IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

Prof. Michele Burgarelli

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO liquidus

solidus

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

Convenzionalmente le leghe del ferro si

distinguono in acciai e ghise in funzione del tenore di carbonio,

rispettivamente minore o maggiore di 2.06%

In realtà il tenore di carbonio negli acciai non supera 1.2, ed è quasi sempre compreso tra

0.03 e 0.8.

ACCIAIC <= 2.06%

GHISE2.06 % < C < 6.67 %

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

Le trasformazioni invarianti sono:

1 - Eutettica al 4,3% e 1147 °C

2 - Eutettoide allo 0,8% e 723 °C

3 – Peritettica allo 0,17% e 1493 °C

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

VALORI DI RIFERIMENTO

ACCIAIO C40

Kv = 27 J

Rm = 700 MPa

A = 15 %

HRC = 20

IL DIAGRAMMA FERRO – CARBONIO : le strutture

Cementite terziaria

Cementite secondaria

Cementite primaria

Cementite (Fe3C): la sua composizione

corrisponde ad un tenore del 6.67% in C.

Si tratta di un composto intermetallico.

HRC = 65

Rm = 30 MPa

A = 0 %

KV = 0

- Cementite primaria dalla fase liquida

- Cementite secondaria dalla fase austenite

- Cementite terziaria dalla fase ferrite alfa

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture Ferrite α = soluzione solida interstiziale di C in ferro ccc stabile fino a 911 °C. La massima solubilità si ha a 723 °C e vale circa 0,02%, mentre a temperatura ambiente si riduce a un terzo: in pratica è ferro tecnicamente puro.

HB = 80

Rm = 300 MPa

A = 40 %

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture

Ferrite δ = soluzione solida interstiziale di C in ferro ccc stabile oltre 1392°C. La solubilità massima è in questo caso di 0.09% a 1493°C.Non differisce sostanzialmente dalla ferrite alfa

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture Austenite = soluzione solida interstiziale di C in ferro γ

L’austenite, secondo il diagramma ferro – carbonio, non è presente a temperatura ambiente.

Può essere presente a temperatura ambiente se ottenuta con rapidi raffreddamenti o con l’aggiunta di articolari elementi di alligazione

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture Austenite = soluzione solida interstiziale di C in ferro γ

L’austenite è costituita da cristalli aventi bordi rettilinei

HB = 180

Rm = 670 MPa

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture Perlite : struttura di tipo eutettoide formata da lamelle di ferrite alfa alternate a lamelle di cementite

Il campo di esistenza della perlite è sotto 723 °C

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture

Secondo il suo aspetto morfologico e in dipendenza del raffreddamento subito la perlite si distingue in lamellare o globulare (molto più rara).

Perlite

HB = 250 - 300

Rm = 800 – 1000 MPa

A = 15 %

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture

Perlite

Con opportuni trattamenti termicile lamelle possono trasformarsiin globuli(trattamento di globulizzazione)

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture Ledeburite : struttura di tipo eutettica che si forma in corrispondenza di C

Ha struttura a lamelle o globuli

alternati di austenite e di cementite

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO SEMPLIFICATO

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

S

A

BC

D

F

E

T

t

AB : raffreddamento liquido

A

C

D

E

B

BC : solidificazione austenite

CD : raffreddamento austenite

DE : formazione dall’austenite della ferrite alfa

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

S

A

BC

D

F

E

T

t

E : l’austenite raggiunge la composizione del punto S (eutettoidica). T = 723 °C

A

C

D

E

B

E’

EE’ : trasformazione eutettoidica. Dall’austenite inizia a formarsi la perlite (aggregato di ferrite alfa e cementite)

3 fasi : austenite, ferrite e cementite (presente nella perlite)

In E’ l’austenite è scomparsa e sostituita dalla perlite.

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

S

A

BC

D

F

E

T

t

A

C

D

F

E

B

E’

E’F : raffreddamento della perlite e della ferrite alfa (con emissione dalla ferrite di cristalli di cementite)

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

S

A

B

C

D

F

E

T

t

AB : raffreddamento liquido

A

C

D

E

B

BC : solidificazione austenite

CD : raffreddamento austenite

DE : formazione dall’austenite della cementite secondaria

LEGA IPEREUTETTOIDE : 0,83% < C < 2,06%

C : liquido esaurito

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

S

A

B

C

D

F

E

T

tE : austenite di composizione S (eutettoide)

A

C

D

E

B

LEGA IPEREUTETTOIDE : 0,83% < C < 2,06%

EE’ : reazione eutettodica. L’austenite si trasforma in perlite (aggregato di ferrite alfa e cementite)3 fasi : austenite, cementite e ferrite (presente nella perlite)In E’ l’austenite è scomparsa e sostituita dalla perlite.

E’

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

S

A

B

C

D

F

E

T

tE’ : Tutta l’austenite si è trasformata in perlite. Due strutture : ferrite + perlite

A

C

D

E

B

LEGA IPEREUTETTOIDE : 0,83% < C < 2,06%

E’

F

E’F : Raffreddamento della ferrite e della perlite. Emissione della cementite terziaria dalla ferrite

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

C

A

B

C

D

E

T

t

AB : raffreddamento liquido

A

C

B

BC : solidificazione austenite

GHISA IPOEUTETTICA : 2,06% < C < 4,3%

C : liquido di composizione eutettica (punto C) e austenite di composizione data da E

E

S

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

C

A

B

C

D

E

T

t

A

C

B

CC’ : formazione dal liquido di composizione eutettica dell’eutettico (ledeburite) formata da lamelle alternate di austenite e cementite

3 fasi : liquido, austenite e cementite

In C’ tutto il liquido si sarà trasformato in ledeburite

LEGA IPOEUTETTICA : 2,06% < C < 4,3%

C’E

S

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

C

A

B

C

D

E

T

t

A

C

D

B

C’D : raffreddamento dell’austenite e della ledeburite con emissione di cementite secondaria dall’austenite (solidificata dal liquido e presente nella ledeburite)

LEGA IPOEUTETTICA : 2,06% < C < 4,3%

C’E

S

In C’ la composizione dell’austenite è data dal punto E

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

C

A

B

C

D

E

T

t

A

C

D

B

C’D : raffreddamento dell’austenite e della ledeburite con emissione di cementite secondaria dall’austenite (solidificata dal liquido e presente nella ledeburite)

LEGA IPOEUTETTICA : 2,06% < C < 4,3%

C’E

S

In D la composizione dell’austenite è data dal punto S (composizione eutettoide)

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

C

A

B

C

D

E

T

t

A

C

D

B

LEGA IPOEUTETTICA : 2,06% < C < 4,3%

C’E

S

DD’ : reazione eutettodica. L’austenite si trasforma in perlite (aggregato di ferrite alfa e cementite)3 fasi : austenite (libera e presente nella ledeburite), cementite (secondaria e presente nella ledeburite) e ferrite (presente nella perlite)

D’

IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO

C

A

B

C

D

E

T

t

A

C

D

B

LEGA IPOEUTETTICA : 2,06% < C < 4,3%

C’E

S

In D’ l’austenite è scomparsa e sostituita dalla perlite.

D’

D’E : Raffreddamento della ledeburite, cementite e della perlite. Emissione della cementite terziaria dalla ferrite. La ledeburite è detta trasformata perché formata da lamelle di cementite e di perlite

E

IL DIAGRAMMA STRUTTURALE

QF = 79 %

VALIDO PER RAFFREDDAMENTI

MOLTO LENTI

Acciai ipoeutettoidi :

P% = 120,5 * C%

F% = 100 – P% =

= 100 – 120,5 * C%

Acciai eutettoidi :

P% = 100 %

F% = 0%

Acciai iperettoidi :

P% = -17 * C%+144

Cm% = 100 – P% =

= 17 * C% - 14

PROPRIETA’ MECCANICHE ACCIAI IPOEUTETTOIDI RICOTTI

Acciai ipoeutettoidi Sono i più diffusi

“Ricotti” Ottenuti per raffreddamento lento

P% : percentuale perlite

F% : percentuale ferrite

HB = (1/100) * (85 * F% + 275 P%)

Rm = (1/100) * (340 * F% + 830 P%)

A% = (1/100) * (40 * F% + 12 P%)

Ricordando che :P% = 120,5 * C%

F% = 100 – 120,5 * C%

È possibile ricavare HB, Rm e A% in funzione della percentuale di carbonio

Rm = 255 + 431 C% + 216 Mn% + 108 Si% + 647 P%

PUNTI CRITICI DEGLI ACCIAI

A1

A3

Acm

A1 : temperatura eutettoidica (723°C). Austenite perlite

A3 : temperatura alla quale Austenite ferrite alfa

Acm : temperatura alla quale Austenite cementite second.

Ac : temperature al riscaldamento

Ar : temperature al raffreddamento

PUNTI CRITICI DEGLI ACCIAI

A1

A3Acm

Per riscaldamenti / raffreddamenti molto lenti le curve coincidono con quelle previste dal diagramma

Per riscaldamenti non lenti le curve si innalzano

Per raffreddamenti non lenti le curve si abbassano

Ac1

Ac3

Accm

Ar1

Ar3

Arcm

DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI E DELLE STRUTTURE

- Per velocità basse Ar3 e Ar1 coincidono con A3 e A1

-All’aumentare della velocità Ar3 e Ar1 si abbassano prima velocemente

-E poi lentamente

DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI E DELLE STRUTTURE

Vc

A’r

- Alla velocità Vc (velocità critica dell’ordine di 120 °C/s) Ar3 e Ar1 si sovrappongono e cessa la formazione di ferrite

-La curva (in verde) è indicata con A’r

DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI E DELLE STRUTTURE

- Per velocità maggiori di Vc viene fortemente limitata la produzione di perlite a vantaggio di strutture intermedie (bainiti,perlite fine, trootsite)

Vc

A’r

DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI E DELLE STRUTTURE

Vc

A’r

- Alla velocità Vi (velocità critica inferiore dell’ordine di 200 °C/s) compaiono le temperature Ms di inizio formazione martensite e Mf di fine formazione martensite

Ms

Mf

DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI E DELLE STRUTTURE

Vc

A’r

- Alla temperatura A’r austenite strutture intermedie

Ms

Mf

- Alla temperatura Ms austenite rimasta martensite

- Alla temperatura Mf cessa la formazione della martensite

DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI E DELLE STRUTTURE

Vc

A’r

Ms

Mf

- Se Mf è inferiore alla temperature ambiente austenite residua

DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI E DELLE STRUTTURE

Vc

A’r

Ms

Mf

- Alla velocità Vs (velocità critica superiore dell’ordine di 450 °C/s) avviene solo la trasformazione dell’austenite in martensite

- Per velocità molto elevate non tutta l’austenite riuscirà a trasformarsi in martensite e quindi si avrà austenite residua

- Il DT = Ms – Mf è tipico di ogni acciaio

LA MARTENSITE

Soluzione interstiziale soprassatura di di carbonio nel ferro

Gli atomi di carbonio rimangono intrappolati nelle celle del ferro

La trasformazione si ha con un aumento di volume

Struttura molto dura (HV > 600) e fragile

LA MARTENSITE

BAINITE

BAINITE SUPERIORE

- Si presenta come una massa confusa e nerastra

-Ha struttura non aciculare

- è meno dura della bainite inferiore

- presenta aspetti sfavorevoli relativamente a resilienza, strizione e limite di elasticità

- si lavora male alle macchine utensili

È ferrite contenente particelle i cementite

La bainite superiore si forma a temperature più elevate rispetto alla bainite inferiore e mediante trasformazione anisotermica (raffreddamento continuo)

BAINITE

BAINITE INFERIORE

-Si presenta secondo una struttura aciculare

- è più resistente e resiliente della bainite superiore

- si lavora male alle macchine utensili

CURVE DI BAIN

CURVA DI BAIN PER TRASFORMAZIONI ISOTERMICHE (CURVE TTT)

CURVE DI BAIN

CURVE DI BAIN

A -> M

A -> B

M (+A)

A

A -> F

CURVA DI BAIN PER RAFFREDDAMENTO CONTINUO (CURVE TRC O CCT)

T

log t

Ac1

Ac3

F + A -> P

F + P

La forma del diagramma dipende dall’acciaio

In questi diagrammi si hanno delle zone in cui le fasi risultano stabili, delle aree in cui sono metastabili ed, infine, delle porzioni dello spazio in cui si hanno le trasformazioni microstrutturali.

CURVE DI BAIN

I TRATTAMENTI TERMICI

La velocità di raffreddamento è data dalla pendenza delle rette (derivata prima = coefficiente angolare)

CURVE DI BAIN

CURVE DI BAIN

A -> M

A -> B

M (+A)

A

A -> F

Le velocità critiche

T

log t

Ac1

Ac3

F + A -> P

F + P

Velocità critica superiore

Velocità critica inferiore

VELOCITA’ CRITICHE

RICOTTURA

-Addolcimento del materiale.La durezza dell'acciaio si abbassa.

-migliora l'omogeneità

-aumenta la lavorabilità

-elimina le tensioni interne

- elimina gli effetti della saldatura, della deformazione plastica, di un trattamento termico.

EFFETTI

Un acciaio può presentare all’interno della sua struttura disomogeneità di varia natura ed origine:• Segregazioni (macro e micro) ottenute al termine della solidificazione;• Incrudimento per deformazione a freddo;• Sforzi residui per saldature etc...

I trattamenti di ricottura permettono all’acciaio di avvicinarsi ad uno stato diequilibrio termodinamico, eliminando, almeno in parte, le suddette disomogeneità

RICOTTURA COMPLETA

T

t

Ac1

Ac3

A -> M

A -> B

M (+A)

A

A -> F

log t

Ac1

Ac3

F + A -> P

F + P

1 – 2 ) Lento riscaldamento a una temperatura di 20 – 50 °C sopra Ac3 (completa austenitizzazione)

Il riscaldamento avviene in modo lento per fare in modo non ci siano differenze di temperatura tra esterno ed interno del pezzo (assenza tensioni residue)

1

2

T

RICOTTURA COMPLETA

T

t

Ac1

Ac3

A -> M

A -> B

M (+A)

A

A -> F

log t

Ac1

Ac3

F + A -> P

F + P

1

2 3

2 – 3 ) permanenza alla temperatura di austenitizzazione (circa una ora ogni 30 – 50 mm di spessore)Il tempo di permanenza dipende da : forma e dimensioni del pezzo, conducibilità termica del materiale da trattare, capacità termica del forno, presenza di elementi o costituenti di lega che ritardino o rendano più complessi i fenomeni di diffusione, tendenza all'ingrossamento del grano

T

RICOTTURA COMPLETAT

t

Ac1

Ac3

A -> M

A -> B

M (+A)

A

A -> F

log t

Ac1

Ac3

F + A -> P

F + P

1

2 3

3 – 4 ) Raffreddamento lentoRaffreddamento 30-100 °C/h per acciai legati, 150-200 °C/h per acciai al CSotto i 500 °C, raffreddamento in aria

4

4

3

F + P

T

RICOTTURA COMPLETA

T

t

Ac1

Ac3

A -> M

A -> B

M (+A)

A

A -> F

log t

Ac1

Ac3

F + A -> P

F + P