L'effetto delle variazioni di temperatura sulla stabilità di fase nelle lega di ferro-carbonio

Fasi in lega di ferro-carbo: una panoramica dettagliata

Il comportamento meccanico e la durata di servizio delle leghe ferro-carbonio (acciaio e ghise) sono dettati dalla miscela di fasi cristalline presenti nella loro microstruttura. I cambiamenti di temperatura, sia durante la lavorazione che in servizio, alterano direttamente quali fasi sono stabili e come si trasformano.

• Ferrite (α-Fe)[[] – Una fase cubica (BCC) a temperatura corporea morbida e duttile. Ferrite dissolve pochissimo carbonio (max ~0.022 wt% a 727°C) ed è la fase primaria in acciai a basso tenore di carbonio. La sua struttura BCC dà una buona tenacità ma una minore resistenza rispetto ad altre fasi.
• Austenite (γ-Fe)[ – Una fase cubica (FCC) a temperatura controllata con una solubilità del carbonio molto più elevata (fino a 2.14 wt% a 1148°C). L'austenite è stabile sopra i 727°C (per gli acciai ipoeutectoidi) e consente la formazione a caldo e il trattamento termico a causa della sua duttilità e capacità di sciogliere il carbonio.
• Cementite (Fe3C)[] – Un composto intermetallico con struttura in cristallo ortomofobico. È estremamente duro e fragile, contenente carbonio 6.67 wt%. Cementite appare come una fase separata in perlite e come rete in acciai ipereutectoidi, contribuendo ad alta resistenza ma riducendo la duttilità.
• Pearlite[[] – Una struttura lamellare eutectoide composta da strati alternanti di ferrite e cementite. Si forma quando l'austenite di composizione eutectoide (0.76 wt% C) viene raffreddata lentamente attraverso 727°C. L'interlamellare che spazia controlla le proprietà meccaniche: la spaziatura più fine aumenta la forza (effetto tipo Hall-Petch).
• Bainite[ – Una microstruttura acicolare (come l'erba) formata a velocità di raffreddamento intermedie, costituita da piastre di ferrite e particelle di cementite fini. Bainite offre una buona combinazione di forza e tenacità.
• Martensite[ – Una soluzione solida non-equilibrio, supersaturi di carbonio in reticolo BCT (tetragonale a centraggio corpo), formato da un rapido raffreddamento (intaglio) di austenite. La martensite è molto dura e fragile; la sua durezza aumenta con il contenuto di carbonio.

Ciascuna di queste fasi ha una gamma di stabilità distinta rispetto alla temperatura e alla composizione, come riassunto nel diagramma di fase ferro-carbonio.

Il diagramma di fase di ferro-carbo: mappa della temperatura-composizione

Il diagramma di fase di equilibrio per Fe-C (fino a 6,67 wt% C) è la base per la comprensione degli effetti della temperatura.

• Punto di eutectoide[[ (0.76 wt% C, 727°C): Austenite (γ) si decompone in una miscela di ferrite (α) e cementite (Fe3C) – cioè, perlite.
• Punto eutettico[ (4.30 wt% C, 1148°C): Il liquido si trasforma in una miscela di austenite e cementite (ledeburite) in ghise.
• Punto periettico[ (0.17 wt% C, 1493°C): Il liquido reagisce con δ-ferrite per formare l'austenite.

Il raffreddamento, le trasformazioni di fase sono guidate da questi confini di equilibrio, ma in pratica il tasso di raffreddamento può causare deviazioni (trasformazioni non-equilibrio) che producono bainite o martensite.

Gamma di temperatura per stabilità di fase

Sopra i 912°C (per ferro puro; leggermente inferiore per acciai)

A queste temperature, l'austenite è la fase stabile per la maggior parte dei contenuti in carbonio al di sotto del 2,14 wt%. Questa è la gamma per i trattamenti di lavorazione a caldo (laminazione, forgiatura) e omogeneizzazione. La lattice FCC di austenite permette una diffusione ad alto carbonio, essenziale per la carburazione e altri trattamenti superficiali.

Tra 727°C e 912°C (regione ipoeutectoide)

In acciai a basso tenore di carbonio, le fasi stabili sono ferrite e austenite in una regione a due fasi. Come calo di temperatura, la ferrite inizia a formare a confini di grano di austenite. La proporzione di ferrite aumenta fino alla temperatura eutectoide.

Sotto 727°C

A temperature sotto l'eutectoide, la microstruttura di equilibrio per acciai al carbonio normale è costituita da ferrite e cementite (pearlite in composizione eutectoide). Tuttavia, se il raffreddamento è rapido, l'austenite può trasformarsi in fasi non-equilibrio come la bainite (tra ~550°C e la signora) o la martensite (sotto la temperatura della signora).

Trasformazioni di fase durante il riscaldamento e il raffreddamento

Riscaldamento: Austenitizzazione e crescita del grano

Quando un acciaio viene riscaldato sopra la temperatura A3 (per ipoeutectoide) o A1 (per eutectoide), la ferrite e la cementite esistente si trasformano in austenite. Questo processo richiede la diffusione del carbonio e tipicamente si verifica su una gamma di temperature (20–40°C sopra la linea critica).

Raffreddamento: Microstruttura di controllo

Il percorso di raffreddamento determina la miscela di fase finale. I tre principali prodotti di trasformazione sull'austenite di raffreddamento sono:

1. Pearlite[[] – Formato da raffreddamento lento (raffrescamento di anace, normalizzazione) a temperature prossime a 700°C. Il processo è basato sulla diffusione: partizione di atomi di carbonio in strati di cementite. La spaziatura interlamellare è inversamente legata al sottoraffreddamento; il raffreddamento veloce dà la perlite più fine e la durezza più alta (ad esempio, in filo brevettato).
2. Bainite[] – Formata a tassi di raffreddamento intermedi (ad esempio, in quenching isotermico a 450–550°C). Bainite cresce di un meccanismo di taglio senza diffusione seguito da un rifiuto del carbonio. La bainite inferiore (formata a temperature inferiori) ha carburi fini e una maggiore resistenza.
3. Martensite[] – Formata quando il tasso di raffreddamento supera il tasso di raffreddamento critico, bypassando il naso della curva C. La trasformazione è atermica e senza diffusione; le cesoie di reticolo austenite per formare una struttura tetragonale. La temperatura di inizio in martensita (Ms) dipende dal contenuto di carbonio.

Il classico diagramma Time-Temperature-Transformation (TTT) visualizza questi regimi, scegliendo una curva di raffreddamento, i metallurgisti possono mirare alle microstrutture desiderate.

Effetto di legare gli elementi sulla stabilità della temperatura

Gli acciai pratici contengono manganese, cromo, nichel, molibdeno, ecc., che spostano i confini di fase e la cinetica di trasformazione.

• Nickel e manganese espandere il campo austenite (bassa temperatura A3 e diminuire il contenuto di carbonio eutectoide).
• Cromo, vanadio e molibdeno stabilizzano il ferrite e promuovono la formazione di carburi di lega, aumentando la temperatura eutectoide.
• L'allenamento di elementi generalmente rallenta la diffusione, spostando le curve TTT a tempi più lunghi e rendendo più facile la formazione di martensite (cioè, aumentano l'induribilità).

La comprensione di questi turni è fondamentale per la scelta delle temperature di trattamento termico. Ad esempio, un acciaio standard 4340 (Ni-Cr-Mo) richiede temperature di austenitizzazione superiori (840–870°C) rispetto alla pianura 1045 (780–820°C).

Applicazioni pratiche di trattamento termico

Annealing

L'affinamento comporta il riscaldamento della gamma austenite (o sopra A1) e il raffreddamento lentamente (raffrescamento di anace). Questo ammorbidisce l'acciaio, allevia le sollecitazioni interne e produce una microstruttura perlaita grossolana. L'impastatura completa (sopra A3) perfeziona la struttura del grano; spheroidizzare l'impastatura (solo sotto A1) forma cementite globulare per la massima macchinabilità.

Normalizzazione

Il riscaldamento per l'austenite e il raffreddamento dell'aria produce una microstruttura perlaita uniforme e fine. Normalizzazione migliora l'omogeneità e le proprietà meccaniche rispetto alle condizioni di fusione o di laminazione.

Acconciatura e Tempera

Il rinfresco (raffrescamento terapeutico in acqua, olio o aria) dall'austenite produce martensite. L'acciaio risultante è molto duro ma fragile e stressato. Il tempramento comporta il riscaldamento ad una temperatura inferiore a A1 (tipicamente 150–650°C) per consentire la precipitazione del carbonio come carburi fini, riducendo la durezza e aumentando la durezza.

Trattamenti di calore isotermico

L'ammortizzatore (in attesa di un bagno a temperatura di formazione bainite) produce microstrutture bainitiche con un'eccellente tenacità. Il marmpering (in attesa di appena sopra la signora, quindi il raffreddamento lento) riduce la distorsione e la fessura rispetto al quenching diretto. Entrambi i processi sfruttano la cinetica di trasformazione dipendente dalla temperatura.

Conclusioni

Grazie alla comprensione del diagramma di fase e della cinetica di trasformazione, gli ingegneri possono progettare cicli di trattamento termico che producono microstrutture su misura per specifiche esigenze di resistenza, durezza e tenacità.

Per riferimenti autorevoli, il volume ASM Handbook 4: Heat Treating e la voce del diagramma di fase Iron-Carbon su Wikipedia forniscono dettagli completi. Inoltre, il database MatWeb offre dati di proprietà meccanica per vari acciai trattati a caldo.