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I DIAGRAMMI DI STATOI DIAGRAMMI DI STATO
Cosa sono e a che cosa servono
γ
δ
α
Fe3C
T [°C]
%CFe
G.M. La Vecchia – Università di BresciaDipartimento di Ingegneria Meccanica
Rappresentazione grafica delle condizioni di equilibrio alle varie temperature di unsistema costituito da un metallo base +ulteriori elementi chimici
DIAGRAMMI DI STATOdiagrammi di equilibrio
T [°C]
A % B B0 100
L
Af
Bf
L+AL+B
A+B
FASE LIQUIDA
P = 1 atmFASE SOLIDA A+B(miscela dei 2 metalli puri A e B)
• se il sistema è costituito da 2 elementi ⇒ diagramma di stato binario ⇒ grafico bidimensionale
• se il sistema è costituito da 3 elementi ⇒ diagramma di stato ternario ⇒ grafico tridimensionale
DIAGRAMMI DI STATO
Qualsiasi sia il diagramma di stato considerato si ipotizza un raffreddamento sufficientemente lento
passaggio attraverso successivi stati di equilibrio
Condizioni nettamente diverse dai trattamenti termici di interesse industriale
DIAGRAMMI DI STATO
DIAGRAMMI DI STATO DI PARTICOLARE INTERESSE
Acciai e ghise (leghe Fe-C)
Cenni alle modifiche del diagramma Fe-C per introduzione di elementi che determinano soluzioni solide con il Fe:
1) elementi che allargano il campo γ
2) elementi che restringono il campo γ
Le strutture di equilibrio delle leghe Fe-C (acciaio, ghisa) sono rappresentate da tale diagramma
In assenza di riscaldamenti troppo prolungati, di velocità di raffreddamento particolarmente lenta e di elevati tenori di elementi grafitizzanti, il Fe ed il C si combinano per formare il composto interstiziale Fe3C o cementite
Il diagramma di riferimento (condizioni normali) risulta il Fe-Fe3C
Il tenore di C nella Fe3C (contenuto stechimetrico) è pari al 6,69% ⇒ la gradazione dell’asse delle ascisse termina in corrispondenza di questo valore
Il diagramma Fe-C
γ
Costruzione del diagramma Fe-C per punti
723
912
1394
1538
T[°C]
6.69%
Fe3C0.02 0.77
1148
2.11 4.3
eutettica
eutettoidica
1495 peritettica
0.09 0.530.17
δ
0.008α
Il Fe puro è polimorfo, esistendo in varie forme allotropiche
Fe δ − c.c.c
Fe γ − c.f.c
Fe α − c.c.c912°C
1394°C
1538°C
tempo
T Tliquido Curva di
raffreddamento
I reticoli cristallini
Molti metalli o leghe metalliche possono presentare a diverse temperature differenti strutture cristalline (polimorfismo)
Cubico semplice Cubico corpo centrato
(ccc)
Cubico facce centrate
(cfc)
Esagonale compatto
martensite
Fe
C
Diverso reticolo cristallino è sinonimo di diverse proprietà meccaniche
DIAGRAMMA Fe - C
1538
1394
912
723
γ
α
δT [°C]
0 1 2 3 4 5 6 6,69
%C
ll+ γ
γ + Fe3C
α + Fe3C
l+ δ
δ +γ
α +γ
l+ Fe3C
diagrammaFe - Fe3C
diagrammaFe – C
1148°C
1495
Fe3C
Fasi:• fase liquida • fase δ, α, γ o cristalli di ferro δ, α, γ• fase Fe3C
DIAGRAMMA Fe - C
Costituenti strutturali:
• ferrite ⇒ soluzione solida di C in ferro α• austenite ⇒ soluzione solida di C in ferro γ• ferro δ ⇒ soluzione solida di C nel ferro δ• cementite ⇒ composto interstiziale Fe3C con %C = 6,69• perlite ⇒ eutettoide ferrite - cementite• ledeburite ⇒ eutettico austenite - cementite
DIAGRAMMA Fe - C
DIAGRAMMA Fe - C
P
Al, Cu, Ni, Pb, Fe γ, Ag, Au
cella elementare: è la più piccola parte del cristallo che ne conserva tutti gli elementi di simmetria
n. atomi = 4
n. di coordinazione = 12
fattore di impaccamento = 0,72
rappresentazione con il modello delle
sfere rigide
rappresentazione tradizionale
Reticolo cubico a facce centrate (c.f.c.)
Cr, V, Mo, W, Fe α
cella elementare:
n. atomi = 2
n. di coordinazione = 8
fattore di impaccamento = 0,68
Rappresentazio-ne con il modello delle sfere rigide
Rappresen-tazione
tradizionale
Reticolo cubicoa corpo centrato (c.c.c.)
A4 ⇒ temperatura della trasformazioneδ ↔ γ
A3 ⇒ temperatura della trasformazioneγ ↔α
A2⇒ punto di Curie (770°C) al di sopra del quale la ferrite non è più magneticaA1 ⇒ temperatura della trasformazione eutettoide (723 °C)Acm ⇒temperatura della trasformazione
γ ↔ Fe3C
Punti critici
DIAGRAMMA Fe - C
I PUNTI CRITICI:Il ferro puro
% C
Tem
pera
tura
, °C
Fe γ
Fe α
Fe δ
Fe3C
liquidoA4
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
Acm
A4: temperatura d’equilibrio austenite ⇔ferrite δ
Al di sotto della quale è stabile solo l’austenite
% C Fe3C
Tem
pera
tura
, °C
Fe γ
Fe α
Fe δ liquidoA4
1538
1394
912
γ
α
δT [°C]
0 0,8 1 2 3 4 5 6 6,69%C
l
l+ γ
γ + Fe3C
α + Fe3C
l+ δ
δ +γ
α +γ
L+ Fe3C
acciai ipoeutettoidici
acciai ipereutettoidici ghise
acciai eutettoidici
γ
α
δ
T [°C]
0 0,8 1 2 3 4 5 6 6,69%C
l
l+ γ
γ + Fe3C
α + Fe3C
l+ δ
δ +γ
α +γ
L+ Fe3C
Feα
Perlite(Feα + Fe3C)
a TE(A1): γ ⇒(Feα+Fe3C) perlite
Acciaio ipoeutettoidico
γ
α
δ
T [°C]
0 0,8 1 2 3 4 5 6 6,69%C
l
l+ γ
γ + Fe3C
α + Fe3C
l+ δ
δ +γ
α +γ
L+ Fe3C
Perlite(Feα+Fe3C)
a TE (A1): γ ⇒(Feα+Fe3C) perlite
Acciaio eutettoidico
γ
α
δ
T [°C]
0 0,8 1 2 3 4 5 6 6,69%C
l
l+ γ
γ + Fe3C
α + Fe3C
l+ δ
δ +γ
α +γ
L+ Fe3C
Fe3C
Perlite(Feα + Fe3C)
a TE (A1): γ ⇒(Feα+Fe3C) perlite
Acciaio ipereutettoidico
Costituente a bassa durezza, attaccato debolmente dal Nital,preferenzialmente a bordo grano(acido nitrico al 4% in alcol etilico, 10-60 s)
0,06%Claminato a 845°Cavvolto a 620°C100x Nital
Ferrite (Feα):
L’attacco evidenzia un grano non orientato (equiassico) fortemente disomogeneo da zona a zona
Stabile a T>723°C, reso stabile a Tambiente con aggiunte in lega di elementi austenitizzanti (Ni, Mn, ecc)Aspetto micrografico simile alla ferrite, ma bordi grano + squadrati
austenitic stainless steel,type AISI 304L
AISI 316 100x
Tempra di soluzione 1035°Craffreddamento in acqua10ml HNO3, 10 ml acido acetico, 15ml HCl, 5ml glicerolo
Austenite (Fe-γ)
Cementite eutettoidica: quella costituente la fase cementite della perlite
Matrice ferrite+globuli di cementiteNital 1000 x
Cementite (Fe3C: carburo di ferro) :
Cementite di coalescenza:in globuli (per migliorare la lavorabilità)
innalzamento di A4 + abbassamento di A3
γ
α
δ
T [°C]
0 el % →
1500
1000
500
γ
α
δ
T [°C]
0 el % →
1500
1000
500
campo γ aperto campo γ allargato
Ni, Mn, Co, Pt C, N, Cu, Zn, Au
Elementi che allargano il campo γ
abbassamento di A4 + innalzamento di A3
γ
α
T [°C]
0 el % →
1500
1000
500
campo γ chiuso campo γ ristretto Al, Cr, Si, Mo B, S, O
Elementi che restringono il campo γ
a TE (A1): γ ⇒ (Feα+Fe3C) perlite
a 1154°C: l ⇒ (Feγ+Fe3C) ledeburite
Ghisa
γ
α
δT [°C]
150014001300120011001000
900800700600
0 0,8 1 2 3 4 5 6 6,69%C
l
l+ γ
γ + Fe3C
α + Fe3C
l+ δ
δ +γ
α +γ
L+ Fe3C1154 °C
TE
Caratteristiche meccaniche: funzione del tipo di microstruttura della matrice ma anche della percentuale, forma e distribuzione del carbonio sotto forma di grafite
Ghisa
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