Introduzione ai trattamenti termici

Punti criticiCurve TTT e CCT

G.M. La Vecchia – Università di BresciaDipartimento di Ingegneria Meccanica

Utilizzo del diagramma di stato

Il diagramma di stato è rigorosamente applicabile solo a condizione che il raffreddamento della lega sia sufficientemente lento (successivi stati di equilibrio)

Bisogna integrare le conoscenze acquisite con quelle relative all’influenza della velocità di raffreddamento/riscaldamento sulle trasformazioni indicate sul diagramma di stato (effetto della cinetica)

I trattamenti termici sono operazioni termiche alle quali vengono sottoposti i metalli o le leghe metalliche allo stato solido, allo scopo di ottenere una determinata struttura e determinate proprietà finali

Effetti collaterali: cambiamento delle condizioni geometriche (distorsioni) e superficiali (ossidazioni, decarburazioni), e dello stato delle tensioni interne dei pezzi (cricche)

1. Fase di riscaldo 2. Fase di mantenimento 3. Fase di raffreddamento

T

t

1

2

3

I PUNTI CRITICI:Il ferro puro

% C

Tem

pera

tura

, °C

Fe γ

Fe α

Fe δ

Fe3C

liquido

A4

A3

Tf

% C

Tem

pera

tura

, °C

Fe γ

Fe α

Fe δ

Fe3C

liquido

A3A1

X

I PUNTI CRITICI:Gli acciai ipoeutettoidici

A1:temperatura dell’equilibrio austenite ⇔ perlite

A3: temperatura d’equilibrio austenite ⇔ ferrite

Acm: temperatura d’equilibrio austenite ⇔cementite

Per gli acciai ipereutettoidici, al di sopra della quale è stabile solo l’austenite

% C Fe3C

Tem

pera

tura

, °C Fe γ

Fe α

Fe δ liquido

Aecm

Influenza della velocità di raffreddamento sui punti critici

Ar3

Ar1

120

Si forma perlite e ferrite contemporaneamente

ferrite

PerlitegrossolanaPerlite

fine

Bainite sup. Bainite inf

200 450

martensite

Vraffr. [°C/sec]

Ar3

Ar1

120

Si forma perlite e ferrite contemporaneamente

ferrite

PerlitegrossolanaPerlite

fine

Bainite sup. Bainite inf

200 450

martensite

Vraffr. [°C/s]

Due nuovi costituenti strutturali <<<<<<

Ar3

Ar1

120

ferrite

PerlitegrossolanaPerlite

fine

Bainite sup. Bainite inf

200 450

martensite

Vraffr. [°C/s]Per un acciaio ipoeutettodico, la trasformazione austenite → perlite per vraffr elevata ( 120< vraffr <200) la struttura che si ottiene (sempre eutettoidica in lamelle) ha lamelle sempre più fini

Per vraffr > 200 °C/sec compare Bainite

Per vraffr =Vi (velocità critica inferiore di raffreddamento) Ar1 si sdoppia:parte della trasf. avviene a T=Ar’ e parte alla T= Ar”

Vi Vs

Ar’

Ar”

Bainite

Martensite

Trasformazione martensitica

Al di sotto di Ms non si ha più trasformazione isoterma di un acciaio eutettoidico:

austenite ⇒ martensite

MARTENSITE = soluzione solida omogenea sovrassatura di C

Trasformazione martensitica: trasformazione “a scatto” dell’austenite, cioè mediante movimento coordinato di atomi e senza fenomeni diffusivi ⇒ la composizione chimica della martensite è identica a quella dell’austenite di partenza

La martensiteferro α in struttura distorta con austeniteMax durezza per distorsione reticolare

Micrografia SEM

Micrografia microscopio ottico

FeC

Ferrite Austenite martensiteCubico corpo

centrato(ccc)

Cubico facce centrate

(cfc)

>>

>> c.c.c (interstiziale)

c.c.c

Martensite in acciaio ipoeutettoidico

Martensite in acciaioipereutettoidico

Struttura caratterizzata da un’alta densità didislocazioni, elevato stato tensionale residuo

bassa tenacità

La bainite

Soluzione solida ferro α + aghetti di carburo (forma aciculare)

A differenza della martensite, ci sono ancora le strutture di equilibrio

La diffusione degli atomi di C è ancora possibile, ma i carburi che si formano sono sempre più fini, non visibili al microscopio ottico

A differenza della perlite non ha aspetto lamellare : Fe3C presente sottoforma di particelle isolate in matrice α

Micrografia SEM

FerriteCubico corpo

centrato(ccc)

Trasformazione bainitica

nell’intervallo [500°C ÷ ms=230°C] la trasformazione isoterma di un acciaio eutettoidico:

austenite ⇒ bainite (superiore o inferiore)

trasformazione bainitica: nucleazione + accrescimento

Tipi di raffreddamento

Partendo da fase γ (struttura austenitica)

Due modalità per passare da θ a 20°C:

----- raffreddamento continuo___ raffreddamento discontinuo

θ

20 °Ctempo

Vraffr

Forma primitiva della curva di Bain per un acciaio eutettoidico in basso le curve di Bain erano errate

N.B: Esperienza di Bain su acciaio eutettidico (0.77% C)Punti critici Ar1 e Ar3 coincidono

Trasformazione isoterma dell’austenite

Forma definitiva della curva di Bain per un acciaio eutettoidico

I CampoAustenite instabile (A)

III CampoStrutture trasformate

II CampoTrasformazione di (A) nelle strutture finali

Trasformazione nonisoterma (A) →M

Inizio trasformazione (A)res →B

Curve TTT acciaio eutettoidicoCampi di esistenza strutture

Curva TTT per un acciaio eutettoidicolettura curve

Curva di inizio trasformazione Curva di fine

trasformazione

CURVE DI TRASFORMAZIONE ISOTERMA DELL’AUSTENITE (CURVE T.T.T.)

T > A3 T < A1 T = 20°C T > A3austenitizzazione

T < A1 T = 20°C

T > A3 T < A1, t T = 20°C T > A3 T < A1 T = 20°C

1

3 4

2

bagno di sali fusi H2O

ln t (s)

tem

pera

tura

1 10 100 1000 100000,1

A3 = A1

T austenitizzazione

ln t (sec)

tem

pera

tura

1 10 100 1000 100000,1

A3 = A1

T austenitizzazione

inizio trasformazione

ln t [s]

tem

pera

tura

1 10 100 1000 100000,1

A3 = A1

T austenitizzazione

fine trasformazione

Curva di Bain (curva TTT) per un acciaio eutettoidico

a) curve di Bain per un acciaio ipoeutettoidicob) curve di Bain per un acciaio ipereutettoidico

Sia la posizione sia la forma delle curve T.T.T. sono influenzate dagli elementi di lega:

• spostamenti delle curve di inizio e di fine trasformazione verso tempi più lunghi, quindi verso destra, rispetto agli acciai al solo C (fa eccezione il Co)

Anche le temperatura Ms e Mf subiscono variazioni:

• tutti gli elementi di lega, tranne il Co, spostano verso il basso Ms e MfQuesto può causare la presenza di (A) a temperatura ambiente

Influenza degli elementi di lega

Cr, Mo

Acciai da bonifica(↑ elementi in lega)

notevole stabilità dell’austenite in campo temp.intermedie

Acciai inox martensitici

trasformazione finita solo in campo martensitico

Curve di trasformazione anisoterma dell’austenite

Curve CCT (Continuous Cooling Curves)

Nella pratica industriale i trattamenti termici eseguiti sono contraddistinti da leggi di raffreddamento continue

La maggiore o minore severità della legge di raffreddamento produce per l’acciaio riscaldato a

T>Taustenitizzazione diverse strutture a Tambiente.

Curve di trasformazione anisoterma dell’austenite (curve c.c.t.- Continuous Cooling Curves )

a) b)

Ipo-eutettoidico Iper-eutettoidico

Vi = velocità critica inferioremax velocità di raffreddamento tale per cui a temp. ambiente non ho struttura martensitica

Vs = velocità critica superioremin velocità di raffreddamento tale per cui a temp. ambiente ho solo struttura martensitica

Valgono per le curve anisoterme le stesse considerazioni fatte per le isoterme sui fattori che ne influenzano forma e posizione

Spostamento delle curve in basso e a dx:- aggiunta di tutti gli elementi di lega (tranne Co)

Influenza degli elementi di lega

Cr, Mo

Acciai da bonifica(↑ elementi in lega)

Acciai inox martensitici

Processo produttivo: laminazione a caldo

Taustenitizzazione= 920 °C

Stessa dimensione del grano

% (A) trasformata

Durezza HB

Caso reale di curva CCT

durezza

Proprietà meccaniche in funzione della microstruttura

Durezza HRC funzione della % di C e della % di Martensite

Proprietà meccaniche in funzione della microstruttura

Legame tra Rm e Rp0,2 in funzione della microstruttura

Rp0,2

Rm