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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
Prof. Michele Burgarelli
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO liquidus
solidus
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
Convenzionalmente le leghe del ferro si
distinguono in acciai e ghise in funzione del tenore di carbonio,
rispettivamente minore o maggiore di 2.06%
In realtà il tenore di carbonio negli acciai non supera 1.2, ed è quasi sempre compreso tra
0.03 e 0.8.
ACCIAIC <= 2.06%
GHISE2.06 % < C < 6.67 %
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
Le trasformazioni invarianti sono:
1 - Eutettica al 4,3% e 1147 °C
2 - Eutettoide allo 0,8% e 723 °C
3 – Peritettica allo 0,17% e 1493 °C
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
VALORI DI RIFERIMENTO
ACCIAIO C40
Kv = 27 J
Rm = 700 MPa
A = 15 %
HRC = 20
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IL DIAGRAMMA FERRO – CARBONIO : le strutture
Cementite terziaria
Cementite secondaria
Cementite primaria
Cementite (Fe3C): la sua composizione
corrisponde ad un tenore del 6.67% in C.
Si tratta di un composto intermetallico.
HRC = 65
Rm = 30 MPa
A = 0 %
KV = 0
- Cementite primaria dalla fase liquida
- Cementite secondaria dalla fase austenite
- Cementite terziaria dalla fase ferrite alfa
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture Ferrite α = soluzione solida interstiziale di C in ferro ccc stabile fino a 911 °C. La massima solubilità si ha a 723 °C e vale circa 0,02%, mentre a temperatura ambiente si riduce a un terzo: in pratica è ferro tecnicamente puro.
HB = 80
Rm = 300 MPa
A = 40 %
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture
Ferrite δ = soluzione solida interstiziale di C in ferro ccc stabile oltre 1392°C. La solubilità massima è in questo caso di 0.09% a 1493°C.Non differisce sostanzialmente dalla ferrite alfa
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture Austenite = soluzione solida interstiziale di C in ferro γ
L’austenite, secondo il diagramma ferro – carbonio, non è presente a temperatura ambiente.
Può essere presente a temperatura ambiente se ottenuta con rapidi raffreddamenti o con l’aggiunta di articolari elementi di alligazione
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture Austenite = soluzione solida interstiziale di C in ferro γ
L’austenite è costituita da cristalli aventi bordi rettilinei
HB = 180
Rm = 670 MPa
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture Perlite : struttura di tipo eutettoide formata da lamelle di ferrite alfa alternate a lamelle di cementite
Il campo di esistenza della perlite è sotto 723 °C
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture
Secondo il suo aspetto morfologico e in dipendenza del raffreddamento subito la perlite si distingue in lamellare o globulare (molto più rara).
Perlite
HB = 250 - 300
Rm = 800 – 1000 MPa
A = 15 %
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture
Perlite
Con opportuni trattamenti termicile lamelle possono trasformarsiin globuli(trattamento di globulizzazione)
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO : le strutture Ledeburite : struttura di tipo eutettica che si forma in corrispondenza di C
Ha struttura a lamelle o globuli
alternati di austenite e di cementite
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO SEMPLIFICATO
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
S
A
BC
D
F
E
T
t
AB : raffreddamento liquido
A
C
D
E
B
BC : solidificazione austenite
CD : raffreddamento austenite
DE : formazione dall’austenite della ferrite alfa
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
S
A
BC
D
F
E
T
t
E : l’austenite raggiunge la composizione del punto S (eutettoidica). T = 723 °C
A
C
D
E
B
E’
EE’ : trasformazione eutettoidica. Dall’austenite inizia a formarsi la perlite (aggregato di ferrite alfa e cementite)
3 fasi : austenite, ferrite e cementite (presente nella perlite)
In E’ l’austenite è scomparsa e sostituita dalla perlite.
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
S
A
BC
D
F
E
T
t
A
C
D
F
E
B
E’
E’F : raffreddamento della perlite e della ferrite alfa (con emissione dalla ferrite di cristalli di cementite)
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
S
A
B
C
D
F
E
T
t
AB : raffreddamento liquido
A
C
D
E
B
BC : solidificazione austenite
CD : raffreddamento austenite
DE : formazione dall’austenite della cementite secondaria
LEGA IPEREUTETTOIDE : 0,83% < C < 2,06%
C : liquido esaurito
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
S
A
B
C
D
F
E
T
tE : austenite di composizione S (eutettoide)
A
C
D
E
B
LEGA IPEREUTETTOIDE : 0,83% < C < 2,06%
EE’ : reazione eutettodica. L’austenite si trasforma in perlite (aggregato di ferrite alfa e cementite)3 fasi : austenite, cementite e ferrite (presente nella perlite)In E’ l’austenite è scomparsa e sostituita dalla perlite.
E’
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
S
A
B
C
D
F
E
T
tE’ : Tutta l’austenite si è trasformata in perlite. Due strutture : ferrite + perlite
A
C
D
E
B
LEGA IPEREUTETTOIDE : 0,83% < C < 2,06%
E’
F
E’F : Raffreddamento della ferrite e della perlite. Emissione della cementite terziaria dalla ferrite
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
C
A
B
C
D
E
T
t
AB : raffreddamento liquido
A
C
B
BC : solidificazione austenite
GHISA IPOEUTETTICA : 2,06% < C < 4,3%
C : liquido di composizione eutettica (punto C) e austenite di composizione data da E
E
S
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
C
A
B
C
D
E
T
t
A
C
B
CC’ : formazione dal liquido di composizione eutettica dell’eutettico (ledeburite) formata da lamelle alternate di austenite e cementite
3 fasi : liquido, austenite e cementite
In C’ tutto il liquido si sarà trasformato in ledeburite
LEGA IPOEUTETTICA : 2,06% < C < 4,3%
C’E
S
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
C
A
B
C
D
E
T
t
A
C
D
B
C’D : raffreddamento dell’austenite e della ledeburite con emissione di cementite secondaria dall’austenite (solidificata dal liquido e presente nella ledeburite)
LEGA IPOEUTETTICA : 2,06% < C < 4,3%
C’E
S
In C’ la composizione dell’austenite è data dal punto E
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
C
A
B
C
D
E
T
t
A
C
D
B
C’D : raffreddamento dell’austenite e della ledeburite con emissione di cementite secondaria dall’austenite (solidificata dal liquido e presente nella ledeburite)
LEGA IPOEUTETTICA : 2,06% < C < 4,3%
C’E
S
In D la composizione dell’austenite è data dal punto S (composizione eutettoide)
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
C
A
B
C
D
E
T
t
A
C
D
B
LEGA IPOEUTETTICA : 2,06% < C < 4,3%
C’E
S
DD’ : reazione eutettodica. L’austenite si trasforma in perlite (aggregato di ferrite alfa e cementite)3 fasi : austenite (libera e presente nella ledeburite), cementite (secondaria e presente nella ledeburite) e ferrite (presente nella perlite)
D’
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IL DIAGRAMMA FERRO - CARBONIO
C
A
B
C
D
E
T
t
A
C
D
B
LEGA IPOEUTETTICA : 2,06% < C < 4,3%
C’E
S
In D’ l’austenite è scomparsa e sostituita dalla perlite.
D’
D’E : Raffreddamento della ledeburite, cementite e della perlite. Emissione della cementite terziaria dalla ferrite. La ledeburite è detta trasformata perché formata da lamelle di cementite e di perlite
E
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IL DIAGRAMMA STRUTTURALE
QF = 79 %
VALIDO PER RAFFREDDAMENTI
MOLTO LENTI
Acciai ipoeutettoidi :
P% = 120,5 * C%
F% = 100 – P% =
= 100 – 120,5 * C%
Acciai eutettoidi :
P% = 100 %
F% = 0%
Acciai iperettoidi :
P% = -17 * C%+144
Cm% = 100 – P% =
= 17 * C% - 14
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PROPRIETA’ MECCANICHE ACCIAI IPOEUTETTOIDI RICOTTI
Acciai ipoeutettoidi Sono i più diffusi
“Ricotti” Ottenuti per raffreddamento lento
P% : percentuale perlite
F% : percentuale ferrite
HB = (1/100) * (85 * F% + 275 P%)
Rm = (1/100) * (340 * F% + 830 P%)
A% = (1/100) * (40 * F% + 12 P%)
Ricordando che :P% = 120,5 * C%
F% = 100 – 120,5 * C%
È possibile ricavare HB, Rm e A% in funzione della percentuale di carbonio
Rm = 255 + 431 C% + 216 Mn% + 108 Si% + 647 P%
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PUNTI CRITICI DEGLI ACCIAI
A1
A3
Acm
A1 : temperatura eutettoidica (723°C). Austenite perlite
A3 : temperatura alla quale Austenite ferrite alfa
Acm : temperatura alla quale Austenite cementite second.
Ac : temperature al riscaldamento
Ar : temperature al raffreddamento
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PUNTI CRITICI DEGLI ACCIAI
A1
A3Acm
Per riscaldamenti / raffreddamenti molto lenti le curve coincidono con quelle previste dal diagramma
Per riscaldamenti non lenti le curve si innalzano
Per raffreddamenti non lenti le curve si abbassano
Ac1
Ac3
Accm
Ar1
Ar3
Arcm
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DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI E DELLE STRUTTURE
- Per velocità basse Ar3 e Ar1 coincidono con A3 e A1
-All’aumentare della velocità Ar3 e Ar1 si abbassano prima velocemente
-E poi lentamente
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DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI E DELLE STRUTTURE
Vc
A’r
- Alla velocità Vc (velocità critica dell’ordine di 120 °C/s) Ar3 e Ar1 si sovrappongono e cessa la formazione di ferrite
-La curva (in verde) è indicata con A’r
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DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI E DELLE STRUTTURE
- Per velocità maggiori di Vc viene fortemente limitata la produzione di perlite a vantaggio di strutture intermedie (bainiti,perlite fine, trootsite)
Vc
A’r
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DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI E DELLE STRUTTURE
Vc
A’r
- Alla velocità Vi (velocità critica inferiore dell’ordine di 200 °C/s) compaiono le temperature Ms di inizio formazione martensite e Mf di fine formazione martensite
Ms
Mf
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DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI E DELLE STRUTTURE
Vc
A’r
- Alla temperatura A’r austenite strutture intermedie
Ms
Mf
- Alla temperatura Ms austenite rimasta martensite
- Alla temperatura Mf cessa la formazione della martensite
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DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI E DELLE STRUTTURE
Vc
A’r
Ms
Mf
- Se Mf è inferiore alla temperature ambiente austenite residua
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DIAGRAMMA DI VARIAZIONE DEI PUNTI CRITICI E DELLE STRUTTURE
Vc
A’r
Ms
Mf
- Alla velocità Vs (velocità critica superiore dell’ordine di 450 °C/s) avviene solo la trasformazione dell’austenite in martensite
- Per velocità molto elevate non tutta l’austenite riuscirà a trasformarsi in martensite e quindi si avrà austenite residua
- Il DT = Ms – Mf è tipico di ogni acciaio
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LA MARTENSITE
Soluzione interstiziale soprassatura di di carbonio nel ferro
Gli atomi di carbonio rimangono intrappolati nelle celle del ferro
La trasformazione si ha con un aumento di volume
Struttura molto dura (HV > 600) e fragile
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LA MARTENSITE
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BAINITE
BAINITE SUPERIORE
- Si presenta come una massa confusa e nerastra
-Ha struttura non aciculare
- è meno dura della bainite inferiore
- presenta aspetti sfavorevoli relativamente a resilienza, strizione e limite di elasticità
- si lavora male alle macchine utensili
È ferrite contenente particelle i cementite
La bainite superiore si forma a temperature più elevate rispetto alla bainite inferiore e mediante trasformazione anisotermica (raffreddamento continuo)
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BAINITE
BAINITE INFERIORE
-Si presenta secondo una struttura aciculare
- è più resistente e resiliente della bainite superiore
- si lavora male alle macchine utensili
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CURVE DI BAIN
CURVA DI BAIN PER TRASFORMAZIONI ISOTERMICHE (CURVE TTT)
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CURVE DI BAIN
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CURVE DI BAIN
A -> M
A -> B
M (+A)
A
A -> F
CURVA DI BAIN PER RAFFREDDAMENTO CONTINUO (CURVE TRC O CCT)
T
log t
Ac1
Ac3
F + A -> P
F + P
La forma del diagramma dipende dall’acciaio
In questi diagrammi si hanno delle zone in cui le fasi risultano stabili, delle aree in cui sono metastabili ed, infine, delle porzioni dello spazio in cui si hanno le trasformazioni microstrutturali.
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CURVE DI BAIN
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I TRATTAMENTI TERMICI
La velocità di raffreddamento è data dalla pendenza delle rette (derivata prima = coefficiente angolare)
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CURVE DI BAIN
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CURVE DI BAIN
A -> M
A -> B
M (+A)
A
A -> F
Le velocità critiche
T
log t
Ac1
Ac3
F + A -> P
F + P
Velocità critica superiore
Velocità critica inferiore
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VELOCITA’ CRITICHE
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RICOTTURA
-Addolcimento del materiale.La durezza dell'acciaio si abbassa.
-migliora l'omogeneità
-aumenta la lavorabilità
-elimina le tensioni interne
- elimina gli effetti della saldatura, della deformazione plastica, di un trattamento termico.
EFFETTI
Un acciaio può presentare all’interno della sua struttura disomogeneità di varia natura ed origine:• Segregazioni (macro e micro) ottenute al termine della solidificazione;• Incrudimento per deformazione a freddo;• Sforzi residui per saldature etc...
I trattamenti di ricottura permettono all’acciaio di avvicinarsi ad uno stato diequilibrio termodinamico, eliminando, almeno in parte, le suddette disomogeneità
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RICOTTURA COMPLETA
T
t
Ac1
Ac3
A -> M
A -> B
M (+A)
A
A -> F
log t
Ac1
Ac3
F + A -> P
F + P
1 – 2 ) Lento riscaldamento a una temperatura di 20 – 50 °C sopra Ac3 (completa austenitizzazione)
Il riscaldamento avviene in modo lento per fare in modo non ci siano differenze di temperatura tra esterno ed interno del pezzo (assenza tensioni residue)
1
2
T
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RICOTTURA COMPLETA
T
t
Ac1
Ac3
A -> M
A -> B
M (+A)
A
A -> F
log t
Ac1
Ac3
F + A -> P
F + P
1
2 3
2 – 3 ) permanenza alla temperatura di austenitizzazione (circa una ora ogni 30 – 50 mm di spessore)Il tempo di permanenza dipende da : forma e dimensioni del pezzo, conducibilità termica del materiale da trattare, capacità termica del forno, presenza di elementi o costituenti di lega che ritardino o rendano più complessi i fenomeni di diffusione, tendenza all'ingrossamento del grano
T
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RICOTTURA COMPLETAT
t
Ac1
Ac3
A -> M
A -> B
M (+A)
A
A -> F
log t
Ac1
Ac3
F + A -> P
F + P
1
2 3
3 – 4 ) Raffreddamento lentoRaffreddamento 30-100 °C/h per acciai legati, 150-200 °C/h per acciai al CSotto i 500 °C, raffreddamento in aria
4
4
3
F + P
T
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RICOTTURA COMPLETA
T
t
Ac1
Ac3
A -> M
A -> B
M (+A)
A
A -> F
log t
Ac1
Ac3
F + A -> P
F + P