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MATERIALI METALLICI

I Metalli e le leghe metallichehanno proprietà tecnologiche di indubbia utilità e per questo trovano moltissime applicazioni industriali.

Per quanto riguarda le leghe, esse possono essere suddivise in:

1. Leghe Ferrose a base di Fe

2. Leghe non Ferrose a base di altri metalli

• Il Fe e le sue leghe (in particolare gli acciai e e le ghise) rappresentano circa il 90 % della produzione mondiale di materiali metallici

Ciò è dovuto alla loro buona combinazione di resistenza meccanica, tenacità e duttilità, abbinata a costi relativamente contenuti

Leghe Ferrose

Le principali leghe del ferro sono:

1. Acciai

2. Ghise

Entrambe sono essenzialmente leghe Ferro – Carbonio e si differenziano poiché gli Acciai hanno un % di carbonio < 2,06 e le ghise > 2,06

• Gli Acciai sono soprattutto leghe da lavorazione plastica, cioè la forma dei

semilavorati o degli oggetti finali viene ottenuta attraverso lavorazioni di deformazione

plastica, a caldo o a freddo: laminazione, forgiatura, stampaggio ecc.

• Le Ghise sono invece leghe da fonderia: gli oggetti finali sono ottenuti direttamente

dalla lega liquida, che viene colata e solidifica in forme che riproducono, in negativo, la

forma dell’oggetto

Produzione della Ghisa e dell’Acciaio

1. Produzione della Ghisa grezza nell’Altoforno

2. Produzione dell’Acciaio

3. Ottenimento dei semilavorati

La Produzione dell’Acciaio può essere suddivisa in 3 fasi:


In particolare nell’Altoforno vengono caricati

• Minerali di Ferro (dai quali si estrae la maggior parte del Fe)

• Carbon Coke (agente riducente)

• Altre sostanze (in particolare Calcare) per far si che i minerali raggiungano quella composizione chimico – fisica necessaria per la loro trasformazione

Un Altoforno è un forno del tipo “a tino” nel quale i minerale di partenza, sottoposti ad elevate T (intorno agli 800 °C) e mescolati ad altre sostanze che ne facilitano la reazione, subiscono una riduzione e si trasformano in ghisa

Prima di esser immessi nell’altoforno

� I minerali del Ferro vengono estratti nelle miniere, lavorati e trasformati in “Pellets”negli appositi impianti di trattamento,

� Il calcare viene estratto nelle cave (calcare grezzo), triturato e selezionato (calcare lavorato)

� Il carbon cokeviene ottenuto dalla combustione del Carbon fossile nelle Cokerie

C + O2 3CO2


• Il coke reagisce dapprima con l’ossigeno presente nell’aria per dare anidride carbonica:

• L’anidride carbonica formatasi reagisce con il carbone in eccesso dando luogo all’ossido di carbonio:

CO2 + C 2CO

Nell’altoforno il coke, a T intorno agli 800 °C, agisce da riducente degli ossidi di Ferro (in particolare Fe2O3) per produrre ghisa grezza che contiene circa il 45 % di C assieme ad altre impurità mediante una serie di reazioni

Fe2O3 + 3 CO 2 Fe + 3CO2


• L’ossido di carbonio formatosi agisce da riducente degli ossidi di Ferro (in particolare Fe2O3) per produrre ghisa grezza che contiene circa il 45 % di C assieme ad altre impurità mediante la tipica reazione:

Nell’altoforno la quantità di carbon coke caricato risulta essere superiore a quella stechiometrica necessaria a ridurre i minerali di Ferro

Solo una parte di C (quella che riduce i minerali) “va via” sotto forma di CO2

mentre la parte in eccesso rimane “ intrappolata” nella miscela.

All’uscita dell’altoforno si avrà una miscela liquida Fe-C ad alto contenuto di C

(Ghisa Grezza)

All’uscita dell’altoforno la Ghisa viene colata direttamente in un contenitore mobile su rotaie tramite il quale viene trasportata all’acciaieria

Il processo di preparazione dell’Acciaio consiste nella decarburazione della ghisae

nell’aggiunta di componenti che consentano di ottenere quel grado di durezza e

resistenza desiderato


In particolare, in questa fase, l’acciaio è ottenuto dalla ghisa per ossidazione del

Carbonio e delle altre impurità presenti nella ghisa grezza, finché il contenuto di C

nella miscela si riduce al livello richiesto

Tutto questo si ottiene riscaldando nuovamente la ghisa in

appositi forni chiamati Convertitori

2. Il Carbonio (si ossida) reagisce quindi con l’ossido di Ferro e “va via” sotto forma di monossido di Carbonio

2 FeO + C Fe + CO


Il processo più comunemente usato per la conversione della ghisa grezza in acciaio comporta l’uso di un Convertitore ad ossigeno

Non è altro che un forno di forma cilindrica con rivestimento refrattario, nel cui interno è inserita una lancia che insuffla O2

1. L’ossigeno puro della lancia reagisce con il bagno fuso per formare ossido di Ferro

2 Fe (bagno fuso) + 02 FeO


• Immediatamente prima che abbia inizio la reazione con l’ossigeno, vengono aggiunte quantità controllate di addensanti di scorie

• Con questo processo, della durata di circa 22 minuti, il contenuto di carbonio viene drasticamente abbassato e con esso anche le concentrazioni di impurità come lo Zolfo e il fosforo presenti nella ghisa grezza

3. Ottenimento dei Semilavorati

�L’Acciaio fuso così ottenuto può essere colato dal convertitore sia in Lingottiere,

sia mediante colata continua ottenendo lunghe bramme, tagliate di opportuna

lunghezza

� Dopo essere stati colati, i lingotti vengono riscaldati in un forno a pozzo e quindi

vengono laminati a caldo in Bramme, o altre forme che porteranno poi, mediante una

successiva laminazione a caldo o a freddo, ad ottenere nastri, lamiere, tondini, travi a

doppi T, rotaie ecc.

� Bisogna comunque dire che, oggi, più del 60% dell’acciaio grezzo è ottenuto con

colata continua e si prevede che questa percentuale salga nel corso dei prossimi anni

Diagramma di Stato Ferro – Carburo di Ferro


Il diagramma Fe – C contiene le seguenti fasi solide

• Ferrite α

� Questa fase è una soluzione solida interstiziale del carbonio nel reticolo CCC del ferro (ferro α) ed è stabile fino a 910°C

� Il Carbonio è solo parzialmente solubile nel ferro α, con una solubilità allo stato solido massima dello 0,02% a 723 °C e minima dello 0,005% a 0°C


• Austenite γγγγ�Questa fase è una soluzione solida interstiziale del carbonio nel reticolo CFC del ferro (ferro γ) ed è stabile fino a 1493°C

� La solubilità del Carbonio nell’Austenite ha un massimo del 2,06 % a 1148°C e diminuisce fino allo 0,8% a 723°C

• Cementite o Carburo di Ferro (Fe3C)

� Fe e C possono interagire anche formando un “composto intermetallico”chiamato appunto Cementite.

� Tale composto non è una fase di equilibrio in quanto, sotto certe condizioni, esso può decomporsi nelle fasi più stabili di ferro e carbonio (cristalli di grafite). Tuttavia, per la maggior parte delle condizioni pratiche il Fe3C è molto stabile e quindi viene trattato come una fase di equilibrio

� Ha una composizione del 6,67% di C del 93,3% di Fe ed un composto duro e fragile

Diagramma di Stato Ferro – Carburo di Ferro• Ferrite δ

� Questa fase è una soluzione solida interstiziale del carbonio nel reticolo CCC del ferro

� E quindi simile alla ferrite α ma si differenzia da questa ultima perché ha una maggior costante reticolare ed è stabile a T più elevate (fra 1390 °C e 1534 °C)

� La solubilità massima allo stato solido del carbonio si ha a 1495 °C (0,09%)

Il diagramma Fe – C è caratterizzato da tre trasformazioni di notevole importanza

� Trasformazione Euttetica

Al punto di trasformazione eutettica che avviene alla T di 1148 °C, il liquido con 4,3 di C forma Austenite con 2,06% di C e il composto Fe3C che contiene 6,67% di C

Liquido (4,3% C) Austenite γ (2,06% C) + Fe3C (6,67%C) 1148 °C


� Trasformazione Peritettica

Al punto di trasformazione perittetica che avviene alla T di 1495 °C, il liquido con 0,53 di C si combina con ferrite δ (0,09% C) per formare austenite γ con 0,17% di C

Liquido (0,53 % C) + ferrite δ (0,09% C) Austenite γ (0,17% C)1495 °C


� Trasformazione Eutettoidica

Al punto di trasformazione eutettoidica che avviene alla T di 723°C, l’austenite solida (0,8% C) produce ferrite α (0,02% C) e Cementite (6,67% C)

Austenite (0,8 % C) ferrite δ (0,02% C) + Fe3C (6,67% C)723 °C


Trasformazione Eutettoidica

Questa trasformazione è molto importante per alcuni dei trattamenti termici degli acciai al carbonio

� Un acciaio che contiene lo 0,8% di C è chiamato Acciaio Eutettoidico

� Se un acciaio contiene meno dello 0,8 % di C è chiamato Acciaio

Ipoeutettoidico

� Se un acciaio contiene più dello 0,8 % di C è chiamato Acciaio Ipereutettoidico


� Se un campione di acciaio con 0,8 % di C viene riscaldato per un tempo sufficiente al di sopra di 723 °C e mantenuto in temperatura (es. 750°C) per un tempo sufficiente, la sua struttura diventerà austenite omogenea (Processo di Austenitizzazione)

� Se poi viene raffreddato appena sopra i 723 °C la sua struttura rimarrà inalterata (punto a)

� Un ulteriore raffreddamento appena sotto la temperatura eutettoidica trasformeràl’intera struttura da austenite ad una struttura lamellare di laminette alternate di ferrite α(punto b) e Fe3C Tale struttura eutettoidica si chiama Perlite

Acciai eutettoidici

� Poiché la solubilità del C nella ferrite α nella cementite varia molto lentamente da 723 °C a T ambiente, la struttura della perlite rimarrà invariata in tale intervallo

Acciai eutettoidici

Acciai ipoeutettoidici� Se un campione di acciaio con 0,4 % di C viene riscaldato per un tempo sufficiente a circa 900 °C (punto a) per un tempo sufficiente, la sua struttura diventerà austenite omogenea (Processo di Austenitizzazione)

� Se poi viene raffreddato alla T del punto b (circa 775 °C) comincerà a nuclearsi della

ferrite proeutettoidica che crescerà principalmente ai bordi dei grani austenitici

� Se si raggiunge la T del punto c, la quantità di ferrite proeutettoidica sarà aumentata (è la % di C avrà raggiunto lo 0,02%) a scapito della austenite la cui % di C sarà passata dallo 0,4 allo 0,8

� A 723 °C, se il raffreddamento è lento, l’austenite rimanente si trasformerà in perlite attraverso la trasformazione eutettoidica

La ferrite α formatasi dall’austenite a 723 °C si chiama ferrite eutettoidica per

distinguerla da quella formatasi in precedenza

Acciai ipoeutettoidici

Acciai ipereutettoidici� Se un campione di acciaio con 1,2 % di C viene riscaldato per un tempo sufficiente a circa 950 °C (punto a) per un tempo sufficiente, la sua struttura diventerà austenite omogenea (Processo di Austenitizzazione)

� Se poi viene raffreddato alla T del punto b comincerà a nuclearsi della cementite proeutettoidica che crescerà principalmente ai bordi dei grani austenitici

� Se si raggiunge la T del punto c (appena sopra i 723 °C), la quantità di cementite proeutettoidica continuerà ad aumentare e la % di C nell’austenite residua passerà da 1,2 a 0,8

� A 723 °C, se il raffreddamento è lento, l’austenite rimanente si trasformerà in perlite attraverso la trasformazione eutettoidica (punto d)

La cementite formatasi dall’austenite a 723 °C si chiama cementite eutettoidica

per distinguerla da quella formatasi in precedenza

Esercizio 1Un acciaio al Carbonio contenente lo 0,8 % C viene raffreddato lentamente da 750 °C a una temperatura appena sotto i 723 °C. Assumendo che l’Austenite si sia completamente trasformata in ferrite α e Cementite calcolare:

1. la % in peso della ferrite eutettoidica formatasi

2. la % in peso della Cementite eutettoidica formatasi

Esercizio 1: risoluzione

Applicando la regola della levasi ha:

6,67 0,80 5,87% 100 100 88,3%

6,67 0,02 6,65Feα

−= ⋅ = ⋅ =

−

30,80 0,02 0,78

% 100 100 11,7%6,67 0,02 6,65

Fe C−

= ⋅ = ⋅ =−

Esercizio 21 Kg di acciaio al Carbonio ipoeutettoidico con 0,4 % C viene raffreddato lentamente da 940 °C a una temperatura appena sotto i 723 °C. Calcolare:

1. la % in peso dell’Austenite presente a 723°C presente nell’Acciaio

2. la quantità in peso della Ferrite proeutettoidica presente nell’Acciaio

3. la quantità in peso della Ferrite eutettoidica presente nell’Acciaio

4. la quatnità in peso della Cementite eutettoidica presente nell’Acciaio

Esercizio 2:risoluzione 1


0,40 0,02% 100 48,72%

0,80 0,02Austenite γ

−= ⋅ =

−

0,80 0,40% proeutettoidica 100 51,28%

0,80 0,02Feα

−= ⋅ =

−



� Raggiunta la T di 723°C l’acciaio è costituito dal 48,72 % di austenite e dal 51,28

% di Feα proeutettoidica

� l’austenite (%C = 0,8) comincia a trasformarsi in ferrite e cementite eutettoidiche

6,67 0,40% 100 94,28%

6,67 0,02Fe totaleα

−= ⋅ =

−

30,40 0,02

% 100 5,72%6,67 0,02

Fe C totale−

= ⋅ =−

% 94,28% 51,28% 43%Fe euα = − =

� Per calcolare la ferrite formatasi all’eutettoidico basta sottrarre alla % di ferrite

totale quella di ferrite proeutettoidica:


In definitiva, al di sotto dei 723°C l’acciaio saràcostituito da:

( )35,72

1000 57,2100

Fe C g g= ⋅ =

( )94,28

1000 942,8 :100

Fe tot g g di cuiα = ⋅ =

43(1000 ) 430

100Fe eut g gα = ⋅ =

51,28(1000 ) 512,8

100Fe pro g gα = ⋅ =


Raggiunta la T di 723°C l’acciaio è costituito dal 48,72 % di austenite e dal 51,28 % di

Feα proeutettoidica

Su 1 Kg di acciaio si ottengono:

51,28(1000 ) 512,8

100Fe pro g gα = ⋅ =

48,72(1000 ) 487,2

100g gγ = ⋅ =


Dai 487,2 g di austenite si formano la Fe3C e la Fe α eutettoidica. Applicando la regola della levasi ha:

6,67 0,8% 100 88,27%

6,67 0,02Fe euα

−= ⋅ =

−

30,8 0,02

% 100 11,73%6,67 0,02

Fe C−

= ⋅ =−

Le quantità in peso di Fe3C e Fe α eutettoidica saranno date da:

( )311,73

487,2 57,2100

Fe C g g= ⋅ =

88,27(487,2 ) 430

100Fe eut g gα = ⋅ =

Le quantità in peso di e Fe α totale è date da:

430 512,8 942,8Fe eut Fe pro g g gα α+ = + =

Esercizio 3Determinare le composizioni che deve avere un acciaio affinche alla temperatura eutettoidica, sia costituito dal 50 % di austenite

Esercizio 3Determinare le composizioni che deve avere un acciaio affinche alla temperatura eutettoidica, sia costituito dal 50 % di austenite

Esisteranno due composizioni tali da soddisfare la condizione richiesta:

X1 acciaio ipoeutettoidico

X2 acciaio ipereutettoidico

Esercizio 3: risoluzione

acciaio ipoeutettoidico:

Si applica la regola della levaa ritroso:

( )1

10,02 50

% 100 50 0,02 0,8 0,02 0,410,8 0,02 100

x xγ−

= ⋅ = = + ⋅ − =−

acciaio ipereutettoidico:

( )2

26,67 50

% 100 50 6,67 6,67 0,8 3,736,67 0,8 100

x xγ−

= ⋅ = = − ⋅ − =−

Affinchè, a T= 723°C, l’acciaio sia costituito dal 50% di Austenite, deve

presentare una contenuto in carbonio pari allo 0,41% (ipo) o 3,73% (iper).

Martensite� E’ una fase metastabile composta da una soluzione solida interstiziale sovrassatura di C nel Fe CCC, o meglio in quello tetragonale a corpo centrato

� È una fase che non sussiste in equilibrio, ma può essere ottenuta per brusco raffreddamento da temperature superiori a quella di austenitizzazione.

� La tetragonalità è causata dalla leggera distorsione della cella CCC per la presenza del Carbonio

� La T alla quale inizia la trasformazione da Austenite a Martensite si chiama Martensite Start Ms mentre quella a cui finisce si chiama Martensite Finish Mf

Microstruttura della Martensite

� Per Acciai con % C < 0,6 la martensite è di tipo Aciculare, costituita da domini di aghetti con, all’interno del dominio orientamenti di poco diversi; all’interno del singolo aghetto la struttura è molto disordinata con un’alta densità di dislocazioni

� Per Acciai con % C > 1 la martensite è di tipo a placchette; tali placchette hanno un alto contenuto di C, dimensioni variabili e sono spesso circondate da una grande quantità di Austenite non trasformata (residua)

� Per Acciai con 0,6 < % C < 1 la martensite ha una struttura mista, formata sia da martensite aciculare che a placchette

La microstruttura della martensite dipende dalla % di C

Proprietà della Martensite

� La martensite è una fase che presenta elevata durezza e resistenza meccanica,

� Spesso è ottenuta appositamente mediante il trattamento termico di tempra.

� Tuttavia è una struttura macroscopicamente fragile e altamente tensionata

� Spesso alla tempra si fa seguire un trattamento di rinvenimento (la combinazione dei due trattamenti è detta bonifica)

� In tal modo si raggiunge un buon compromesso tra durezza, resistenzae tenacitàdell'acciaio

�In generale spesso vengono chiamate martensitiche tutte le strutture metastabili, di qualsiasi lega metallica anche non ferrosa, ottenute attraverso un raffreddamento rapido (quenching) al fine di "congelare" una fase che a temperatura ambiente non si troverebbe in equilibrio, come per l'austenite nel caso dell'acciaio

Diagramma TTT per un Acciaio Eutettoidico

1. Raffreddamento rapidoad una T inferiore alla T Eutettoidica (723 °C)

2. Mantenimento per un determinato ∆t a quella T in modo da ottenere una trasformazione Isoterma

Per costruire tale diagramma si analizzano le trasformazioni subite dall’austenite di un acciaio eutettoidico quando viene sottoposta ad un doppio trattamento

Per studiare i mutamenti microstrutturali si utilizzano un certo numero di provini di piccole dimensioni che vengono dapprima austenitizzati in forno ad una T > 723°C, poi vengono raffreddati rapidamente in un bagno di Sali fusi alla T desiderata (< 723°C), infine, a diversi ∆t, i campioni vengono singolarmente rimossi dal bagno e raffreddati velocemente in acqua a Tambiente

La microstruttura ottenuta ad ogni intervallo di tempo di trasformazione può essere cosìanalizzata a T ambiente


Utilizzando il procedimento descritto si verifica che, per un acciaio eutettoidico raffreddato rapidamente e poi tenuto in condizioni isoterme a T = 705 °C si osserva che dopo 6 minuti inizia la formazione di un piccola quantità di Perlite grossolana e dopo 67 minuti tale trasformazione si è completata

� Per raffreddamenti rapidi da T > 723°C (austenite) a T inferiori a Mf l’austenite si trasforma in Martensite

Diagramma TTT per un Acciaio Eutettoidico Ripetendo la stessa procedura a T progressivamente inferiori, si può costruire il diagramma TTT

� Per trasformazioni isoterme con 723° C < T < 550° C si hanno microstrutture perlitiche che, al diminuire della T, passano da Perlite grossolana a Perlite fine


�Se un Acciaio eutettoidico che si trova inizialmente a T > 723° C (austenite), subisce una trasformazione isotermica dopo essere stato raffreddato velocemente a una T compresa fra 550° C e 250°C, si ottiene una struttura intermedia fra Martensite e Perlite, la Bainite

�La Bainite è una struttura eutettoidica non lamellare formata da Ferrite α e cementite (Fe3C)

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