LEGHE FERRO - CARBONIO Le leghe binarie ferro

Classe 4^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - UdA n° 1: Materiali metallici, costituzione, trattamenti Diagrammi di equilibrio delle leghe ferrose – Diagramma Fe-C
LEGHE FERRO - CARBONIO
Le leghe binarie ferro-carbonio comprendono gli acciai ordinari e le ghise.
Come già studiato gli acciai hanno percentuale di carbonio tra 0,008 e 2,06, le ghise tra 2,06
e 6,67.
La struttura cristallina delle leghe Fe-C varia anche dopo la solidificazione, secondo la
temperatura e la velocità di raffreddamento.
Le proprietà fisiche, meccaniche e tecnologiche delle leghe Fe-C sono strettamente legate al
tipo di struttura in esse presente.
Il carbonio
E’ un non metallo solido. In natura è diffuso sotto forma di carbonato di calcio (calcare) o di
carbonato di calcio e magnesio (dolomite), nei carboni fossili, negli idrocarburi, nell’aria sotto
forma di CO2, allo stato purissimo come diamante o con impurezze nella grafite.
Nei materiali ferrosi, il carbonio può essere presente allo stato combinato sotto forma di
carburo di ferro Fe3 C (cementite), oppure come grafite: si hanno così, rispettivamente, gli
acciai e le ghise bianche o le ghise grigie.
La formazione della cementite è favorita:
- dalla presenza di tellurio, cromo, manganese, molibdeno, tungsteno, vanadio
- dalla rapidità del raffreddamento
-
La grafitizzazione delle ghise è favorita:
dalla presenza di silicio, alluminio, nichel, rame, zolfo
dalla lentezza del raffreddamento
Le proprietà fisiche del carbonio sono diverse a seconda dello stato allotropico (diamante o
grafite). E’ praticamente in fusibile; solo alla temperatura dell’arco voltaico (3000 ÷ 4000 °C)
rammollisce e volatilizza senza fondere. Il punto di ebollizione, estrapolato per la grafite, è di
4830 °C.
Il carbonio è insolubile nei comuni solventi (es.: acqua), mentre si scioglie in vari metalli
fusi, formando talvolta carburi metallici (es.: carburi di ferro). Il carbonio (soluto) forma
soluzioni solide interstiziali col ferro (solvente). Come già detto, esso è più solubile nel Fe γ
piuttosto che nel Fe α.
Il Ferro
Non si trova allo stato libero in natura, ma sotto forma di ossidi, carbonati, solfuri. Viene
estratto dai suoi minerali (magnetite, ematite rossa, limonite, siderite).
Il prodotto industrialmente denominato Ferro è in realtà un acciaio dolcissimo (C < 0,10 %);
soltanto il Ferro elettrolitico (C ≈ 0,008 %) può considerarsi Ferro puro, ma non ha applicazioni
industriali. Esso possiede:
- Temperatura di fusione Tf = 1535 °C
- Massa volumica
ρ = 7,87 kg/dm3
- Resistenza a trazione Rm = 150 ÷ 280 N/mm2
- Allungamento
A = 40 ÷ 60 %
- Durezza Brinell
HBS = 45 ÷ 90
Come già detto, il Ferro cristallizza secondo quattro stati allotropici: Fe α (C.C.C), Fe β o α
non magnetico (C.C.C), Fe γ (C.F.C) e Fe δ (C.C.C).
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Le trasformazioni che le leghe Fe-C subiscono con la temperatura sono essenzialmente
dovute all’allotropia del Ferro, perché i vari stati allotropici hanno diversa capacità di sciogliere
il carbonio.
- Il Fe α scioglie una piccolissima quantità di Carbonio (0,04 % alla temperatura di 721 °C)
- Il Fe γ è quello che scioglie la maggior quantità di Carbonio: 2,06 alla temperatura di 1147 °C
- Il Fe δ scioglie una piccola quantità di Carbonio (0,12 % alla temperatura di 1493 °C)
Le temperature alle quali avvengono le trasformazioni allotropiche sono dette “Punti critici”,
che di seguito sono indicati a seconda se trattasi di riscaldamento o di raffreddamento.
Ac = punti critici durante il riscaldamento
Ar = punti critici durante il raffreddamento
Si ha:
Fe β o α non magnetico (C.C.C): Ac2 = Ar2 = 768 °C
- Fe α (C.C.C)
- Fe β (C.F.C)
Fe γ (C.F.C): Ac3 = 910 °C ≠ Ar3 = 898 °C
(sembra che tale diversità sia dovuta all’inerzia della trasformazione del reticolo cristallino)
- Fe γ (C.F.C)
Fe δ (C.C.C): Ac4 = Ar4 = 1394 °C
DIAGRAMMA DI EQUILIBRIO Fe - C
Il diagramma Fe-C, opera di numerosi metallurgisti tra i quali Mannesmann, Osmond,
Howe, Austen, Ledebur, Roozeboom, è stato ottenuto sperimentalmente, mediante riscaldamenti
(o raffreddamenti) molto lenti e le sue varie curve indicano le temperature alle quali, per ogni
determinata percentuale di Carbonio, iniziano e terminano le diverse trasformazioni strutturali.
Alcune tra queste curve sono particolarmente importanti, soprattutto in relazione ai
trattamenti termici. Sono quelle indicate con simboli tipici quali A1, A3, Acm.
Il diagramma di equilibrio delle leghe Fe-C viene limitato ad un tenore di Carbonio C ≤ 6,67
%, che rappresenta la percentuale stechiometrica di Carbonio presente nel carburo di Ferro Fe3
C (cementite). Le leghe a maggior concentrazione di Carbonio, per la loro estrema fragilità, non
hanno interesse pratico.
Tale diagramma è impropriamente chiamato Fe-C dal momento che le percentuali in esso
indicate sono quelle, calcolate, del Carbonio nel complesso tra Fe e Fe3 C. Più correttamente
dovrebbe essere denominato diagramma Fe- Fe3 C.
Si ha:
- Peso atomico del Ferro = 55,85
- Peso atomico del Carbonio = 12
1 grammomolecola di Fe3 C quindi contiene:
55,85 · 3 + 12 = 167,55 + 12 179,55 grammi
Per ottenere la percentuale di Carbonio al termine del diagramma (cioè al 100 % di Fe3 C) basta
fare la proporzione:
179,55 : 12 = 100 : x
da cui x = 100 · 12 / 179,55 = 6,67
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La cementite non è un composto chimico vero e proprio. Si può considerare un composto
intermetallico di tipo interstiziale nel quale gli atomi di ferro sono un numero 3 di volte più
grande degli atomi di Carbonio.
La cementite ha reticolo “ortorombico” (parallelepipedo con tre lati aventi dimensioni
diverse).
Di seguito si farà riferimento al diagramma “metastabile”, cioè quello ottenuto con
raffreddamenti lenti (sistema a cementite) e non a quello stabile (sistema a grafite), ottenuto con
raffreddamenti lentissimi.
Diagramma Ferro-Carbonio
LIQUIDO +
FERRITE DELTA
1
2
L
FERRITE DELTA
5
4
3
6
8
7
LIQUIDO
I
D
A4
LIQUIDO +
AUSTENITE +
LEDEBURITE
LIQUIDO +
AUSTENITE
LIQUIDO +
CM PRIMARIA +
LEDEBURITE
E
S
AUSTENITE
AUSTENITE CON CEM
SECONDARIA AI BORDI +
LEDEBURITE
Acm
AUSTENITE +
FERRITE
CM PRIMARIA +
LEDEBURITE
AUSTENITE CON
CM SECONDARIA
AI BORDI
A3
CM PRIMARIA +
LED TRASFORMATA
CM PRIMARIA +
LED TRASFORMATA +
LED
A2
FERRITE +
CM TERZIARIA AI BORDI
T
P
A1
PERLITE CON CM
SECONDARIA AI BORDI
FERRITE +
PERLITE CON CM
TERZIARIA AI
BORDI
AUSTENITE +
FERRITE +
PERLITE
CM PRIMARIA +
LED TRASFORMATA
PERLITE + CEM
SECONDARIA AI
BORDI
LED
TRASFORMATA
PERLITE +
CEM
SECONDARIA
AI BORDI
AUSTENITE +
LED TRASFORMATA
AUSTENITE CON CM
SECONDARIA AI BORDI +
PERLITE
-A1: temperatura eutettoidica (T = 721°C)
-A2: la lega perde\acquista il
magnetismo (T = 768 °C)
-A3: luogo dei punti critici al di sopra dei quali c’è Austenite (T = 721÷910 °C)
-A4: luogo dei punti critici al di sotto dei quali c’è Austenite (T = 1394÷1493 °C)
-Acm: luogo dei punti critici al di sotto dei quali c’è cementite secondaria (T = 721÷1147 °C)
-E: punto Eutettico (C = 4,3 % ; T = 1147 °C)
-P: punto Eutettoide (C = 0,87 % ; T = 721°C)
-T: massima percentuale di Carbonio nel ferro α (C = 0.04 % ; T = 721°C)
-S: massima percentuale di Carbonio nel ferro γ (C = 2,06 % ; T =1147 °C)
-L: massima percentuale di Carbonio nel ferro δ (C = 0,12 % ; T = 1493 °C)
-I: punto in cui comincia a comparire l’Austenite per reazione peritettica (C = 0.19 % ; T = 1493 °C)
-D: punto peritettico (C = 0,47 % ; T = 1493 °C)
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Tipi di cristalli - Strutture fondamentali
All’interno del diagramma, a seconda della temperatura e del tenore di Carbonio, possono
presentersi cristalli di composti chimici e cristalli di soluzioni solide.
a) Cristalli di composti chimici
Il carbonio forma col ferro un solo composto chimico ben definito: il carburo di ferro Fe3 C,
detto cementite, molto duro e fragile.
- La cementite è detta primaria quando si forma, in grani, direttamente dalla fase liquida
- La cementite è detta secondaria quando si forma per decomposizione della soluzione solida
austenite, durante il raffreddamento lento, disponendosi ai bordi dei grani di austenite
- La cementite è detta terziaria quando, diminuendo la solubilità del carbonio a causa della
diminuzione della temperatura, si separa dalla soluzione solida ferrite, disponendosi ai bordi dei
grani di ferrite
- La cementite è detta eutettica quando si trova all’interno dell’eutettico-ledeburite
b) Cristalli di soluzioni solide
Il carbonio forma col ferro tre soluzioni solide:
- Soluzione δ (o ferrite δ): carbonio disciolto nel ferro δ
Massima percentuale di carbonio disciolto nel ferro δ = 0,12 alla temperatura T = 1493 °C
- Austenite: carbonio disciolto nel ferro γ
Massima percentuale di carbonio disciolto nel ferro γ = 2,06 alla temperatura T = 1147 °C
- Ferrite: carbonio disciolto nel ferro α
Massima percentuale di carbonio disciolto nel ferro α = 0,04 alla temperatura T = 721 °C
Nel diagramma sono presenti anche dei costituenti strutturali (miscugli):
- Ledeburite (eutettico della ghisa): si trova per C = 4,3 % ; T = 1147 °C
E’ costituita da austenite satura di Fe3 C e cementite eutettica. Deriva direttamente dal
liquido.
- Ledeburite trasformata: si trova per C = 4,3 % ; T = 721 °C
E’ costituita da perlite e cementite eutettica.
- Perlite (eutettoide dell’acciaio): si trova per C = 0,87 % ; T = 721 °C
E’ costituita da ferrite e cementite secondaria. Deriva dalla soluzione solida austenite.
Nel diagramma, a seconda della percentuale di carbonio, si hanno:
-
Acciai ipoeutettoidi, con C = 0,008 % ÷ 0,87 %
Acciai eutettoidi, con C = 0,87 %
Acciai ipereutettoidi, con C = 0,87 % ÷ 2,06 %
Ghise ipoeutettiche, con C = 2,06 % ÷ 4,3 %
Ghise eutettiche, con C = 4,3 %
Ghise ipereutettiche, Co C = 4,3 % ÷ 6,67 %
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STUDIO DI UN ACCIAIO C = 0,30 %
0.3 % CA RBONIO
T
LIQU ID O
FER RITE DELTA +
LIQUID O
AUS TEN ITE +
FER RITE DELTA +
LIQU ID O
AU STEN ITE +
LIQU ID O
A USTENITE
A USTENITE +
FERR ITE
A USTENITE +
PERLITE +
FERR ITE
FER RITE +
PER LITE +
CM TERZIAR IA A I B OR DI
t
- Considero l’acciaio ipoeutettoide avente lo 0,30 % di Carbonio
- Raffreddo lentamente, pervengo nel punto 1 sulla curva del liquido
- Si formano i primi cristalli solidi, per determinare la loro composizione, traccio l’orizzontale
fino ad incontrare la curva del solido, scendo sulle ascisse e leggo le percentuali
- Considerazioni: i primi cristalli solidi sono formati da poco Carbonio disciolto nel ferro δ,
parliamo quindi di Ferrite δ
- Continuo il raffreddamento lento, pervengo nel punto 1’ intermedio
- Per determinare la composizione dei cristalli, traccio l’orizzontale fino ad incontrare la curva
del solido, scendo fino alle ascisse e leggo le percentuali
- Considerazioni: la percentuale di carbonio disciolta nel Ferro δ è leggermente aumentata, ma
siamo ancora in presenza di Ferrite δ
- Se vado verso destra sulla curva del liquido e scendo, leggo la composizione del liquido
- Continuo il raffreddamento lento, pervengo nel punto 2 alla temperatura di 1493 °C
- A questa temperatura abbiamo una quantità di liquido di composizione D (0,45 % di C) e dei
cristalli solidi di concentrazione L (0,12 % C); a temperatura costante di 1493 °C avviene una
trasformazione peritettica: i cristalli ed il liquido, reagiscono formando dei nuovi cristalli di
Austenite di composizione I ( avente C = 0,19 %); la trasformazione finisce quando tutti i
cristalli di ferrite δ si saranno trasformati; si hanno quindi tre fasi: Liquido+Austenite+Ferrite
δ, giustificando il tratto orizzontale nella curva di raffreddamento e l’invarianza del sistema (V
= 2 + 1 – 3 = 0)
- Continuo il raffreddamento lento durante il quale il liquido residuo si trasforma in Austenite
- Considerazioni: i grani di austenite sono sempre più ricchi di Carbonio
- Pervengo nel punto 4
- A questa temperatura il rimanente liquido si è tutto trasformati in Austenite
- Continuo il raffreddamento lento, pervengo nel punto 5 su A3
- A questa la temperatura, l’Austenite comincia a trasformarsi in ferrite (soluzione solida
interstiziale di carbonio nel ferro α) perché il reticolo si trasforma da C.F.C a C.C.C
- Continuo il raffreddamento lento, pervengo nel punto 6 su A1
- Alla temperatura di 721°C l’Austenite, che non si è trasformata in ferrite, si trasforma in
eutettoide-perlite (= ferrite + cementite secondaria); la trasformazine avviene a temperatura
costante, giustificando quindi il tratto orizzontale nella curva di raffreddamento e l’invarianza
del sistema (infatti si hanno tre fasi: Ferrite+Cementite+Austenite e quindi V = 2 + 1 – 3 = 0)
- Al diminuire della temperatura, diminuendo la solubilità del Carbonio nella ferrite, si separa
cementite terziaria, che va ai bordi dei grani di ferrite.
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STUDIO DI UNA GHISA C: 3 %
3%
C A R B O N IO
L IQ U ID O
T
LIQ U ID O +
A U STE N ITE
LIQ U ID O +
A U STEN ITE +
LED EB U R ITE
A U STEN ITE C O N C EM
SEC O N D A R IA A I B O R D I +
LED E BU RITE
PER LIT E +
C EM
SE C O N D A R IA
AI BORDI
A U ST EN ITE +
LED TR A SFO R M A TA
PER LITE + C EM
SEC O N D A R IA A I
BORDI
L ED
TR A SFO R M A TA
t
- Considero una ghisa ipoeutettica con il 3 % di carbonio
- Raffreddo lentamente, pervengo nel punto 1 sulla curva del liquido
- Si formano i primi cristalli solidi, per determinare la loro composizione, traccio l’orizzontale
verso sinistra fino alla curva del solido, scendo fino ad incontrare le ascisse e leggo le
percentuali
- Considerazioni: i primi cristalli solidi sono costituiti da Carbonio disciolto in Ferro γ, parliamo
di Austenite
- Continuo il raffreddamento lento, pervengo nel punto 1’ (intermedio)
- Per determinare la composizione dei cristalli, traccio l’orizzontale verso sinistra fino alla curva
del solido, scendo fino ad incontrare le ascisse e leggo le percentuali,
- Considerazioni: i cristalli solidi sono costituiti da Carbonio disciolto in Ferro γ, parliamo
ancora di Austenite, ma sono più ricchi di Carbonio
- Se vado verso destra sulla curva del liquido e scendo, leggo la composizione del liquido
- Continuo il raffreddamento lento, pervengo nel punto 2
- Si forma l’ultima particella solida di Austenite, ma rimane liquido di composizione data dal
punto E; il liquido che non si è trasformato in Austenite si trasforma a temperatura costante in
Ledeburite che a sua volta è formata da Austenite+Cementite eutettica, quindi si hanno tre
fasi: Liquido+Austenite+Cementite, che giustificano il tratto orizzontale nella curva di
raffreddamento e l’invarianza del sistema (V = 2 + 1 – 3 = 0)
- Continuo il raffreddamento lento
- Con il diminuire della temperatura, diminuisce la solubilità del Carbonio nel Ferro γ, che
decade ai bordi dei grani di Austenite sotto forma di Cementite II
- Continuo il raffreddamento lento, pervengo nel punto 3 (su A1)
- A partire dalla temperatura di 721 °C, trasformandosi il reticolo da C.F.C a C.C.C, l’Austenite
non può esistere, quindi a temperatura costante, l’Austenite si trasforma in Perlite (costituita
da lamelle di Cementite secondaria e di Ferrite); la Ledeburite, che non contiene più Austenite
ma Perlite, prende il nome di Ledeburite trasformata; anche in questo punto del
raffreddamento si distinguono tre fasi: Perlite+Cementite+Ledeburite, che giustificano il tratto
orizzontale della curva e l’invarianza del sistema (V = 2 + 1 – 3 = 0).
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