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