Il diagramma di fase di ferro-carbo: il suo ruolo in ingegneria dei materiali moderni

Il diagramma di fase ferro-carbonico (Fe-C) rimane una pietra angolare della metallurgia orizzontale, utilizzata quotidianamente dagli ingegneri dei materiali per prevedere l'evoluzione microstrutturale durante la fusione, la formazione e il trattamento termico. Questo diagramma mappa le fasi di equilibrio presenti nelle leghe di ferro-carbonio come funzione di entrambi i componenti (lungo l'asse verticale) e il contenuto di carbonio (lungo l'asse orizzontale, fino a circa 6,67 wt% C, la forma di cemento).

La potenza del diagramma di fase consiste nella sua capacità di rispondere a due domande critiche: quali fasi esistono ad una determinata composizione e temperatura, e come queste fasi cambiano quando la temperatura cambia. Ad esempio, un acciaio con 0,4% di carbonio riscaldato sopra 800 °C diventa austenite monofase, che può poi essere quenched a formare martensite. Il diagramma spiega anche perché ghise (carbonio > 2.11 %) possono solidificare l'articolo con la fase di grafo di analisi del ciclo di cemento.

Leggere il diagramma: assi, punti invarianti e regioni chiave

Il diagramma di fase Fe-C è tracciato con temperatura (solitamente in °C o °F) sulla concentrazione di carbonio e di asse y (in peso per cento) sull'asse x. Il diagramma si estende a circa 6.67 wt% C (la composizione di cementoite, Fe3]C). Il limite più a sinistra a 0 % C rappresenta la stabilità pura di ferro, che mostra

Le tre reazioni invarianti

Tre reazioni invarianti, punti in cui tre fasi coesistono a temperatura e composizione fissa, definiscono le principali caratteristiche del diagramma:

  • Reazione perimetista (1495 °C, 0.16 wt% C):[ Liquido + δ-ferrite ↔ austenite (γ). Questa reazione è importante nella solidificazione degli acciai a basso tenore di carbonio, dove forme δ-ferrite prima e poi si trasforma in austenite su ulteriore raffreddamento.
  • Riassunto eutettico (1147 °C, 4.30 wt% C):[ Liquido ↔ austenite + cementite (o austenite + grafite, a seconda della stabilità). Questa reazione governa la solidificazione dei ghise. Il prodotto è chiamato ledeburite (austenite + cementite) in ghise bianche.
  • Riassunto eutectoide (727 °C, 0.76 wt% C): Austenite ↔ ferrite + cementite. Questo è di gran lunga il punto invariante più tecnologicamente significativo perché controlla il comportamento di trasformazione degli acciai al carbonio pianeggiante. La miscela lamellare di ferrite e cementite prodotta è nota come perlite.

Esiste un quarto invariante a 912 °C per il ferro puro (la temperatura A3[]), ma non è dipendente dalla composizione. Inoltre, a 770 °C (la temperatura Curie del ferrite) c'è una trasformazione magnetica, ma questa è una trasformazione di secondo ordine e non è sempre mostrata sui diagrammi di fase destinati all'analisi del trattamento termico.

Campi chiave di fase

Un campo di fase è una regione sul diagramma dove una singola fase o una miscela di due fasi è termodinamicamente stabile.

  • Liquid (L): Sopra la linea liquida, la lega è completamente fusa.
  • L + δ-ferrite: Un campo bifase per acciai a basso tenore di carbonio ad alte temperature.
  • δ-ferrite:[] Un campo stretto appena sotto il punto di fusione, fino a circa 0,1 % C.
  • L + γ (austenite):[] Presente per gli acciai al di sopra della composizione eutettica e per gli acciai tra lo 0,16 % e il 2,1 % C durante la solidificazione.
  • Austenite (γ): Il campo FCC monofase, stabile tra ~727 °C e 1495 °C (a seconda del contenuto di carbonio). La solubilità al carbonio in austenite raggiunge un massimo di 2.11 wt% a 1147 °C.
  • L + Fe[]3[C (cementite):[] Per gli acciai ipereutettici sopra la temperatura eutettica.
  • Ferrite (α): La fase BCC, con solubilità al carbonio molto bassa (max 0,022 wt% a 727 °C).
  • Ferrite + Fe[]3C (cementite): La regione a due fasi sotto la temperatura eutectoide per gli acciai ipoeutectoidi; la miscela è conosciuta come ferrite + perlaite al rallentamento del raffreddamento.
  • Fe]3[C + α + γ:[] Una regione trifase, ma le linee strettamente invarianti rappresentano temperature fisse.

È importante riconoscere che il diagramma mostrato nella maggior parte dei libri di testo è in realtà il diagramma di Fe-Fe[3]C, perché la cementite è una fase metastabile che si decompone a grafite dato tempo sufficiente (soprattutto in presenza di silicio). Il diagramma di grafite-iron stabile, più rilevante per i ghise grigi, ha la composizione eutet si spostato4.

Le fasi in dettaglio: Struttura, Proprietà e Occurrence

Ogni fase incontrata nel sistema Fe-C possiede caratteristiche cristalliche e meccaniche distinte che gli ingegneri sfruttano attraverso il controllo delle microstrutture.

Traghetti (α-Fe)

La sua solubilità al carbonio è trascurabile (± 0.008 wt% a temperatura ambiente, salendo allo 0,022 wt% a 727 °C). Questa bassa solubilità significa che qualsiasi carbonio in eccesso precipita come cementite o grafite, a seconda delle condizioni di raffreddamento.

Austenite (γ-Fe)

With a face-centered cubic (FCC) structure, austenite is stable only at elevated temperatures in plain carbon steels. Its FCC lattice provides larger interstitial sites, allowing carbon solubility up to 2.11 wt%. Austenite is non-magnetic and generally ductile, with a high strain-hardening rate. In heat treatment practice, austenite is the parent phase from which all final microstructures are derived. Its grain size at the time of quenching or cooling strongly influences the resulting mechanical properties: finer austenite grains lead to finer martensite laths or finer pearlite interlamellar spacing, improving both strength and toughness. Austenite can be retained at room temperature in high-carbon steels or those with significant manganese or nickel content (the basis of austenitic stainless steels and Hadfield manganese steel).

Cementite (Fe]3C

La cementite è un composto intermetallico con una struttura di cristallo ortomofobico contenente 6,67 wt% di carbonio. È estremamente duro (circa 800 HV) e fragilità, con essenzialmente nessuna duttilità. Nelle microstrutture di acciaio, il cemento appare come lamellae sottile in perlite, come reti lungo i confini di grano austenite precedenti (carbonite protetizzato in acciai ipereutectoidi), o come

Perla.

La perlattite non è una sola fase ma un prodotto di decomposizione eutectoide costituito da lamelle alternate di ferrite e cementite. Si forma quando l'austenite di composizione eutectoide (0.76-0.80 wt% C) viene raffreddata lentamente attraverso la temperatura eutectoide. La distanza tra strati cementiti adiacenti dipende dal sottoramento: il raffreddamento viene prodotto

Grafite

Il grafico a tenito è la forma stabile del carbonio nel sistema Fe-C. Ha una struttura a strati esagonali ed è molto morbido (dura dell'elemento Mohs 1–2), con eccellenti proprietà lubrificanti.

Utilizzo del diagramma per la microstruttura predetti: raffreddamento e composizione

Una delle applicazioni più potenti del diagramma di fase Fe-C è quella di prevedere i costituenti microstrutturali che si formano sotto il raffreddamento lento (condizioni di equilibrio), che è la base per la progettazione di acciai con rapporti specifici ferrite/pearlite o ghise con la morfologia grafite desiderata.

Acciaio ipoeutectoide (0.02–0.76 wt% C)

Quando un'acciaieria ipoeutectoide (ad esempio, AISI 1020 con lo 0,20% C) viene raffreddata lentamente dalla regione dell'austenite, la prima solida a forma è la ferrite proeutectoide, che nuclea ai confini del grano austenite e cresce come la temperatura scende attraverso la regione (γ + α) di due fasi.

Acciaio ipereutectoide (0.76-2,1 wt% C)

In acciai ipereutectoidi, il cemento proeutectoide precipita prima a confini di grano austenite come la lega si raffredda attraverso la (γ + Fe]3]C] regione. Alla temperatura eutectoide, il restante austenite (ora a 0,7% C) si trasforma in perla di carbonio 1,0 °C. La rete di cementite che si forma a precedenti confini di grano può essere eliminando

Ferro da stiro (2.11-6.67 wt% C)

Per la composizione delle leghe superiori al 2,1% C, la reazione eutettica regola la solidificazione. In ghise bianche, il prodotto eutettico è ledeburite (austenite + cementite), che produce un materiale duro e fragile adatto per applicazioni resistenti all'usura (ad esempio, le linee di mulino, gli ugelli di sabbiatura a scatto).

Oltre l'equilibrio: Collegare il diagramma di fase a diagrammi CCT e TTT

Il diagramma di fase Fe-C è un diagramma di equilibrio, che significa che mostra fasi che esisterebbero se il raffreddamento fosse infinitamente lento. In pratica industriale, i tassi di raffreddamento sono finiti, e le fasi non-equilibrio come martensite, bainite, e anche mantenuto austenite appaiono.

Il diagramma TTT (chiamato anche diagramma di trasformazione isotermica) mostra la cinetica di trasformazione a temperatura costante. La temperatura eutectoide (727 °C) forma la linea di riferimento orizzontale sui diagrammi TTT: sopra questa temperatura, l'austenite precipitata è stabile; appena sotto di essa, forma di perlite lentamente; a temperature inferiori, forme di bainite; e su raffreddamento rapido, le linee di inizio di trasformazione sono soppresse.

I diagrammi di CCT sono ancora più direttamente applicabili ai processi di trattamento termico come l'indurimento, la normalizzazione e la saldatura.

Applicazioni pratiche di trattamento termico

Armato con il diagramma di fase e diagrammi cinetici, gli ingegneri dei materiali progettano cicli di trattamento termico che raggiungono microstrutture specifiche.

Rivestimento completo dell'acciaio ipoeutectoide

L'acciaio è riscaldato 30-50 °C sopra A3 fino a quando si verifica l'austenitizzazione completa, poi lentamente raffreddato nel forno. Secondo il diagramma di fase, il raffreddamento lento attraverso la regione di due fasi (γ + α) e la trasformazione eutectoide produce perlete e ferrite cora.

Spheroidize Annealing di acciaio al carbonio

Per gli acciai ipereutectoidi (ad esempio, AISI 1095, 1,0 % C) e gli acciai per utensili ad alto tenore di carbonio, si utilizza un trattamento di ricottura speroide per produrre cementite globulare in una matrice ferrite. L'acciaio viene riscaldato ad una temperatura appena inferiore a A1]] (ad esempio, 700–720 fase °C) e tenuto per un ciclo

Attraverso l'Ardening e Tempering

Per massimizzare la durezza, gli acciai sono austenitizzati, quindi quenched per formare martensite. Per un acciaio eutectoide (0,76 % C), il diagramma di fase mostra che a 727 °C, austenite di quella composizione precipitante si trasforma in perlaite se raffreddato lentamente; ma con rapido quenching, la trasformazione a perlite o bainite è soppresso, e le forme di martensite a circa 250 °C (M[

Limitazioni e comuni inconcezioni

Mentre il diagramma di fase Fe-C è prezioso, ha limitazioni che i praticanti devono riconoscere:

  • Condizioni di equilibrio:[ Il diagramma assume un raffreddamento o un riscaldamento infinitamente lento. I processi reali comportano tassi finiti, quindi le fasi indicate sul diagramma non possono apparire, o le fasi metastabili (martensite, bainite) possono formarsi invece.
  • Elementi di lega di lega: Il diagramma è per puro binario Fe-C. Tutti gli acciai commerciali contengono manganese, silicio, fosforo, zolfo, e spesso cromo, nichel, molibdeno, ecc Questi elementi spostano i confini di fase (ad esempio, A]1 fase] e A[FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF]
  • Graphite vs. cementite:[] Il diagramma standard mostra Fe-Fe3[C, non stabile Fe-C. Per i ferri duttili e grigi, il diagramma di grafite deve essere utilizzato, con le sue diverse posizioni eutetiche ed eutectoidi.
  • Non sono informazioni sulla cinetica:[] Il diagramma non dice quanto si verificano le trasformazioni veloci. Ciò richiede dati TTT o CCT. Gli ingegneri spesso usano il diagramma di fase per impostare le temperature di processo e quindi utilizzare modelli cinetici per progettare i tassi di raffreddamento.

In realtà, questi valori variano con piccole quantità di elementi leganti. Per gli acciai al carbonio piana (con < 0,5 % Mn), l'eutectoide è di circa 0,8% C e 727 °C. Con 1 % Mn, il carbonio eutectoide cade a circa 0,60 % C e la temperatura è sempre di circa lo 0,8% C e il tasso di 1% è di circa 727 °C.

Conclusioni

Il diagramma di fase di ferro-carbo è molto più di un argomento di esame richiesto — è uno strumento pratico quotidiano che sostiene la progettazione e la lavorazione di materiali ferrosi.