I DIAGRAMMI DI STATOI DIAGRAMMI DI STATO

Cosa sono e a che cosa servono

γ

δ

α

Fe3C

T [°C]

%CFe

G.M. La Vecchia – Università di BresciaDipartimento di Ingegneria Meccanica

Rappresentazione grafica delle condizioni di equilibrio alle varie temperature di unsistema costituito da un metallo base +ulteriori elementi chimici

DIAGRAMMI DI STATOdiagrammi di equilibrio

T [°C]

A % B B0 100

L

Af

Bf

L+AL+B

A+B

FASE LIQUIDA

P = 1 atmFASE SOLIDA A+B(miscela dei 2 metalli puri A e B)

• se il sistema è costituito da 2 elementi ⇒ diagramma di stato binario ⇒ grafico bidimensionale

• se il sistema è costituito da 3 elementi ⇒ diagramma di stato ternario ⇒ grafico tridimensionale

DIAGRAMMI DI STATO

Qualsiasi sia il diagramma di stato considerato si ipotizza un raffreddamento sufficientemente lento

passaggio attraverso successivi stati di equilibrio

Condizioni nettamente diverse dai trattamenti termici di interesse industriale

DIAGRAMMI DI STATO

DIAGRAMMI DI STATO DI PARTICOLARE INTERESSE

Acciai e ghise (leghe Fe-C)

Cenni alle modifiche del diagramma Fe-C per introduzione di elementi che determinano soluzioni solide con il Fe:

1) elementi che allargano il campo γ

2) elementi che restringono il campo γ

Le strutture di equilibrio delle leghe Fe-C (acciaio, ghisa) sono rappresentate da tale diagramma

In assenza di riscaldamenti troppo prolungati, di velocità di raffreddamento particolarmente lenta e di elevati tenori di elementi grafitizzanti, il Fe ed il C si combinano per formare il composto interstiziale Fe3C o cementite

Il diagramma di riferimento (condizioni normali) risulta il Fe-Fe3C

Il tenore di C nella Fe3C (contenuto stechimetrico) è pari al 6,69% ⇒ la gradazione dell’asse delle ascisse termina in corrispondenza di questo valore

Il diagramma Fe-C

γ

Costruzione del diagramma Fe-C per punti

723

912

1394

1538

T[°C]

6.69%

Fe3C0.02 0.77

1148

2.11 4.3

eutettica

eutettoidica

1495 peritettica

0.09 0.530.17

δ

0.008α

Il Fe puro è polimorfo, esistendo in varie forme allotropiche

Fe δ − c.c.c

Fe γ − c.f.c

Fe α − c.c.c912°C

1394°C

1538°C

tempo

T Tliquido Curva di

raffreddamento

I reticoli cristallini

Molti metalli o leghe metalliche possono presentare a diverse temperature differenti strutture cristalline (polimorfismo)

Cubico semplice Cubico corpo centrato

(ccc)

Cubico facce centrate

(cfc)

Esagonale compatto

martensite

Fe

C

Diverso reticolo cristallino è sinonimo di diverse proprietà meccaniche

DIAGRAMMA Fe - C

1538

1394

912

723

γ

α

δT [°C]

0 1 2 3 4 5 6 6,69

%C

ll+ γ

γ + Fe3C

α + Fe3C

l+ δ

δ +γ

α +γ

l+ Fe3C

diagrammaFe - Fe3C

diagrammaFe – C

1148°C

1495

Fe3C

Fasi:• fase liquida • fase δ, α, γ o cristalli di ferro δ, α, γ• fase Fe3C

DIAGRAMMA Fe - C

Costituenti strutturali:

• ferrite ⇒ soluzione solida di C in ferro α• austenite ⇒ soluzione solida di C in ferro γ• ferro δ ⇒ soluzione solida di C nel ferro δ• cementite ⇒ composto interstiziale Fe3C con %C = 6,69• perlite ⇒ eutettoide ferrite - cementite• ledeburite ⇒ eutettico austenite - cementite

DIAGRAMMA Fe - C

DIAGRAMMA Fe - C

P

Al, Cu, Ni, Pb, Fe γ, Ag, Au

cella elementare: è la più piccola parte del cristallo che ne conserva tutti gli elementi di simmetria

n. atomi = 4

n. di coordinazione = 12

fattore di impaccamento = 0,72

rappresentazione con il modello delle

sfere rigide

rappresentazione tradizionale

Reticolo cubico a facce centrate (c.f.c.)

Cr, V, Mo, W, Fe α

cella elementare:

n. atomi = 2

n. di coordinazione = 8

fattore di impaccamento = 0,68

Rappresentazio-ne con il modello delle sfere rigide

Rappresen-tazione

tradizionale

Reticolo cubicoa corpo centrato (c.c.c.)

A4 ⇒ temperatura della trasformazioneδ ↔ γ

A3 ⇒ temperatura della trasformazioneγ ↔α

A2⇒ punto di Curie (770°C) al di sopra del quale la ferrite non è più magneticaA1 ⇒ temperatura della trasformazione eutettoide (723 °C)Acm ⇒temperatura della trasformazione

γ ↔ Fe3C

Punti critici

DIAGRAMMA Fe - C

I PUNTI CRITICI:Il ferro puro

% C

Tem

pera

tura

, °C

Fe γ

Fe α

Fe δ

Fe3C

liquidoA4

A3

Tf

% C

Tem

pera

tura

, °C

Fe γ

Fe α

Fe δ

Fe3C

liquido

A3A1

X

I PUNTI CRITICI:Gli acciai ipoeutettoidici

A1:temperatura dell’equilibrio austenite ⇔ perlite

A3: temperatura d’equilibrio austenite ⇔ ferrite

Acm: temperatura d’equilibrio austenite ⇔cementite

Per gli acciai ipereutettoidici, al di sopra della quale è stabile solo l’austenite

% C Fe3C

Tem

pera

tura

, °C Fe γ

Fe α

Fe δ liquido

Acm

A4: temperatura d’equilibrio austenite ⇔ferrite δ

Al di sotto della quale è stabile solo l’austenite

% C Fe3C

Tem

pera

tura

, °C

Fe γ

Fe α

Fe δ liquidoA4

1538

1394

912

γ

α

δT [°C]

0 0,8 1 2 3 4 5 6 6,69%C

l

l+ γ

γ + Fe3C

α + Fe3C

l+ δ

δ +γ

α +γ

L+ Fe3C

acciai ipoeutettoidici

acciai ipereutettoidici ghise

acciai eutettoidici

γ

α

δ

T [°C]

0 0,8 1 2 3 4 5 6 6,69%C

l

l+ γ

γ + Fe3C

α + Fe3C

l+ δ

δ +γ

α +γ

L+ Fe3C

Feα

Perlite(Feα + Fe3C)

a TE(A1): γ ⇒(Feα+Fe3C) perlite

Acciaio ipoeutettoidico

γ

α

δ

T [°C]

0 0,8 1 2 3 4 5 6 6,69%C

l

l+ γ

γ + Fe3C

α + Fe3C

l+ δ

δ +γ

α +γ

L+ Fe3C

Perlite(Feα+Fe3C)

a TE (A1): γ ⇒(Feα+Fe3C) perlite

Acciaio eutettoidico

γ

α

δ

T [°C]

0 0,8 1 2 3 4 5 6 6,69%C

l

l+ γ

γ + Fe3C

α + Fe3C

l+ δ

δ +γ

α +γ

L+ Fe3C

Fe3C

Perlite(Feα + Fe3C)

a TE (A1): γ ⇒(Feα+Fe3C) perlite

Acciaio ipereutettoidico

Costituente a bassa durezza, attaccato debolmente dal Nital,preferenzialmente a bordo grano(acido nitrico al 4% in alcol etilico, 10-60 s)

0,06%Claminato a 845°Cavvolto a 620°C100x Nital

Ferrite (Feα):

L’attacco evidenzia un grano non orientato (equiassico) fortemente disomogeneo da zona a zona

Stabile a T>723°C, reso stabile a Tambiente con aggiunte in lega di elementi austenitizzanti (Ni, Mn, ecc)Aspetto micrografico simile alla ferrite, ma bordi grano + squadrati

austenitic stainless steel,type AISI 304L

AISI 316 100x

Tempra di soluzione 1035°Craffreddamento in acqua10ml HNO3, 10 ml acido acetico, 15ml HCl, 5ml glicerolo

Austenite (Fe-γ)

Cementite eutettoidica: quella costituente la fase cementite della perlite

Matrice ferrite+globuli di cementiteNital 1000 x

Cementite (Fe3C: carburo di ferro) :

Cementite di coalescenza:in globuli (per migliorare la lavorabilità)

innalzamento di A4 + abbassamento di A3

γ

α

δ

T [°C]

0 el % →

1500

1000

500

γ

α

δ

T [°C]

0 el % →

1500

1000

500

campo γ aperto campo γ allargato

Ni, Mn, Co, Pt C, N, Cu, Zn, Au

Elementi che allargano il campo γ

abbassamento di A4 + innalzamento di A3

γ

α

T [°C]

0 el % →

1500

1000

500

campo γ chiuso campo γ ristretto Al, Cr, Si, Mo B, S, O

Elementi che restringono il campo γ

a TE (A1): γ ⇒ (Feα+Fe3C) perlite

a 1154°C: l ⇒ (Feγ+Fe3C) ledeburite

Ghisa

γ

α

δT [°C]

150014001300120011001000

900800700600

0 0,8 1 2 3 4 5 6 6,69%C

l

l+ γ

γ + Fe3C

α + Fe3C

l+ δ

δ +γ

α +γ

L+ Fe3C1154 °C

TE

Caratteristiche meccaniche: funzione del tipo di microstruttura della matrice ma anche della percentuale, forma e distribuzione del carbonio sotto forma di grafite

Ghisa