Diagramma di fase Fe – C

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M t ll i
Metallurgia
Diagramma di fase Fe - C
Prof. Francesco Iacoviello
Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25
Orario
i di ricevimento:
i i
Mercoledì
l d 14.00-16.00
Tel.-fax 07762993681
E mail: [email protected]
E-mail:
iacoviello@unicas it
Sito didattico: http://webuser.unicas.it/iacoviello
Francesco Iacoviello
Università di Cassino
Il Ferro ppuro
Densità ρ (20°C): 7870 kg/m3
Rm = 180-290 MPa
Re = 100-170 MPa
A% = 40-50%
Z = 80-95%
80 95%
HB = 45-55
E = 210 GPa
Oltre alla fusione, il ferro puro
presenta due trasformazioni di
fase allo stato solido;
le temperature corrispondenti
vengono indicate con A3 ed A4
(nelle condizioni di equilibrio).
equilibrio)
Temperatura
Tf (1538°C)
Feδ (CCC) ⇔ liquido
A4 (1394°C)
Feγ (CFC) ⇔ Feδ (CCC)
A3 (912°C)
Feα (CCC) ⇔ Feγ (CFC)
770°C
Influenza degli elementi di lega
Il Fe forma delle leghe con un elevato numero di elementi.
elementi La messa
in soluzione di elementi di lega nel Fe comporta lo spostamento dei
ppunti A3 ed A4.
• Si definiscono alfageni quegli elementi che stabilizzano la fase
CCC, aumentando la temperatura del punto A3 e diminuendo quella
del punto A4.
• Si definiscono gammageni quegli elementi che stabilizzano la fase
CFC diminuendo la temperatura del punto A3 ed aumentando quella
CFC,
del punto A4.
DIAGRAMMA Fe-C
Il sistema stabile si riferisce al diagramma Fe-C (linee tratteggiate) e
ppermetterà di analizzare i p
processi di solidificazione e raffreddamento delle
ghise grigie (o grafitiche)
DIAGRAMMA Fe-C
Il sistema metastabile si riferisce al diagramma Fe-Fe3C (linee continue) e
ppermetterà di analizzare i p
processi di solidificazione e raffreddamento degli
g
acciai e delle ghise bianche (o cementitiche)
Le leghe binarie Fe-C
Fe C presentano le fasi seguenti:
• Ferrite α: soluzione solida interstiziale di C nel ferro α
(solubilità max pari a 0.02%
0 02% a 727
727°C);
C); il reticolo è CCC;
• Ferrite δ: soluzione solida interstiziale di C nel ferro δ (solubilità
max pari a 0.1%
0 1% a 1487
1487°C);
C); il reticolo è CCC;
• Austenite γ: soluzione solida interstiziale di C nel ferro γ; il
reticolo è CFC;
• Cementite (Fe3C): la sua composizione corrisponde ad un tenore
del 6.67%
6 67% in C.
C Si tratta di un composto interstiziale,
interstiziale metastabile
che tende a decomporsi in ferrite (oppure austenite) e grafite
secondo la reazione
Fe3C → 3Fe + Cgr
• Carbonio puro (grafite) Cgr: la solubilità del Fe nel Cgr è nulla
Il sistema binario Fe-C
Fe C può
p ò subire
s bire due
d e tipi differenti di evoluzione,
e ol ione in
funzione della fase ricca in C che si forma (cementite oppure Cgr).
I due tipi di evoluzione non
avvengono mai simultaneamente.
I due diagrammi sono caratterizzati da:
• una trasformazione eutettica
Diagramma metastabile
l(4.3%C) ⇔ Fe3C + γ (2.11%C)
1148°C ledeburite
Diagramma stabile
l(4.25%C) ⇔ Cgr + γ (2.03%C)
1153°C
Fe C può
p ò subire
s bire due
e ol ione in
• una trasformazione eutettoidica
Diagramma metastabile
γ (077%
.
C) ⇔ F
Fe3C + α(002%
.
C)
727°C
Diagramma stabile
perlite
γ (0.69%C) ⇔ Cgr + α(0.02%C)
738°C
Fe C può
p ò subire
s bire due
e ol ione in
• una trasformazione peritettica
l (0.51 %C ) +δ (0.1% C ) ⇔ γ (0.16 %C )
1487 ° C
Punti critici
A1
A3
A4
Acm
: T equilibrio austenite ⇔ perlite
: T equilibrio austenite ⇔ ferrite α
: T equilibrio
ilib i austenite
i ⇔ ferrite
f i δ
: T equilibrio austenite ⇔ cementite
Punti critici
A1
A3
A4
Acm
: T equilibrio
ilib i austenite
i ⇔ ferrite
f i δ
Punti critici
A1
A3
A4
Acm
: T equilibrio
ilib i austenite
i ⇔ ferrite
f i δ
Punti critici
A1
A3
A4
Acm
: T equilibrio
ilib i austenite
i ⇔ ferrite
f i δ
Punti critici
Per ognuno di questi punti critici si possono
distinguere:
Ae
: T di equilibrio della trasformazione
Ac
: T alla quale la trasformazione
avviene mediante riscaldamento
Ar
: T alla quale la trasformazione
avviene mediante raffreddamento
La differenza fra la Ac ed Ar è dovuta
alla cinetica di reazione delle nuove
fasi ed a quella di diffusione del C.
Solitamente Ac ≅ Ae
Diminuzione
Di
i i
di Ar1 all’aumentare
ll’
t
della velocità di raffreddamento
Influenza degli elementi
di llega sull’eutettoide
ll’
id
Spesso si farà riferimento,
riferimento sia per il diagramma stabile che per
quello metastabile, ad una forma semplificata del diagramma di
fase
ase in cu
cui::
• Si considera nulla la solubilità del C all’interno del reticolo CCC
del ferro α;
• Si trascura l’esistenza della reazione peritettica;
La presenza dell’eutettico individua convenzionalmente due diversi materiali
ferrosi: gli acciai e le ghise.
ghise I primi hanno un
n tenore di carbonio inferiore alla
massima solubilità nell’austenite, le seconde formano, durante la solidificazione,
una fase grafitica o cementitica. Nel caso di leghe binarie il confine convenzionale
tra i due
d materiali
i li è individuato
i di id
d l tenore di 2,11%C.
dal
2 11%C
ACCIAI
GHISE
iperreuttetto
oidici
eu
uttettoidiici
ipoeeuttettoid
dici
Gli acciai p
possono essere suddivisi in ipoeutettoidici,
p
eutettoidici o
ipereutettoidici, in base al tenore di carbonio, nel caso in cui esso sia
rispettivamente inferiore, uguale o superiore al tenore dell’eutettoide (che nel
caso di leghe binarie Fe
Fe-C
C e pari allo 0,77%C).
Per q
quanto riguarda
g
le g
ghise p
possono essere distinte in ipoeutettiche,
p
eutettiche o ipereutettiche, in base al tenore del carbonio rispettivamente
inferiore, uguale o superiore all’eutettico (nelle leghe binare Fe-C è pari allo
4,3%).
Solidificazione di leghe binarie Fe-C
secondo il diagramma metastabile
Solidificazione di leghe binarie Fe-C
secondo il diagramma stabile
Raffreddamento acciaio eutettoidico
Temp
peratura ((°C)
Nella micrografia,
g
, le zone scure
sono le lamelle di cementite
(Fe3C), mentre la fase chiara è la
ferrite α
Bordo grano austenite
Eutettoide
Perlite
Cementite
(Fe3C)
Direzione di
crescita della
perlite
Diffusione del C
(%C)
Raffreddamento acciaio ipoeutettoidico
Tempeeratura (°°C)
Perlite
α eutettoide
α proeutettoide
( )
(%C)
Raffreddamento acciaio ipoeutettoidico
La perlite è un aggregato eutettoidico ottenuto mediante la
trasformazione isotermica dell’austenite .
Presenta l’11% in p
peso di cementite Fe3C e l’89% in p
peso
di ferrite α.
L’aggregato è generalmente lamellare.
La cementite è la fase nucleante.
nucleante
Un parametro importante è la distanza interlamellare Δ
Applicazione della regola della leva per la determinazione della
percentuale di perlite in una lega binaria Fe-C ipoeutettoidica
Raffreddamento acciaio ipereutettoidico
Tempeeratura (°°C)
Perlite
Fe3C
proeutettoide
Fe3C eutettoide
( )
(%C)
Raffreddamento acciai: influenza tenore di C su microstruttura
Ipoeutettoidico eutettoidico ipereutettoidico
Raffreddamento acciai: influenza tenore di C su microstruttura
Acciai ferrito-perlitici:
p
microstruttura e pproprietà
p
meccaniche
Le proprietà meccaniche e tecnologiche di questo tipo di acciai dipendono da:
• Frazioni in peso e ripartizione di ogni fase
• Parametri
P
t i microstrutturali
i
t tt li come grandezza
d
d l grano, distanza
del
di t
i t l
interlamellare
ll
della perlite…
Influenza del tenore di C
Influenza della dimensione del grano ferritico d
Acciai ferrito-perlitici:
p
microstruttura e pproprietà
p
meccaniche
Influenza degli elementi di lega
• Modifica delle reazioni,, delle temperature
p
e dei tenori corrispondenti
p
alle
temperature eutettiche ed eutettoidiche;
• Modifica dell’estensione dei domini di esistenza delle soluzioni solide (effetto
gammageno ed alfageno)
Ad esempio (per %C<0,6):
Ac1(°C) = 727 + 10,7(%Mn) - 16,9 (%Ni) + 29,1 (%Si) + 16,9 (%Cr) + 6,38 (%W)
+ 290 (%As)
R e = R e 0 + ∑ β i (%X i ) + k d −1/ 2
i
Rm(MPa)=265+(480+1,95(%Mn))(%C)+20,6(%Mn)+(0,17+0,008(C))(%Mn)+700
(%P) + 235(%Si) + k
ove k dipende dalle dimensioni del provino di trazione e va da -20 a +20 MPa.

Diagramma di fase Fe – C

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