La capacità di adattare le proprietà meccaniche come resistenza, durezza, resistenza e duttilità dipende da una profonda comprensione di come l'acciaio si trasforma durante il raffreddamento e il trattamento termico. Al centro di questa masterizzazione si trova il diagramma di ferro-carbonio, un diagramma di fase che mappa le fasi di equilibrio presenti a diverse temperature e concentrazioni di carbonio.

Il diagramma di fase di ferro-carbo: uno strumento di base

Il diagramma di fase in ferro-carbonio (Fe-C) è una pietra angolare della metallurgia fisica. Mostra le fasi stabili che coesiste in leghe di ferro-carbonio in condizioni di equilibrio come funzione di temperatura e di contenuto di carbonio. Mentre la lavorazione del mondo reale spesso devia dall'equilibrio, il diagramma fornisce una linea di base per la comprensione delle trasformazioni di fase e guida il design del trattamento termico.

Fasi nel sistema

Quattro fasi primarie appaiono nel sistema ferro-carbonio:

  • Ferrite (α-iron):[] Una fase cubica (BCC) con solubilità a basso carbonio (maximum ~0.02 wt% a 727°C). Ferrite è morbida e duttile, con resistenza moderata.
  • Austenite (γ-iron):[] Una fase cubica (FCC) a concentrazione facciale che può dissolversi fino a 2,14 wt% di carbonio a 1147°C. L'austenite è non magnetica e dura, ed è la fase genitore per la maggior parte dei trattamenti termici.
  • Cementite (Fe3C):[] Un composto intermetallico con struttura in cristallo ortofombico e carbonio esattamente 6.67 wt%. È estremamente duro e fragile, contribuendo resistenza e resistenza all'usura quando distribuito come lamella o particelle sottili.
  • Fase di liquido:[ Lega di ferro-carbonio Molten, esistente sopra la temperatura liquida.

La grafite può anche formarsi in ghise (carbonio >2%), ma in acciai il carburo stabile è cementite; il diagramma metastale Fe-Fe3C è utilizzato per scopi ingegneristici perché la cementite forma più veloce della grafite nelle trasformazioni a stato solido.

Composizioni e temperature critiche

Diversi punti invarianti sul diagramma sono essenziali per la comprensione della trasformazione dell'acciaio:

  • Punto di eutectoide:[ A 0.76 wt% carbonio e 727°C. Al rallentamento dell'austenite, l'austenite di questa composizione si decompone in una miscela lamellare di ferrite e cementite chiamata perlite.
  • Punto eutettico:[ A 4,3 wt% carbonio e 1147°C. Il liquido si solidifica a una miscela di austenite e cementite (ledeburite).Questo punto è rilevante per i ghise, non gli acciai tipici.
  • Punto perimetrale:[ A 0,16 wt% carbonio e 1495°C. A questa temperatura, liquido e delta-ferrite reagiscono per formare austenite.
  • Linee solvus:[ I confini α/(α+γ) e γ/(γ+α) definiscono il limite di solubilità dipendente dalla temperatura per il carbonio in ferrite e austenite.

Comprendere le Regioni di Fase

Il diagramma si divide in regioni in cui una o due fasi sono stabili. Per gli acciai ipoeutectoidi (carbon < 0,76%), la regione sotto la temperatura A1 (727°C) è una miscela di ferrite e cementite (pearlite), con ferrite proeutectoide che forma prima su raffreddamento lento.

Evoluzione microstrutturale durante il raffreddamento

Il percorso che una lega di acciaio porta dal lavoro a caldo o dal trattamento termico attraverso il raffreddamento determina la sua microstruttura finale. Il controllo del tasso di raffreddamento, possiamo allontanare la trasformazione dall'equilibrio per produrre diverse fasi e morfologie. Il diagramma di ferro-carbonio indica quali fasi sono possibili, ma la cinetica della trasformazione - catturata in tempi-temperatura-trasformazione (TTT) e la trasformazione continua di raffreddamento (CCT) diagrammi - regola che cosa forma.

Acciaio ipoeutectoide (Ferrite + Pearlite)

Gli acciai con meno di 0,76% di carbonio, come 1018 (0.18% C) o 1045 (0,45% C), sono ipoeutectoidi. Durante il raffreddamento lento dalla regione austenite, i nuclei di ferrite proeutectoide a confini di grano austenite e cresce fino a quando la temperatura raggiunge 727°C. A quel punto, il restante austenite (ora a composizione eutectoide) si trasforma in perlatteri.

Acciaio di Eutectoid (Pearlite)

L’acciaio al carbonio dello 0,76%, come il 1080, è completamente eutectoide. Quando viene raffreddato lentamente dall’austenite, si trasforma interamente in perlato a 727°C. Pearlite è costituito da lamelle alternanti di ferrite e cementite; la spaziatura interlamellare dipende dal tasso di raffreddamento, il raffreddamento più veloce dà una spaziatura più fine, che aumenta la durezza e la resistenza (dal rapporto classico di Hall-Petch).

Acciaio ipereutectoide (Pearlite + Cementite)

Gli acciai con tenore di carbonio superiore allo 0,76%, come il 1095 (0,95% C), sono ipereutectoidi. Al rallentamento del raffreddamento da austenite, i cementiti proeutectoidi precipitano a limiti di grano come piastre o reti. A 727°C, il restante austenite si trasforma in perlaite. La cementizia a granaio è molto dura ma fragile; se forma una rete continua, l'acciaio può diventare suscettibile di rottura di sfasamento.

Raffreddamento non-equilibrio: Martensite e Bainite

Quando il raffreddamento è troppo rapido per gli atomi di carbonio per diffondere, l'austenite si trasforma in martensite, una soluzione solida supersaturi per il tetragonal (BCT) in ferro. Questa trasformazione senza diffusione, di tipo a taglio si verifica al Ms] (inizio di massa) temperatura, che diminuisce con il contenuto di carbonio in aumento.

Fondamenti di trattamento termico

Il trattamento termico è il riscaldamento e il raffreddamento controllato dell'acciaio per alterarne la microstruttura e le proprietà. Il diagramma di ferro-carbonio guida la selezione delle temperature per ogni fase. Ogni trattamento termico inizia con austenitizing[]] – riscaldando completamente l'acciaio nel campo di fase austenite (di solito 30–50°C sopra la linea A3 o Acm, a seconda del contenuto di carbonio) per sciogliere i carburi e o o o o o o o omogeno.

Formazione di quenching e martensite

Il raffreddamento comporta un rapido raffreddamento dalla temperatura austenitizing in un mezzo come acqua, olio o soluzione polimerica. L'obiettivo è quello di bypassare le regioni di trasformazione perlaite e bainite e raggiungere la martensite. Il tasso di raffreddamento deve superare il tasso di raffreddamento critico per quell'acciaio. Il contenuto di carbonio influisce fortemente sulla durezza, il carbonio più alto abbassa la signora e rende il martensite più difficile ma anche più probabile per risolvere il cracking.

Tempera per la durezza

La tempra riscalda l'acciaio ad una temperatura inferiore alla linea A1 (tipicamente 150–650°C) e lo tiene per consentire al carbonio di precipitare come carburi fini e per alleviare gli stress residui. Il diagramma di ferro-carbonio indica il limite di temperatura superiore (A1) per evitare riaustenimenti.

Annealing e Normalizzazione

L'affinamento comporta il riscaldamento dell'acciaio nella regione dell'austenite (o appena sopra l'A1 per ricottura completa) seguito da un raffreddamento lento (ad esempio, raffreddamento della temperatura del forno) che produce una struttura perlaita grossolana per la massima morbidezza e lavorabilità.

Austempering e Martempering

L'asta è un trattamento termico isotermico in cui l'acciaio viene infilato ad una temperatura tra la signora e la temperatura di avvio bainite (B), tenuta fino a quando la trasformazione per bainite è completa, e poi raffreddata ad aria. La microstruttura bainitica risultante offre elevata tenacità con meno distorsione rispetto al normale spegnimento.

Microstrutture per applicazioni specifiche della lega di progettazione

Combinando la conoscenza del diagramma ferro-carbonio con trattamento termico controllato, gli ingegneri possono progettare acciai con microstrutture ottimizzate per specifiche esigenze di prestazione.

Acciaio ad alta resistenza

Per i componenti strutturali che richiedono un elevato rapporto resistenza-peso, gli acciai con contenuto di carbonio intorno allo 0,3-0,5% sono temprati e temprati per produrre martensite temperato. La fine dispersione dei carburi in una matrice ferrite fornisce punti di forza di rendimento superiori a 1000 MPa.

Acciaio resistente all'usura

Gli acciai per utensili e le piastre per l'usura hanno spesso il contenuto di carbonio da 0,8% a 1,2% (ipereutectoide o vicino-eutectoide). Il trattamento termico include il quenching a martensite completo seguito da tempra a bassa temperatura per mantenere alta durezza. La presenza di carburi proeutectoidi nelle composizioni ipereutectoidi aggiunge resistenza all'usura.

Acciaio duttile per la formatura

I componenti a basso profilo o timbrati richiedono acciaio al carbonio (±0,15%) con elevata duttilità. L'affinamento produce grani di ferrite grossolani con alcune particelle di cementite sferoidale (spheroidize annealing), che minimizza l'indurimento durante la formazione. Il diagramma di ferro-carbonio aiuta a selezionare la temperatura di ricottura (solo sopra A1 per la sferoizzazione) per ottenere la corassività microstruttura desiderata.

Limitazioni e estensioni del diagramma di ferro-carbonio

Mentre il diagramma ferro-carbonio è uno strumento essenziale di insegnamento e di riferimento, assume condizioni di equilibrio, molto lento raffreddamento che permette la diffusione completa. In pratica, la maggior parte dei trattamenti termici industriali si verificano in condizioni non-equilibrio, portando a fasi e microstrutture che non sono mostrate sul diagramma di base. Inoltre, la maggior parte degli acciai ingegneristici contengono elementi leganti che alterano i confini di fase e la cinetica di reazione.

Effetti degli elementi di legazione aggiuntiva

Elementi come il manganese, il silicio, il cromo, il nichel, il molibdeno e il vanadio spostano la temperatura e la composizione dell'eutectoide. Ad esempio, il cromo aumenta la temperatura A1 e sposta la composizione eutectoide a contenuti di carbonio più bassi.

Diagrammi di fase non-equilibrio

Per progettare microstrutture controllate in condizioni di raffreddamento reali, i metallurgisti si affidano ai diagrammi di geometria di trasformazione (TTT) a temperatura-temporale e ai diagrammi di trasformazione continua (CCT) che sovrappongono i confini di fase del diagramma di ferro-carbonio con curve di trasformazione cinetica per per perlite, bainite e martensite.

Conclusioni

Il diagramma di fase ferro-carbonio è un riferimento indispensabile per qualsiasi metallurgista o ingegnere dei materiali coinvolti nella progettazione di leghe d'acciaio con microstrutture controllate. Fornisce la roadmap di equilibrio per le fasi che possono formare ad un dato contenuto di carbonio e temperatura, formando la base per la selezione del processo di trattamento termico. Combinando questa conoscenza con una comprensione della cinetica di trasformazione e l'influenza di elementi leganti, gli ingegneri possono adattare precisamente la microstruttura-e quindi le proprietà meccaniche di avanzata-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-di-

Per ulteriori informazioni sul diagramma ferro-carbonio e la sua applicazione nel trattamento termico, consultare risorse come il [FLT:]]]ASM Heat Treating Society[, il ]]]Wikipedia articolo sulla fase ferro-carbonio