, in quanto in entrambe durante il raffreddamento vengono formate due fasi solide da

un’unica fase, con la differenza che nella trasformazione eutettoidica la fase che reagisce è solida, al

contrario di quella eutettica in cui è liquida.

Analogamente la trasformazione peritettoidica è simile a quella peritettica , in quanto in entrambe

due fasi reagiscono per formare una nuova fase solida, con la differenza che nella trasformazione

peritettoidica le due fasi iniziali sono entrambi solide mentre in quella peritettica le due fasi iniziali

sono una solida e l’altra liquida.

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DIAGRAMMI DI STATO CON FASI E COMPOSTI INTERMEDI

Nella terminologia dei diagrammi di stato è conveniente distinguere due tipi di soluzioni solide:

- FASI LIMITE, che sono quelle soluzioni solide presenti alle estremità dei diagrammi a che

confinano con i componenti puri;

- FASI INTERMEDIE, che sono quelle soluzioni solide che si hanno in un intervallo di composizione

interno al diagramma stesso e che in un diagramma binario sono separate da altre fasi da regioni

bifasiche.

In alcuni diagrammi di stato, inoltre, si formano dei composti intermedi tra due metalli oppure tra un

metallo e un non-metallo che si possono distinguere in base al tipo di fusione che esso presenta:

- FUSIONE CONGRUENTE, quando ad una certa temperatura (di fusione) il composto si trasforma

completamente in un liquido che ha la sua stessa composizione;

- FUSIONE INCONGRUENTE, quando ad una certa temperatura (di fusione) il composto si

decompone trasformandosi in un solido ed in liquido che possiedono entrambi una composizione

diversa da quella del composto di partenza.

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GLI ACCIAI

Alcuni materiali metallici oltre che a possedere resistenza alle sollecitazioni meccaniche devono

anche presentare caratteristiche tali da poter contrastare i diversi fenomeni fisici che possono

incidere su di essa (come la corrosione). Questo tipo di materiali vengono chiamati acciai e sono

sostanzialmente delle leghe di ferro e carbonio, con tenore di carbonio non superiore al 2,0%.

Quando il carbonio supera il 2,0%, le proprietà del materiale cambiano e la lega prende il nome di

ghisa. La maggior parte degli acciai è ottenuta per ossidazione del carbonio e delle altre impurità

presenti nella ghisa grezza, finché il contenuto di carbonio nel ferro si riduce al livello richiesto.

DIAGRAMMA DI STATO FERRO-CARBURO

Il diagramma di stato ferro-carburo di ferro mostra le fasi presenti nelle leghe ferro-carbonio

raffreddate molto lentamente a varie temperature e con percentuali di carbonio fino al 6,67%.

FASI SOLIDE NEL DIAGRAMMA DI STATO Fe-Fe C

3

Il diagramma Fe-Fe C contiene le seguenti fasi solide:

3

- Ferrite-α: è una soluzione solida interstiziale del carbonio nel reticolo cristallino CCC del ferro α.

Come indicato nel diagramma di stato Fe-Fe C, il carbonio è solo parzialmente solubile nella

3 °C che diminuisce fino

ferrite-α, con una solubilità allo stato solido massima dello 0,02% a 723

allo 0,005% a 0°C;

- Austenite (γ): è una soluzione solida interstiziale del carbonio nel reticolo cristallino CFC

del ferro γ che ha una solubilità del carbonio maggiore rispetto alla ferrite-α. La solubilità

del carbonio nell’austenite ha un massimo del 2,06% a 1148°C che diminuisce fino allo

0,8% a 723°C;

- Cementite ( Fe C): è un composto intermetallico duro e fragile con limite di solubilità trascurabile

3

e una composizione di 6,67% di carbonio e del 93,3% di ferro;

- Ferrite-ẟ: è una soluzione solida interstiziale del carbonio nel reticolo cristallino CCC del

ẟ.

ferro La solubilità massima, allo stato solido, del carbonio nella ferrite-ẟ è dello 0,09% a

1465°C. Appunti di Scienza e Tecnologia dei Materiali

TRASFORMAZIONI INVARIANTI NEL DIAGRAMMA DI STATO Fe-Fe C

3

Il diagramma Fe-Fe C contiene le seguenti trasformazioni invarianti:

3

- Peritettica: è una trasformazione, che avviene a 1495°C, in cui, al punto peritettico, il liquido con

errite-ẟ, con 0,09% di carbonio, per formare austenite (γ),

0,53% di carbonio si combina con f

con 0,17% di carbonio;

Liquido(0,53 % C) + ferrite − δ(0,09 % C) − − − > austenite(γ) % C)

(0,17

- Eutettica: è una trasformazione, che avviene a 1148°C, in cui, al punto eutettico, il liquido con

austenite (γ), con 2,06% di carbonio, cementite ( con 6,67% di

4,3% di carbonio forma Fe C),

3

carbonio; Liquido(4,3 % C) − − − > austenite(γ) % C) + Fe C % C)

(2,06 (6,67

3

- austenite

Eutettoidica: è una trasformazione, che avviene a 723°C, in cui, al punto eutettoidico, l’

(γ) solida, con 0,8% di carbonio, produce ferrite-α, con 0,02% di carbonio, e cementite

( con 6,67% di carbonio;

Fe C),

3 Austenite(γ) % C) − − − > ferrite − α % C) + Fe C % C)

(0,8 (0,02 (6,67

3

AUSTENIZZAZIONE

L’austenizzazione è un processo che prevede il riscaldamento di un acciaio fino a temperature

austenitiche in modo tale da trasformare la sua struttura in una struttura austenitica omogenea.

ACCIAI AL CARBONIO EUTETTOIDICI

Si definiscono acciai eutettoidici tutti quegli acciai che contengono una percentuale di carbonio pari

allo 0,8%.

ACCIAI AL CARBONIO IPOEUTETTOIDICI

Si definiscono acciai ipoeutettoidici tutti quegli acciai che contengono una percentuale di carbonio

inferiore allo 0,8%.

ACCIAI AL CARBONIO IPEREUTETTOIDICI

Si definiscono acciai ipereutettoidici tutti quegli acciai che contengono una percentuale di carbonio

superiore allo 0,8%.

RAFFREDDAMENTO LENTO DI ACCIAI AL CARBONIO EUTETTOIDICI

La struttura di un campione di acciaio con 0,8% di carbonio austenizzato rimane inalterata durante il

raffreddamento fino a quando non viene raggiunta la temperatura eutettoidica (723°C). Infatti,

qualsiasi temperatura appena al di sotto di quest’ultima trasforma l’intera struttura da austenite ad

una struttura lamellare costituita da laminette alternate di ferrite-α e di Fe3C chiamata Perlite.

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RAFFREDDAMENTO LENTO DI ACCIAI AL CARBONIO IPOEUTETTOIDICI

Se un campione di acciaio con 0,4% di carbonio austenizzato viene raffreddato si nota la

formazione di ferrite proeutettoidica, principalmente sui bordi dei grani austenitici, la cui percentuale

aumenta al diminuire della temperatura. La quantità di ferrite proeutettoidica formata continua ad

aumentare fino al 50%, mentre il contenuto di carbonio dell’austenite aumenta dallo 0,4% allo 0,8%.

A 723°C, infine, se prevalgono condizioni di raffreddamento lento, l’austenite rimanente si trasforma

in perlite, attraverso la trasformazione eutettoidica.

RAFFREDDAMENTO LENTO DI ACCIAI AL CARBONIO IPEREUTETTOIDICI

Se un campione di acciaio con 1,2% di carbonio austenizzato viene raffreddato si nota la

formazione di cementite proeutettoidica, principalmente sui bordi dei grani austenitici, la cui

percentuale aumenta al diminuire con la temperatura. La quantità di cementite proeutettoidica

formata continua ad aumentare, mentre il contenuto di carbonio dell’austenite passa dall’1,2% allo

0,8%. A 723°C, infine, se prevalgono condizioni di raffreddamento lento, l’austenite rimanente si

trasforma in perlite, attraverso la trasformazione eutettoidica.

La cementite formata durante la trasformazione eutettoidica viene detta cementite eutettoidica per

distinguerla dalla cementite proeutettoidica formatasi a temperatura superiore a 723°C.

Analogamente, la ferrite formata durante la trasformazione eutettoidica tiene detta ferrite

eutettoidica per distinguerla dalla ferrite proeutettoidica formatasi a temperatura superiore a 723°C.

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PERLITE

Se un acciaio al carbonio con struttura austenitica viene raffreddato rapidamente ad una

temperatura al di sotto di quella eutettoidica e viene mantenuto poi in condizioni isoterme, la sua

struttura cambierà da austenitica a perlitica.

La perlite, negli acciai al carbonio, è un costituente formato da laminette parallele delle fasi ferrite-α

e cementite, prodotto di trasformazione eutettoidica dell’austenite.

MICROSTRUTTURA DELLA PERLITE

La microstruttura della perlite è caratterizzata dall’alternarsi delle laminette di ferrite e cementite ed a

seconda della dimensione delle stesse possiamo individuare:

- PERLITE GROSSOLANA, che si ottiene a seguito di un raffreddamento a velocità bassa;

- PERLITE FINE, che si ottiene a seguito di un raffreddamento a velocità rapida.

BAINITE

Se un acciaio al carbonio con struttura austenitica viene raffreddato rapidamente ad una

temperatura compresa tra i 215°C e i 540°C, si produce una struttura intermedia tra la perlite e la

martensite, chiamata bainite.

La bainite, negli acciai al carbonio, è un costituente formato da ferrite-α e particelle molto piccole di

cementite prodotte dalla decomposizione dell’austenite.

MICROSTRUTTURA DELLA BAINITE

La microstruttura della kainite si divide in due tipi:

- BAINITE SUPERIORE, che si forma per temperature di raffreddamento comprese tra 550°C e

350°C e mostra la presenza di larghi aghetti di cementite;

- BAINITE INFERIORE, che si forma per temperature di raffreddamento comprese tra 350°C e

250°C e mostra la presenza di di particelle di cementite più sottili.

DIAGRAMMA DI TRASFORMAZIONE ISOTERMICA (TTT)

Si definisce diagramma di trasformazione isotermica quel diagramma trasformazione-tempo-

temperatura che indica il tempo di trasformazione isotermica di una fase a differenti temperature.

DIAGRAMMA DI TRASFORMAZIONE PER RAFFREDDAMENTO CONTINUO (CCT)

Si definisce diagramma di trasformazione per raffreddamento continuo quel diagramma

trasformazione-tempo-temperatura che indica il tempo di trasformazione di una fase a diffe