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IL DIAGRAMMA DI STATO FERRO-CARBURO DI FERRO

Una parte del diagramma di stato ferro - carbonio e’ riportata nella figura qui sotto.

Figura 21. Diagramma di stato ferro-carburo di ferro.

Questa porzione del diagramma complessivo e’ comunemente nota come diagramma distato ferro-carburo di ferro (Fe3C).Durante il riscaldamento, prima della fusione, il ferro puro subisce due cambiamenti dellastruttura cristallina (trasformazioni allotropiche o polimorfiche). A temperatura ambiente,la forma stabile, chiamata ferro a ha una struttura cristallina CCC. A 912 °C il ferro asubisce una trasformazione polimorfica in ferro g caratterizzato da una struttura cristallinaCFC. Questa fase persiste fino a 1394 °C; a questa temperatura il ferro g di struttura CFCridiventa una fase CCC nota come ferro d. Con il procedere del riscaldamento, a 1538 °Cil ferro finalmente fonde. Tutti questi cambiamenti sono indicati lungo l’asse verticale disinistra del diagramma di stato.

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L'asse delle composizioni nella figura si estende solo fino al 6,70% in peso di carbonio. Aquesta concentrazione si forma il composto intermedio carburo di ferro o cementite(Fe3C). Questa composizione e’ rappresentata da una linea verticale nel diagramma distato, all'estremita’ di destra.Il sistema ferro-carbonio puo’ pertanto essere diviso in due parti: una parte ricca in ferro,riportata in figura, e l'altra (non mostrata) corrispondente alle composizioni comprese tra6,70% e 100% di carbonio (grafite pura).In pratica, tutti gli acciai e le ghise hanno contenuti di carbonio inferiori a 6,70%. Diconseguenza, ai fini pratici, si considera soltanto la porzione riportata del diagrammaferro-carbonio.La figura 21, piu’ propriamente, dovrebbe essere definita diagramma di stato Fe-Fe3C inquanto la cementite, Fe3C, e’ considerata come un componente. La consuetudine e laconvenienza impongono che la composizione venga espressa come "percentuale di C"piuttosto che come "percentuale di Fe3C" (6,70% di carbonio corrisponde a 100% diFe3C).Il carbonio e’ un'impurita’ interstiziale nel ferro ed e’ in grado di formare soluzioni solidesia nel ferro a, che in quello g e d . Le soluzioni che si ottengono vengono chiamaterispettivamente ferrite a, austenite (fase (g)) e ferrite d. Nella figura 21 si possonoosservare i campi relativi a queste fasi (a), (g) (austenite) e (d)Nel ferro a, avente struttura CCC, il carbonio si puo’ sciogliere solo in concentrazionimolto basse; la solubilita’ massima e’ 0,022% a 727°C. La solubilita’ limitata si spiegase si considerano la forma e la dimensione delle posizioni interstiziali del reticolo CCCche rendono difficile l’accoglienza degli atomi di carbonio. Anche se presente inconcentrazioni relativamente basse, il carbonio influenza in maniera molto significativa leproprieta’ meccaniche della ferrite a . Questa particolare fase ferro - carbonio e’relativamente tenera; essa puo’ essere fatta diventare magnetica a temperature inferiori a768 °C (punto di Curie) ed ha una massa in volume di 7,88 g/cm3. La figura sottostante e’una microfotografia della ferrite a.

Figura 22. Microfotografie (a) della ferrite a (90x) e (b) dell’austenite (325 x).

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L' austenite, quando il carbonio e’ il solo elemento di lega, non e’ stabile al di sotto dei727 °C, come indicato nel diagramma Fe-C. La solubilita’ massima del carbonionell'austenite (2,11%) si ha a 1148 °C. Questa solubilita’ e’ approssimativamente 100volte maggiore di quella massima relativa alla ferrite CCC, poiche’ le posizioniinterstiziali del reticolo CFC hanno configurazioni tali che, quando gli atomi di carbonio leriempiono, le deformazioni imposte agli atomi di ferro circostanti sono molto minori. Letrasformazioni di fase che coinvolgono l'austenite sono molto importanti nel trattamentotermico degli acciai. Addizionalmente, si precisa che l’austenite non e’ magnetica.A rigore, il diagramma di stato ferro-carburo di ferro non e’ un vero diagramma diequilibrio perche’ la cementite non e’ un composto all'equilibrio. Tuttavia, considerandoche la velocita’ di decomposizione della cementite e’ estremamente bassa, virtualmentetutto il carbonio nell'acciaio sara’ presente come Fe3C anziche’ come grafite. Quindi ildiagramma di stato ferro-cementite e’ valido per tutti gli scopi pratici.Come e’ noto ai tecnici siderurgici, aggiunte di silicio alle ghise accelerano fortemente lareazione di decomposizione della cementite che porta alla formazione di grafite.

Nel diagramma Fe-C sono visibili le regioni bifasiche. Si puo’ notare che per il sistemaferro-cementite esiste un eutettico che si forma a 1148 °C e che contiene 4,30% C. Esso sichiama ledeburite e si forma secondo la reazione eutettica.Il liquido solidifica per formare le fasi austenite e cementite. Naturalmente, il successivoraffreddamento fino a temperatura ambiente dara’ luogo ad altri cambiamenti di fase.Se si osserva il diagramma di stato nella zona compresa fra la temperatura di 912 °C equella di circa 600 °C, per tenori di carbonio inferiori a 1,5%, si puo’ notare che le linee diconfine fra le diverse fasi presentano un andamento simile a quello tipico delle linee checonfluiscono nel punto eutettico: anch’esse confluiscono in un unico punto che viene pero’chiamato eutettoide. Mentre l'eutettico e’ un microcostituente solido di composizionedefinita che cambia di stato, passando a fase liquida, ad una temperatura caratteristica, sidefinisce eutettoide ancora un microcostituente solido di composizione definita chesubisce variazioni microstrutturali ad una temperatura caratteristica, ma che, in questevariazioni, rimane in fase solida. Analogamente all'eutettico, il punto caratteristicodell'eutettoide e’ un invariante. Nel caso del diagramma ferro-carbonio le coordinate delpunto invariante dell'eutettoide sono 0,77% C e 727 °C. Gli eutettoidi si formano secondoreazioni perfettamente analoghe a quelle di formazione degli eutettici. Nel caso in esamela reazione, chiamata eutettoide, puo’ essere rappresentata dalla formula:

†

g Æ a + Fe3C

la quale indica che, durante il raffreddamento, la fase solida (g) si trasforma in ferrite a ecementite. I cambiamenti di fase di tipo eutettoide descritti dall'equazione precedente sonomolto importanti. Essi sono fondamentali per il trattamento termico degli acciai.

Le leghe ferrose sono quelle in cui il ferro e’ il componente primario. Esse possonocontenere sia il carbonio che altri elementi di lega. Lo schema usuale di classificazionedelle leghe ferrose, che e’ basato sul contenuto di carbonio, ne comprende tre tipi: ferro,acciaio e ghise. Il ferro commercialmente puro contiene meno dello 0,008% di carbonio.Secondo il diagramma di stato, a temperatura ambiente esso e’ composto esclusivamente

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della fase ferrite a . Le leghe ferro-carbonio che contengono tra 0,008% a 2,11% dicarbonio sono classificate come acciai. Nella maggior parte degli acciai la microstrutturaconsiste sia di fase (a) che di fase Fe3C. Nel raffreddamento fino a temperatura ambiente,una lega situata entro questo campo di composizioni deve passare attraverso almeno unaparte del campo di fase (g). Le microstrutture distintive si formeranno in seguito. Sebbeneun acciaio possa contenere fino a 2,11% C, in pratica e’ raro che le concentrazioni dicarbonio oltrepassino l’1,0%. Fanno eccezione a questa regola gli acciai per utensili, neiquali il carbonio puo’ arrivare a 2%. In questo caso, pero’, sono presenti dei carburi duri,diversi dalla cementite. Le proprieta’ e le varie classificazioni degli acciai sono oggetto divarie normative nazionali ed internazionali. Le ghise sono classificate come leghe ferrosecontenenti tra 2,11 e 6,70% C. Tuttavia le ghise commerciali solitamente contengonomeno del 4,5% C.Nota. Puo’ apparire strano che basse percentuali di carbonio (0÷2% in peso) quali sonoquelle contenute negli acciai possano far assumere al ferro l’interessantissimacombinazione di proprieta’ tecnologiche (resistenza a trazione, duttilita’, durezza,tenacita’, saldabilita’, ecc) che caratterizzano gli acciai. A questo proposito si rifletta sullaseguente considerazione. Il 2 % in peso di carbonio nelle leghe ferro-carboniocorrisponde, in realta’, a circa il 9 % di carbonio in termini di numero di atomi (vedidiagramma Fe-C), percentuale di se’ gia’ non trascurabile. Ogni 100 atomi di lega siavranno, dunque, 9 atomi di C e 81 di Fe. Questi 9 atomi di carbonio possono influiresulla struttura del ferro piu’ di quanto possa sembrare ad una prima vista. Il carbonio,infatti, entra nella struttura cristallina del ferro quando questo si trova ad elevatetemperature, sicuramente superiori alla temperatura eutettoide di 727 °C. In questecondizioni il ferro si presenta con una struttura CFC. Ogni cella elementare di questastruttura contiene 4 atomi.Dunque 81 atomi di ferro corrispondono approssimativamente a 20 celle elementari. Ilcarbonio, come gia’ osservato, e’ un’impurezza interstiziale nel reticolo cristallino delferro. I 9 atomi considerati dovranno, percio’, trovare collocazione all’interno dei vuotiinterstiziali delle 20 celle elementari individuate. Approssimando, dunque, la proporzionee’ di 10 atomi di C ogni 20 celle di Fe. Per ragioni entropiche e di minimizzazionedell’energia del sistema gli atomi di carbonio sono vincolati a disporsi nelle celle del ferroin modo non sequenziale.Indicativamente si posizioneranno una cella si’ e una no. Il 50 % circa delle celleelementari del ferro conterra’ dunque un atomo di carbonio. Considerando il problema inquest’ottica, il contributo del 2 % in peso di carbonio non appare piu’ insignificante. Anziappare evidente come esso influenzi notevolmente la microstruttura del ferro e come, diconseguenza, ne modifichi le proprieta’.

SVILUPPO DI MICROSTRUTTURE IN LEGHE FERRO-CARBONIO

Vengono ora discusse molte delle diverse microstrutture che si possono trovare negliacciai e le loro relazioni con il diagramma di stato ferro-carbonio. La microstruttura che sisviluppa dipende sia dal contenuto di carbonio che dal trattamento termico. La discussione

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seguente e’ limitata al raffreddamento lentissimo delle leghe d'acciaio, cioe’ in condizionitali da mantenere continuamente l'equilibrio.I cambiamenti di fase che avvengono nel passaggio dalla regione della fase (g) al campodelle fasi (a) e Fe3C sono relativamente complessi e simili a quelli gia’ descritti per isistemi eutettici. Consideriamo, per esempio, una lega di composizione eutettoide (0,77%C) la quale viene fatta raffreddare da una temperatura situata entro la regione della fase(g), diciamo da 800 °C, cioe’ partendo dal punto a della figura 1.19 e procedendo secondola linea verticale xx'.Inizialmente la lega e’ composta interamente dalla fase austenite, con una composizione di0,77% C. La microstruttura corrispondente e’ riportata nella figura 23 (inserto circolaresuperiore).

Figura 23. Rappresentazioni schematiche delle microstrutture per una lega Fe-C di composizioneeutettoide (0,77 %) che viene raffreddata, in condizioni di equilibrio, da una temperaturasuperiore ad una inferiore rispetto alla temperatura eutettoide.

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Quando la lega si raffredda non avviene nessun cambiamento fino al raggiungimento dellatemperatura eutettoide (727 °C). Quando si scende al di sotto di questa temperatura, alpunto b, l'austenite si trasforma secondo l'equazione eutettica. Per la precisione, l'austenitecontenente 0,77% C si decompone per formare della ferrite a, contenente una minoreconcentrazione di carbonio (0,022% C), e della cementite che, come e’ noto, presenta uncontenuto di carbonio notevolmente piu’ alto (6,7%). Questo cambiamento di fase implicala presenza di processi diffusionali del carbonio poiche’ tutte e tre le fasi devono averecomposizioni diverse.La microstruttura di quest' acciaio eutettoide che viene raffreddato lentamente passandoattraverso la temperatura eutettoide e’ simile a quella tipica di una lega di composizioneeutettica, cioe’ e’ caratterizzata da strati alternati di lamelle delle due fasi (ferrite a eFe3C) che si formano simultaneamente durante la trasformazione. In questo caso glispessori delle lamelle sono approssimativamente nel rapporto 8 a 1. La microstruttura,rappresentata schematicamente nella figura 23 (cerchietto collegato al punto b), e’chiamata perlite perche’, quando viene esaminata al microscopio a basso ingrandimento,essa si presenta simile a madreperla.La figura 24a e’ una microfotografia di un acciaio eutettoide che mostra la perlite. Laperlite esiste in grani spesso definiti "colonie". Entro ogni colonia gli strati sono orientatiessenzialmente nella stessa direzione. La direzione degli strati varia pero’ da una coloniaall'altra. Gli strati chiari, piu’ spessi, sono della fase ferrite a, mentre la fase cementite sipresenta sotto forma di lamelle sottili, prevalentemente di colore scuro. Molti strati dicementite sono cosi’ sottili che i confini delle fasi adiacenti sono indistinguibili; questistrati appaiono scuri a quest'ingrandimento. Dal punto di vista meccanico la perlite haproprieta’ intermedie tra quelle della ferrite a, che e’ duttile e tenera, e quelle dellacementite, che e’ dura e fragile.La disposizione a strati alternati si forma perche’, per arrivare a questa struttura, sononecessarie delle lunghezze relativamente piccole dei percorsi di diffusione del carbonio. Ilsuccessivo raffreddamento della perlite dal punto b della figura 23 produrra’ cambiamentinella microstruttura praticamente insignificanti.

Nota. Quando si parla di rapporto approssimativo di 8 a 1 tra le lamelle di ferrite a e dicementite si intende in termini di peso. Cio’ puo’ essere facilmente dimostrato sulla basedel diagramma ferro-carburo di ferro.Considerando una lega di composizione globale eutettoide (0,77 % di C), si traccia la lineadi collegamento che si estende completamente attraverso il campo (a + Fe3C) allatemperatura di 727 °C. Applicando la regola della leva sono cosi’ facilmente determinabilile frazioni ponderali di cementite e di ferrite che si formano durante il raffreddamentodella lega attraverso la temperatura eutettica:

†

Wa =6,70 - 0,776,70 - 0,022

= 0,888

†

WFe3C =0,77 - 0,0226,70 - 0,022

= 0,112

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(a)

(b)

Figura 24. Microfotografie di acciai eutettoidi che mostrano la microstruttura perlitica. (a) Glistrati di ferrite a corrispondono alla fase chiara, quelli di cementite sono sottili e la maggiorparte di essi appaiono scuri. 500 x. (b) La cementite qui appare sotto forma di lamelle chiareimmerse in una matrice ferritica scura. 5000 x.

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Dato, inoltre, che le masse in volume della ferrite a e della cementite sono tra loro moltosimili (ferrite: 7,86 g/cm3, cementite: 7,694 g/cm3), anche il rapporto in termini di volumetra le lamelle di questi due componenti sara’, approssimativamente, sempre di 8 a 1. Cio’e’ facilmente determinabile procedendo in modo analogo a quanto visto in un precedenteproblema risolto

†

n a( ) =88,8 g

7,86 g /cm 3 = 11,3 cm 3

†

n Fe3C( ) =11,2 g

7,694 g/cm 3 = 1,46 cm 3

†

V a( ) =11,3 cm3

11,3 cm 3 +1,46 cm 3 = 0,886

†

V Fe3C( ) =1,46 cm3

11,3 cm3 + 1,46 cm 3 = 0,114

Il risultato ottenuto sembra apparentemente in disaccordo con la microfotografia riportatain figura 24a e, in genere, con tutte le microfotografie delle perliti. In esse, infatti, lapredominanza della ferrite a non sembra cosi’ rilevante. Va pero’ osservato che leproporzioni quantitative tra le fasi nelle micrografie non sono necessariamentecorrispondenti alle reali. L’alterazione e’ dovuta a vari fattori che influenzano il risultatodell’analisi micrografica. Si pensi, ad esempio, che la sezione rappresentata nonnecessariamente e’ realizzata esattamente perpendicolare alle lamelle che, peraltro, nonsono esattamente planari. Inoltre le lamelle possono apparire “ispessite” a causa della nonperfetta planarita’ della superficie del campione e, soprattutto, della differenza di durezzatra le due fasi presenti (durezza Brinell: ferrite a ª 70, cementite ª 550). La cementite sitrovera’, infatti, ad un livello sopraelevato rispetto alla ferrite, piu’ tenera e piu’ scavata.Va poi tenuto in considerazione che le proporzioni calcolate sono riferite ad una perliteottenuta in condizioni ideali di equilibrio, mentre la microfotografia in figura 24a siriferisce ad una perlite reale, in cui localmente queste proporzioni possono non essere staterispettate. La teoria, comunque, vuole che le sommatorie di tutte le superfici ferritiche ecementitiche rispettino il rapporto calcolato di 8 a 1.La microfotografia in figura 1.20b evidenzia una predominanza quantitativa della ferrite ache piu’ si avvicina a quella sopra calcolata.

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Leghe ipoeutettoidiPassiamo ora a descrivere le microstrutture delle leghe ferro-cementite (carburo di ferro)che hanno composizioni diverse da quella eutettoide. Esse sono analoghe al quarto casodescritto per il sistema eutettico. Consideriamo in figura 25 una composizione C0 a sinistradell'eutettoide, compresa cioe’ tra 0,022 a 0,77% C.Una lega di questo tipo viene definita lega ipoeutettoide (ovvero ‘meno che eutettoide’). Ilraffreddamento di una lega di questa composizione e’ rappresentato da uno spostamentoverso il basso lungo la linea verticale yy' nella figura 25. A circa 875 °C (punto c) lamicrostruttura consistera’ interamente di grani della fase (g), come evidenziatoschematicamente in figura (cerchietto collegato al punto c). Nel raffreddamento fino alpunto d, cioe’ fino a circa 775 °C, si attraversa la linea di confine fra il campo monofasico(g) e quello bifasico (a +g): si arriva cioe’ all'interno della regione di esistenza di entrambele fasi (a) e (g). A 775 °C entrambe queste fasi coesistono, come indicato dall'insertocircolare collegato al punto d.

Figura 25 Rappresentazioni schematiche delle microstrutture per una lega ferro-carbonio dicomposizione ipoeutettoide C0 (contenente meno di 0,77% C) che viene raffreddata, in condizionidi equilibrio, dalla regione di fase austenitica fino al di sotto della temperatura eutettoide.

a +gf

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La maggior parte delle particelle minute di (a) si formera’ lungo i bordi originari dei granidella fase (g). Le composizioni sia della fase (a) che (g) possono essere determinateusando l’appropriata linea di collegamento. Esse corrispondono, rispettivamente, a circa0,020% e 0,37% C.Nel raffreddare una lega attraversando la regione di coesistenza delle fasi (a) e (g), lacomposizione della fase ferrite a varia con la temperatura, secondo la curva di confine frala fase (a) e le fasi (a +g), cioe’ secondo la linea MN. Al diminuire della temperatura,procedendo secondo questa linea, il tenore di carbonio aumenta leggermente. Dall'altraparte, la variazione di composizione dell'austenite durante il raffreddamento avviene lungola linea di confine fra la fase (g) e le fasi (a +g), cioe’ lungo la linea MO. Si osserva chetale variazione di composizione e’ maggiore rispetto a quella della ferrite a.Il raffreddamento dal punto d fino al punto e, situato ancora nella regione (a+g) maproprio sopra l'eutettoide, fa aumentare la frazione della fase (a ) e genera unamicrostruttura simile a quella mostrata dall’inserto circolare collegato al punto e, con leparticelle di (a) che diventano piu’ grandi. A questo punto, le composizioni delle fasi (a)e (g) possono essere determinate costruendo una linea di collegamento alla temperatura Te.In questo modo si rileva che la fase (a) contiene 0,022% C, mentre la fase (g) ha lacomposizione eutettoide, con 0,77% C.Se la temperatura viene abbassata di pochissimo al di sotto dell' eutettoide, cioe’ fino alpunto f, tutta la fase (g) che era presente alla temperatura Te (con composizione eutettoide)si trasformera’ in perlite, secondo la reazione eutettoidica. Virtualmente, quando siattraversa la temperatura eutettoide non ci sara’ alcun cambiamento nella fase (a) cheesisteva al punto e. Infatti la fase (a) sara’ presente come una fase costituente una matricecontinua che circonda le colonie isolate di perlite. La microstruttura al punto f apparira’simile allo schema dell'inserto circolare corrispondente nella figura 25. In questo modo laferrite a e’ presente sia nella perlite che come fase (a) separata che si e’ formata duranteil raffreddamento procedendo attraverso la regione bifasica (a+g).

Figura 26 Microfotografia di un acciaio contenente 0,38 %C. Microstruttura di perlite e ferriteproeutettoide. 635 x.

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La ferrite presente nella perlite si chiama ferrite eutettoide, mentre l’altra ferrite, formatasial di sopra della temperatura Te, si chiama proeutettoide (questo termine significa ‘primadell'eutettoide’). Le indicazioni corrispondenti sono riportate nella figura 25.

La fig. 26 rappresenta una microfotografia di un acciaio contenente 0,38% C. Le areechiare estese corrispondono alla ferrite proeutettoide. Per la perlite la spaziatura tra glistrati di ferrite a e di Fe3C varia da grano a grano. Una parte della perlite appare scurapoiche’ molti strati, distanziati di pochissimo, non vengono "risolti" (cioe’ separatinell'immagine) in corrispondenza dell' ingrandimento considerato. Si deve anche osservareche in questa microfotografia sono presenti due microcostituenti: la ferrite proeutettoide ela perlite. Questi due microcostituenti sono sempre presenti nelle leghe ipoeutettoidiferro-carbonio che vengono fatte raffreddare lentamente fino ad una temperatura inferiorea quella dell'eutettoide. Le quantita’ relative di a proeutettoide e perlite possono esseredeterminate in modo simile a quello descritto per i microcostituenti primari ed eutettici. Siusa la regola della leva applicata ad una linea di collegamento che si estende dal confinefra le fasi (a) e (a+Fe3C) (0,022% C) alla composizione eutettoide (0,77% C). La perlitee’, infatti, il prodotto di trasformazione dell' austenite avente quest’ultima composizione.Consideriamo, per esempio, in figura 27 una lega di composizione C0

’. In questo caso lafrazione di perlite, Wp, puo’ venir determinata secondo la formula:

75,0

022,0

022,077,0

022,0 '0

'0 -

=-

-=

+=

CC

UT

TWp

Figura 27 Parte del diagramma di stato Fe-Fe3C utilizzato nel calcolo delle quantita’ relative deimicrocostituenti proteuttoidici e perlitici per composizioni ipoeutettoidi C0

’ e ipereutettoidi C1’.

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In modo analogo, la frazione di a proteuttoide, Wa, si calcola come segue:

†

Wa' =

UT + U

=0,77 - C0

'

0,77 - 0,022=

0,77 - C0'

0,75

Naturalmente, sia le frazioni di (a) totale (eutettoide e proeutettoide) che di cementitesono determinate mediante la regola della leva applicata ad una linea di collegamento chesi estende completamente attraverso la regione di fasi (a + Fe3C), cioe’ da 0,022% C a6,7% C.

Leghe ipereutettoidi

Trasformazioni e microstrutture analoghe risultano per le leghe ipereutettoidi, contenenticioe’ tra 0,77 e 2,11% C, quando queste vengono fatte raffreddare da temperaturecomprese entro il campo di fase (g). Con riferimento alla figura 28, consideriamo una legadi composizione C1. Un raffreddamento di questa corrisponde ad uno spostamentoverticale verso il basso lungo la linea zz'.

Figura 28 Rappresentazioni schematiche delle microstrutture all’equilibrio per una lega ferro-carbonio di composizione ipereutettoide C1 (contenente tra 0,77% a 2,1 % peso di C) che vieneraffreddata, a partire dalla regione di fase austenitica, al di sotto della temperatura eutettoide.

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Al punto g sara’ presente solo la fase (g), con una composizione C1. La sua strutturaapparira’ come quella mostrata nell’inserto circolare collegato al punto g, saranno cioe’presenti solo dei grani di fase austenitica.Quando si arriva, diciamo, al punto h, si entra nel campo bifasico (g+ Fe3C) dove iniziera’a formarsi la fase cementite attorno ai bordi dei grani iniziali di fase (g), in modo similealla formazione della fase (g) in figura 25, punto d. Questa cementite e’ chiamatacementite proeutettoide. Il termine indica che essa si forma prima della reazioneeutettoide. Naturalmente, al variare della temperatura, la composizione della cementiterimane costante (6,70% C). La composizione della fase austenite, invece, cambiera’secondo la linea PO, spostandosi verso l'eutettoide. Con l'abbassamento della temperaturaimmediatamente sotto l’eutettoide, cioe’ al punto i, tutta l’austenite residua, dicomposizione eutettoide, si trasforma in perlite. In questo modo la microstrutturarisultante consiste di due microcostituenti: la perlite e la cementite proeuteuttoide (insertocircolare collegato al punto i della figura 28).Nella microfotografia di un acciaio contenente 1,4% C (figura 29), notiamo che lacementite proeutettoide appare chiara. Poiche’ essa ha lo stesso aspetto della ferriteproeutettoide (figura 26), si puo’ incontrare una certa difficolta’ nella distinzione tra gliacciai ipoeutettoidi e ipereutettoidi sulla sola base del confronto tra le microfotografiedelle due microstrutture.

Figura 29 Microfotografia di un acciaio contenente 1,4% di C. La microstruttura consiste in unarete di cementite proeuteuttoide bianca che circonda le colonie di perlite. 1000 x.

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Nel caso di acciai legati ipereutettoidi, le quantita’ relative dei microcostituenti perlite ecementite proeutettoide possono essere calcolate in modo analogo a quello gia’ visto per imateriali ipoeutettoidi. In questo caso la linea di collegamento da impiegare si estende tra0,77 e 6,70% C.Per una lega avente composizione C1

’ nella figura 28, le frazioni di perlite, WP, e dicementite proeutettoide, WFe3C, sono date dalle seguenti espressioni della regola della leva:

†

Wp =X

V + X=

6,70 - C1'

6,70 - 0,77=

6,70 - C1'

5,93

†

WFe3C =V

V + X=

C1' - 0,77

6,70 - 0,77=

C1' - 0,775,93

PROBLEMA RISOLTO

Per una lega contenente 99,65% Fe e 0,35% C che si trova ad una temperatura appenasotto l'eutettoide, si determinino:

(a) le frazioni delle fasi ferrite totale e cementite;(b) le frazioni della ferrite proeutettoide e della perlite;(c) la frazione di ferrite eutettoide.

SOLUZIONE

(a) Questa parte del problema viene risolta con l'applicazione delle espressioni dellaregola della leva utilizzando la linea di collegamento che si estende completamenteattraverso il campo bifasico (g+Fe3C). Facendo riferimento alla figura 25, C0 individuala composizione globale della lega (0,35% C). Le frazioni ponderali delle fasi ferritetotale e cementite sono date rispettivamente da:

95,0022,070,6

35,070,6=

-

-=aW

05,0022,070,6

022,035,03

=-

-=CFeW

(b) Le frazioni della ferrite proeutettoide (W_’) e della perlite (Wp) si determinano

mediante la regola della leva, tracciando la linea di collegamento che si estendesoltanto fino alla composizione eutettoide. Le espressioni da usarsi sono quellecorrispondenti alle equazioni viste in precedenza. In tal modo si ha:

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44,0022,077,0

022,035,0=

-

-=pW

56,0022,077,0

35,077,0' =-

-=aW

(c) Tutta la ferrite e’ presente o sotto forma proeutettoide o eutettoide (nella perlite). Lasomma di queste due frazioni di ferrite deve eguagliare la frazione di ferrite totale,deve cioe’ essere:

(a) W_’ + W_e = W_

(b) dove W_e indica la frazione della lega costituita da ferrite eutettoide. I valori di W_ eW_

’ sono stati determinati nelle parti precedenti (a) a (b), pertanto si ottiene

(c) W_e = W_ - W_’ = 0,95 – 0,56 = 0,39

RAFFREDDAMENTO IN CONDIZIONI DI NON EQUILIBRIO

Nell'analisi dello sviluppo delle microstrutture delle leghe ferro-carbonio si e’ ipotizzatoche, durante il raffreddamento, siano continuamente mantenute le condizioni di equilibrio.Cio’ significa che si suppone che, ad ogni nuova temperatura, sia sempre disponibile untempo sufficiente affinche’ le composizioni delle fasi e le loro relative quantita’ varino inaccordo a quanto predetto dal diagramma di stato Fe-Fe3C. Nella maggior parte dei casi,pero’, queste velocita’ di raffreddamento sono tali da rendere praticamente impossibile ilmantenimento delle condizioni di equilibrio. Tali condizioni, peraltro, spesso non sononeanche richieste. In molte occasioni, infatti, sono preferibili delle condizioni dinon-equilibrio.Nel caso di raffreddamento in condizioni di non equilibrio si debbono considerare dueeffetti di rilevante importanza pratica:

(1) l'occorrenza di cambiamenti di stato o di trasformazioni a temperature diverse daquelle predette dalle linee limite di fase sul diagramma di stato;

(2) l’esistenza, a temperatura ambiente, di fasi di non equilibrio che non appaiono neldiagramma di stato.