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Lezioni di Tecnologia Meccanica. Prof. Sanna L.

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Diagramma ferro cementite


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Stati allotropici del ferro

In funzione della temperatura il ferro si presenta con tre stati allotropici: • ferro α: è stabile fino a 911 °C e presenta una cella cubica a corpo

centrato (c.c.c.); è magnetico fino al punto di Curie (A2=768°C) e paramagnetico oltre questa temperatura; nell'intervallo 768h-911°C viene definito ferro ¡5;

• ferro γ: è stabile nell'intervallo di temperatura 911h-1390°C, la sua cella è cubica a facce centrate (c.f.c.) ed è paramagnetico;

• ferro δ: è stabile nell'intervallo 139+1535 °C, presenta una cella cubica a corpo centrato (c.c.c.) ed è paramagnetico.

Le temperature a cui avvengono le trasformazioni allotropiche in condizione di equilibrio sono definite punti critici e hanno i seguenti simboli. A3: temperatura (911 °C) a cui avvengono le trasformazioni α—> γ durante il riscaldamento e quelle /-»adurante il raffreddamento; A4: temperatura (1390 °C) a cui avvengono le trasformazioni γ—> δ, durante il riscaldamento e quelle δ—> γ durante il raffreddamento.


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In condizioni diverse da quelle di equilibrio, con velocità di raffreddamento o riscaldamento non trascurabili, i punti critici possono presentare fenomeni di isteresi e verificarsi a temperature più elevate durante il riscaldamento e a temperature più basse durante il raffreddamento. Si avranno, quindi, temperature indicate con Ac3 e Ac4 durante il riscaldamento e temperature indicate con Ar4 e Ar3 durante il raffreddamento.


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Il diagramma di equilibrio rappresentato nella figura 12.1 è teorico, poiché considera la lega formata esclusivamente da ferro e cementite ed è tracciato per velocità di raffreddamento molto basse, tali da consentire il formarsi dei grani costituenti e degli aggregati strutturali di equilibrio rappresentati nella figura e di seguito descritti.

Diagramma ferro-cementite


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Ferrite La ferrite è una soluzione solida interstiziale di carbonio nel ferro, con cella cubica a corpo centrato. Essa si distingue nei seguenti tipi: Ferrite δ: ha origine dal liquido in leghe la cui composizione è minore di quella del punto L (0,53% C); la massima solubilità del carbonio è pari a 0,10% (punto H), a 1493 °C ed è stabile nell'intervallo di temperatura 1390+1535 °C (zona del diagramma fra i punti BGH). Ferrite α: essa si separa al raffreddamento dell'austenite nell'intervallo 911+723 °C; la massima solubilità del carbonio è pari a 0,02%, a 723 °C e si riduce a 0,008% a temperatura ambiente, è stabile al di sotto dei 911 °C e, in genere, è indicata semplicemente come ferrite (zona del diagramma fra i punti RFK). Ferrite β: è ferrite α paramagnetica; il campo di esistenza è compreso nell'intervallo di temperatura 768+911 °C.


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Austenite L'austenite è una soluzione solida, paramagnetica, di cementite nel ferro γ; la massima solubilità del carbonio è pari a 2,06% in massa, a 1147 °C. Poiché il ferro γ ha cella cubica a facce centrate, la penetrazione dell'atomo di carbonio, che può occupare il centro della cella, è agevolata. È stabile, al raffreddamento fino alla temperatura Ar3, dove inizia la separazione della ferrite negli acciai ipoeutettoidi, o alla temperatura Arcm, dove inizia la separazione della cementite secondaria per gli acciai ipereutettoidi. Alla temperatura dell'eutettoide, pari a 723 °C, e con lo 0,8% di carbonio, si forma la perlite.


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La linea FE'P rappresenta la temperatura di equilibrio austenite

perlite e viene indicata genericamente con A1; nello specifico, può essere distinta con la simbologia di seguito elencata. Ae1: temperatura della trasformazione in condizioni di equilibrio; Ar1: temperatura di trasformazione dell'austenite in perlite durante il raffreddamento; l'isteresi è tanto più marcata quanto maggiore è la velocità di raffreddamento; Ac1: temperatura di trasformazione della perlite in austenite durante il riscaldamento; l'isteresi è tanto più marcata quanto maggiore è la velocità di riscaldamento.


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La linea KE' indica la temperatura di equilibrio austenite ferrite per gli acciai ipoeutettoidi ed è definita A3. Si differenzia meglio in: Ae3, temperatura della trasformazione in condizioni di equilibrio; Ar3, temperatura di inizio della trasformazione dell'austenite in ferrite durante il raffreddamento; Ac3, temperatura di fine trasformazione della ferrite in austenite durante il riscaldamento.


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La linea E'D rappresenta, per gli acciai ipereutettoidi, la temperatura di equilibrio austenite cementite secondaria ed è indicata con Acm. Essa si diversifica in: Aecm, temperatura di equilibrio della trasformazione; Arcm, temperatura di inizio della trasformazione dell'austenite in cementite secondaria durante la fase di raffreddamento; Accm, temperatura di fine trasformazione della cementite secondaria in austenite durante il riscaldamento. Il campo di esistenza dell'austenite è dilatato dagli elementi gammageni, come il nichel, capaci di renderla stabile anche a temperature inferiori a 723 °C; un esempio è rappresentato dagli acciai inox 18-10, che contengono il 18% di Cr e il 10% di Ni, e sono austenitici a temperatura ambiente.


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Perlite La perlite e un aggregato di ferrite e cementite che, durante il raffreddamento si forma dall'austenite a temperatura costante di 723 °C (Ae3) e con tenore di carbonio pari a 0,8% (punto eutettoide E1)

A) Lamellare B) Globulare


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Ledeburite La ledeburite è un aggregato di austenite e cementite primaria che solidifica, a temperatura costante, direttamente dal liquido (eutettico) a 1147 °C e con tenore di carbonio di 4,3%. È presente nelle leghe con tenore di carbonio compreso nell'intervallo 2,06+6,67%.


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Interpretazione del diagramma ferro-cementite Solidificazione delle leghe con tenore di carbonio < 2,06% Le leghe con tenore di carbonio < 2,06% solidificano dando origine all'austenite la cui trasformazione, all'ulteriore raffreddamento in condizioni di equilibrio, genera ferrite, perlite e cementite secondaria. Per la sua importanza, la trattazione di questo settore è suddivisa in due parti: solidificazione e trasformazione dell'austenite.

Nell'intervallo di temperatura T1-T2 avviene la solidificazione del liquido in ferrite δ; le composizioni del liquido e del solido, in funzione della temperatura, si leggono rispettivamente sulle linee GL e GH. Alla temperatura T2 la solidificazione è completata e la ferrite δ, per diffusione, ha concentrazione C2; nell'intervallo T2+T3 la ferrite δ si raffredda e a temperatura T3 inizia a trasformarsi in austenite. La trasformazione termina a temperatura T4 e nell'intervallo T3-T4 le concentrazioni della ferrite δ e dell'austenite, in funzione della temperatura, si leggono rispettivamente sulle linee HB e CB.

Lega di composizione C1 Indicando genericamente con Tn la temperatura del punto n-esimo, si prenda in considerazione la lega con composizione C1.


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Lega di composizione C2 Nell'intervallo T5+T6 solidifica ferrite δ; alla temperatura T5 il solido ha la composizione del punto H e il liquido quella del punto L. La reazione peritettica inizia a temperatura costante tra il liquido rimanente e la ferrite δ per originare austenite con la composizione del punto C. Quando tutto il liquido è stato utilizzato nella reazione, il sistema diventa monovariante e la ferrite residua, nell'intervallo T6-T7, si trasforma in austenite.


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Lega di composizione corrispondente al punto C3 Fino alla temperatura di 1493 °C solidifica ferrite δ; la reazione tra solido e liquido avviene a questa temperatura peritettica, con il sistema invariante, per originare austenite con la concentrazione corrispondente al punto C.


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Lega di composizione C3 Nell'intervallo T8+T9 solidifica ferrite δ; alla temperatura T9 il solido ha la composizione del punto H, mentre il liquido ha quella del punto L. La reazione peritettica tra il liquido e la ferrite δ inizia a temperatura costante per originare austenite di composizione C. Quando tutta la ferrite δ è stata utilizzata nella reazione, il sistema diventa monovariante e il liquido residuo, nell'intervallo T9+T10, si trasforma in austenite.


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Lega di composizione C4 La lega di composizione C4 non presenta alcuna reazione peritettica; nell'intervallo T11+T12 il liquido solidifica dando origine all'austenite, la cui composizione si legge sulla linea CD, in funzione della temperatura.

Trasformazione dell'austenite nelle leghe Fe-Fe3C con tenore di carbonio < 2,06%

Leghe ipoeutettoidiche Tali leghe contengono meno dello 0,8% di carbonio. Si prenda in considerazione la lega di concentrazione C1 allo stato austenitico e in fase di raffreddamento. Alla temperatura Ar3 inizia la separazione della ferrite α la cui composizione si legge sulla linea KF; l'austenite si arricchisce percentualmente di carbonio e la sua concentrazione è letta sulla linea KE'. Alla temperatura Ar1 la ferrite a ha tenore di carbonio dello 0,02%, mentre l'austenite 0,8%. Dal momento che sono presenti austenite, ferrite α e cementite secondaria, con il sistema invariante si forma l'eutettoide perlite, che consiste in un aggregato di ferrite a (0,02% C) e cementite secondaria (6,67% C).


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Terminata la trasformazione eutettoide, il sistema diventa monovariante e la temperatura riprende a diminuire; la ferrite a si trova in condizioni di soprassaturazione ed espelle cristalli di cementite terziaria, che si dispongono ai giunti dei grani. A temperatura ambiente la lega è formata da ferrite, perlite e tracce di cementite terziaria. Al riscaldamento, nell'intervallo di temperatura Tambiente-Ac1 si ha il riassorbimento della cementite terziaria nella ferrite, che raggiunge la concentrazione di 0,02%; alla temperatura Ac1, con il sistema invariante, si ha la trasformazione della perlite in austenite. Nell'intervallo Ac1+Ac3 è la ferrite a trasformarsi in austenite.

Leghe eutettoidiche Si tratta di leghe che hanno una concentrazione eutettoide. Al raffreddamento, si assiste alla trasformazione dell'austenite in perlite, con il sistema invariante, alla temperatura Ar1. Terminata la trasformazione, il sistema diventa monovariante e, al diminuire della temperatura, dalla ferrite dell'aggregato eutettoidico si separa, per saturazione, la cementite terziaria. A temperatura ambiente la lega è composta da perlite più tracce di cementite terziaria ai giunti dei grani. Nella fase di riscaldamento, dopo il riassorbimento della cementite terziaria nella ferrite nell'intervallo Tambiente+Ac1, si ha la trasformazione della perlite in austenite a temperatura costante Ac1.


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Leghe ipereutettoidiche Tali leghe contengono più dello 0,8% di carbonio. Rientrano in questa categoria gli acciai che devono presentare elevata durezza e resistenza all'usura, quali acciai per utensili, per cuscinetti ecc. Si consideri, al raffreddamento, la lega di composizione C2; alla temperatura Arcm inizia la separazione della cementite secondaria e l'austenite, nell'intervallo Arcm-Ar1, si impoverisce di carbonio e raggiunge la composizione eutettoide (punto E', con 0,8% di C).

Alla temperatura Ac1 avviene, con il sistema invariante, la formazione della perlite. A trasformazione terminata, il sistema diventa monovariante e la temperatura può diminuire; si ha, quindi, nell'intervallo Ar1+Tambiente la separazione, per saturazione, di piccole quantità di cementite terziaria dalla ferrite contenuta nella perlite. A temperatura ambiente la lega è costituita da cementite secondaria, perlite e tracce di cementite terziaria. Al riscaldamento si ha il riassorbimento della cementite terziaria nell'intervallo Tambiente-i-Acl; a temperatura Acl avviene, a temperatura costante, la trasformazione della perlite in austenite; nell'intervallo Ac1-hA0 secondaria è riassorbita dall'austenite.


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Strutture del diagramma Fe-Fe3C

Diagramma strutturale degli acciai In base al tenore di carbonio, gli acciai sono suddivisi nelle seguenti categorie. • Ipoeutettoidi, con contenuto di carbonio inferiore a 0,8%: essi sono

costituiti da ferrite e perlite.

• Eutettoidi, con composizione 0,8% di carbonio: la loro struttura è totalmente perlitica.

• Ipereutettoidi, che contengono carbonio dallo 0,8% fino al 2,06: la loro struttura è costituita da cementite secondaria e perlite.

Diagramma strutturale degli acciai.

Caratteristiche dei costituenti gli acciai


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Andamento delle caratteristiche meccaniche in funzione del tenore di carbonio.

Ghise Le ghise possono essere suddivise nelle seguenti categorie: • ghise grigie,

• ghise bianche,

• ghise malleabili

Ghise grigie Nelle ghise grigie il carbonio è in parte combinato sotto forma di cementite e in parte, allo stato libero sotto forma di grafite. La grafite, può presentarsi in forma di lamelle - ghise grigie a grafite lamellare o di sferoidi o flocculi - ghise grigie sferoidali o flocculari.

a) a grafite lamellare in matrice perlitica; b) a grafite sferoidale in matrice ferritica.


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Ghise sferoidali Tali ghise sono costituite da grafite che si presenta sotto forma di sferoidi, i quali indeboliscono meno la matrice metallica rispetto alla grafite lamellare.

Ghise bianche Nelle ghise bianche il carbonio è totalmente combinato sotto forma di cementite, conferendo al materiale una durezza notevole, ma anche una sensibile fragilità.


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Ghise malleabili Si tratta di ghise che, allo stato grezzo di colata, sono bianche e, successivamente, vengono sottoposte a trattamento di malleabilizzazione che può essere malleabile a cuore nero o a cuore bianco. Ghise malleabili a cuore nero I getti di ghisa bianca sono sottoposti a lunga ricottura (16+24 ore) in ambiente neutro. La cementite si scinde a formare flocculi (o noduli) di carbonio, disseminati in una matrice ferritica o ferritico-perlitica. Le ghise malleabili a cuore nero presentano una buona resistenza a trazione e una discreta malleabilità.

Ghise malleabili a cuore bianco Sono getti di ghisa bianca sottoposti a un ciclo di malleabilizzazione mediante decarburazione superficiale. Il trattamento avviene in un forno con atmosfera ossidante a circa 1000 °C per tempi piuttosto lunghi (oltre 70 ore). Nella sezione del getto la struttura non è omogenea; in superficie è composta da ferrite, per uno spessore di qualche millimetro, mentre la zona sottostante è costituita da ferrite, perlite e grafite.

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Classificazione della forma della grafite nelle ghise

Reagenti per l'attacco dei provini metallografici


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Schema di riflessione della luce su cristalli attaccati diversamente dal reagente chimico


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Trattamenti termici degli acciai e delle ghise I trattamenti termici consistono in una successione di operazioni durante le quali un materiale, allo stato solido, è sottoposto a uno o più cicli termici. Riscaldamento è il tempo necessario per raggiungere la temperatura prevista. Il riscaldamento deve essere tanto più lento quanto più complesso è il pezzo, affinché non insorgano tensioni troppo elevate dovute a gradienti termici tra le zone esterne e quelle interne; nei casi più critici l'operazione viene effettuata in due tempi, AB e CD, con un intervallo intermedio BC, a temperatura costante, per uniformare la temperatura del pezzo.


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Permanenza a temperatura costante (DE). Questa fase ha lo scopo di garantire che il materiale assuma, in tutti i punti, la stessa temperatura e la struttura desiderata. Il tempo di permanenza dipende dalle dimensioni del pezzo. Raffreddamento (EF). È la fase più importante del trattamento; Quando i pezzi sono molto complessi, costituiti da parti sottili adiacenti a parti più spesse, velocità di raffreddamento elevate possono provocare distorsioni, cricche o rotture.


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Trattamento termico degli acciai: legge di raffreddamento I trattamenti termici degli acciai prevedono la trasformazione dell'austenite in modo più o meno rapido oppure a temperatura più o meno elevata. Se la trasformazione dell'austenite avviene con raffreddamento continuo, le strutture che si formano possono essere studiate su diagrammi tempo-temperatura, detti curve di Bain anisoterme o curve CCT.

Con raffreddamento continuo (curve CCT), a velocità molto basse, l'inizio della trasformazione dell'austenite in ferrite (F) avviene a temperature prossime ad A3, mentre l'inizio della trasformazione in cementite (C) avviene a temperatura prossima ad A1; presentando isteresi tanto più piccole quanto più è bassa la velocità. Con velocità di raffreddamento compresa tra quelle rappresentate dalle curve (b) e (c) si ha la formazione di bainite (B), un aggregato molto fine di ferrite e cementite nel quale la ferrite, che si è formata prima della cementite, ha un aspetto aciculare.


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Con velocità di raffreddamento compresa tra le curve (a) e (b) non si ha più formazione di ferrite e con la bainite compare la martensite (M), una soluzione interstiziale sovrassatura di carbonio in ferro α.

Per velocità superiori a quella rappresentata dalla curva (a) - velocità critica di tempra - si ha solo formazione di martensite, con eventuale residuo di austenite anche a temperatura ambiente. Le linee Ms e Mf indicano la temperatura di inizio e fine trasformazione dell'austenite in martensite.

Fino alla velocità V1 (detta anche velocità critica inferiore) si ha formazione di ferrite e perlite, sempre più fini all'aumentare della velocità. Nell'intervallo V1<->V2 si ha una trasformazione a temperatura Ar’ che origina bainite e una a temperatura Ar’’ (Ms), che origina martensite; in prossimità della velocità V1 sarà preponderante la fase bainitica; con velocità prossime a V2 sarà presente quasi esclusivamente la struttura martensitica. Per velocità superiori a V2 (velocità critica di tempra) si avrà solo martensite, che inizia a formarsi a temperatura Ar’’.

All'aumentare della velocità di raffreddamento, si evidenzia sempre di più l'isteresi termica dei punti critici a cui iniziano le trasformazioni. La temperatura di inizio delle trasformazioni dell'austenite (punti critici) in funzione della velocità di raffreddamento per un acciaio ipoeutettoide.

acciaio ipoeutettoide


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L'austenite può trasformarsi a temperatura costante. In questo caso, dopo un rapidissimo raffreddamento che permette di avere austenite instabile a temperature inferiori ad Av si mantiene il materiale a temperatura costante fino a completa trasformazione. Questa legge di raffreddamento è rappresentata con le curve TTT.

Con il tipo di raffreddamento indicato con (e) si ottiene martensite, con eventuale austenite residua. Il raffreddamento indicato con (f) origina bainite, mentre quello indicato con (g) origina ferrite e cementite. La posizione e la forma delle curve tempo-temperatura (CCT e TTT) è fortemente influenzata dalla composizione chimica dell'acciaio; gli elementi di lega, con esclusione del molibdeno, spostano le curve verso destra e verso il basso, ritardando l'inizio della trasformazione dell'austenite. Poiché le trasformazioni iniziano dai giunti dei grani, gli acciai a grano fine (con giunti molto estesi) presentano curve spostate verso l'alto e verso sinistra.

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Tempra Questa procedura prevede il riscaldamento dell'acciaio alla temperatura di austenizzazione (superiore ad Ac3 o Accm per acciai ipereutettoidi), la permanenza a tale temperatura per raggiungere l'equilibrio termico strutturale e un successivo raffreddamento con velocità superiore a quella critica di tempra. Lo scopo è di ottenere una struttura martensitica dotata di notevole durezza e resistenza meccanica.

Per gli acciai ipoeutettoidi la temperatura di tempra deve essere superiore ad Ac3 per evitare che, dopo il raffreddamento, vi siano tracce di ferrite, che essendo poco dura invaliderebbe lo scopo della tempra. Se si desidera ottenere una struttura completamente martensitica, gli acciai ipereutettoidi sono temprati da una temperatura superiore ad Accm; inoltre, se è tollerabile la presenza di cementite secondaria - peraltro molto dura - assieme alla martensite, tali acciai possono essere temprati da una temperatura compresa tra Accm e Ac1.



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Martensite La tipica struttura che si ottiene con la tempra è la martensite, una soluzione solida interstiziale sovrassatura di carbonio in ferro α. Poiché l'austenite (ferro y) ha reticolo cubico a facce centrate (c.f.c.), il carbonio può occupare il centro della cella; se il raffreddamento è sufficientemente veloce, il passaggio alla cella cubica a corpo centrato del ferro a avviene senza che il carbonio riesca a uscire dal reticolo in cui si era inserito, rimanendo pertanto in soluzione sovrassatura.

Le proprietà della martensite dipendono dal grado di deformazione complessivo dei reticoli cristallini, causato dalla presenza di carbonio, nonché dagli elementi di lega; per questo motivo la tempra risulta efficace ed economicamente conveniente per gli acciai il cui tenore di carbonio è > 0,3%.

La durezza della martensite è funzione della percentuale di carbonio contenuta nell'acciaio.


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Poiché la formazione di martensite avviene con aumento di volume, la successiva trasformazione dell'austenite residua - a temperatura prossima a quella ambiente - provoca tensioni interne che possono causare deformazioni dei pezzi. La quantità di austenite residua dipende anche dagli elementi di lega presenti nell'acciaio quali carbonio, cromo, manganese, nichel. Negli acciai fortemente legati si possono riscontrare temperature di fine trasformazione della martensite {Mf) molto più basse della temperatura ambiente. Per ottenere la riduzione dell'austenite residua devono essere effettuati cicli termici portando l'acciaio a -70 -80 °C. La struttura martensitica può essere inquinata da agglomerati molto fini di ferrite e cementite (bainite), di durezza sensibilmente inferiore alla martensite. Anche la cementite pura, pur essendo molto dura, può rappresentare un difetto quando, precipitando ai bordi dei grani, forma un reticolo che aumenta la fragilità della struttura.

Difetti della martensite

Martensite: a) esente da difetti; b) con austenite residua; c) con inclusioni di bainite (ferrite+cementite).


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