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MATERIALI METALLICI
I Metalli e le leghe metallichehanno proprietà tecnologiche di indubbia utilità e per questo trovano moltissime applicazioni industriali.
Per quanto riguarda le leghe, esse possono essere suddivise in:
1. Leghe Ferrose a base di Fe
2. Leghe non Ferrose a base di altri metalli
• Il Fe e le sue leghe (in particolare gli acciai e e le ghise) rappresentano circa il 90 % della produzione mondiale di materiali metallici
Ciò è dovuto alla loro buona combinazione di resistenza meccanica, tenacità e duttilità, abbinata a costi relativamente contenuti
Leghe Ferrose
Le principali leghe del ferro sono:
1. Acciai
2. Ghise
Entrambe sono essenzialmente leghe Ferro – Carbonio e si differenziano poiché gli Acciai hanno un % di carbonio < 2,06 e le ghise > 2,06
• Gli Acciai sono soprattutto leghe da lavorazione plastica, cioè la forma dei
semilavorati o degli oggetti finali viene ottenuta attraverso lavorazioni di deformazione
plastica, a caldo o a freddo: laminazione, forgiatura, stampaggio ecc.
• Le Ghise sono invece leghe da fonderia: gli oggetti finali sono ottenuti direttamente
dalla lega liquida, che viene colata e solidifica in forme che riproducono, in negativo, la
forma dell’oggetto
Produzione della Ghisa e dell’Acciaio
1. Produzione della Ghisa grezza nell’Altoforno
2. Produzione dell’Acciaio
3. Ottenimento dei semilavorati
La Produzione dell’Acciaio può essere suddivisa in 3 fasi:
1. Produzione della Ghisa grezza nell’Altoforno
In particolare nell’Altoforno vengono caricati
• Minerali di Ferro (dai quali si estrae la maggior parte del Fe)
• Carbon Coke (agente riducente)
• Altre sostanze (in particolare Calcare) per far si che i minerali raggiungano quella composizione chimico – fisica necessaria per la loro trasformazione
Un Altoforno è un forno del tipo “a tino” nel quale i minerale di partenza, sottoposti ad elevate T (intorno agli 800 °C) e mescolati ad altre sostanze che ne facilitano la reazione, subiscono una riduzione e si trasformano in ghisa
Prima di esser immessi nell’altoforno
� I minerali del Ferro vengono estratti nelle miniere, lavorati e trasformati in “Pellets”negli appositi impianti di trattamento,
� Il calcare viene estratto nelle cave (calcare grezzo), triturato e selezionato (calcare lavorato)
� Il carbon cokeviene ottenuto dalla combustione del Carbon fossile nelle Cokerie
C + O2 3CO2
1. Produzione della Ghisa grezza nell’Altoforno
• Il coke reagisce dapprima con l’ossigeno presente nell’aria per dare anidride carbonica:
• L’anidride carbonica formatasi reagisce con il carbone in eccesso dando luogo all’ossido di carbonio:
CO2 + C 2CO
Nell’altoforno il coke, a T intorno agli 800 °C, agisce da riducente degli ossidi di Ferro (in particolare Fe2O3) per produrre ghisa grezza che contiene circa il 45 % di C assieme ad altre impurità mediante una serie di reazioni
Fe2O3 + 3 CO 2 Fe + 3CO2
1. Produzione della Ghisa grezza nell’Altoforno
• L’ossido di carbonio formatosi agisce da riducente degli ossidi di Ferro (in particolare Fe2O3) per produrre ghisa grezza che contiene circa il 45 % di C assieme ad altre impurità mediante la tipica reazione:
Nell’altoforno la quantità di carbon coke caricato risulta essere superiore a quella stechiometrica necessaria a ridurre i minerali di Ferro
Solo una parte di C (quella che riduce i minerali) “va via” sotto forma di CO2
mentre la parte in eccesso rimane “ intrappolata” nella miscela.
All’uscita dell’altoforno si avrà una miscela liquida Fe-C ad alto contenuto di C
(Ghisa Grezza)
All’uscita dell’altoforno la Ghisa viene colata direttamente in un contenitore mobile su rotaie tramite il quale viene trasportata all’acciaieria
Il processo di preparazione dell’Acciaio consiste nella decarburazione della ghisae
nell’aggiunta di componenti che consentano di ottenere quel grado di durezza e
resistenza desiderato
2. Produzione dell’Acciaio
In particolare, in questa fase, l’acciaio è ottenuto dalla ghisa per ossidazione del
Carbonio e delle altre impurità presenti nella ghisa grezza, finché il contenuto di C
nella miscela si riduce al livello richiesto
Tutto questo si ottiene riscaldando nuovamente la ghisa in
appositi forni chiamati Convertitori
2. Il Carbonio (si ossida) reagisce quindi con l’ossido di Ferro e “va via” sotto forma di monossido di Carbonio
2 FeO + C Fe + CO
2. Produzione dell’Acciaio
Il processo più comunemente usato per la conversione della ghisa grezza in acciaio comporta l’uso di un Convertitore ad ossigeno
Non è altro che un forno di forma cilindrica con rivestimento refrattario, nel cui interno è inserita una lancia che insuffla O2
1. L’ossigeno puro della lancia reagisce con il bagno fuso per formare ossido di Ferro
2 Fe (bagno fuso) + 02 FeO
2. Produzione dell’Acciaio
• Immediatamente prima che abbia inizio la reazione con l’ossigeno, vengono aggiunte quantità controllate di addensanti di scorie
• Con questo processo, della durata di circa 22 minuti, il contenuto di carbonio viene drasticamente abbassato e con esso anche le concentrazioni di impurità come lo Zolfo e il fosforo presenti nella ghisa grezza
3. Ottenimento dei Semilavorati
�L’Acciaio fuso così ottenuto può essere colato dal convertitore sia in Lingottiere,
sia mediante colata continua ottenendo lunghe bramme, tagliate di opportuna
lunghezza
� Dopo essere stati colati, i lingotti vengono riscaldati in un forno a pozzo e quindi
vengono laminati a caldo in Bramme, o altre forme che porteranno poi, mediante una
successiva laminazione a caldo o a freddo, ad ottenere nastri, lamiere, tondini, travi a
doppi T, rotaie ecc.
� Bisogna comunque dire che, oggi, più del 60% dell’acciaio grezzo è ottenuto con
colata continua e si prevede che questa percentuale salga nel corso dei prossimi anni
Diagramma di Stato Ferro – Carburo di Ferro
Diagramma di Stato Ferro – Carburo di Ferro
Il diagramma Fe – C contiene le seguenti fasi solide
• Ferrite α
� Questa fase è una soluzione solida interstiziale del carbonio nel reticolo CCC del ferro (ferro α) ed è stabile fino a 910°C
� Il Carbonio è solo parzialmente solubile nel ferro α, con una solubilità allo stato solido massima dello 0,02% a 723 °C e minima dello 0,005% a 0°C
Diagramma di Stato Ferro – Carburo di Ferro
• Austenite γγγγ�Questa fase è una soluzione solida interstiziale del carbonio nel reticolo CFC del ferro (ferro γ) ed è stabile fino a 1493°C
� La solubilità del Carbonio nell’Austenite ha un massimo del 2,06 % a 1148°C e diminuisce fino allo 0,8% a 723°C
• Cementite o Carburo di Ferro (Fe3C)
� Fe e C possono interagire anche formando un “composto intermetallico”chiamato appunto Cementite.
� Tale composto non è una fase di equilibrio in quanto, sotto certe condizioni, esso può decomporsi nelle fasi più stabili di ferro e carbonio (cristalli di grafite). Tuttavia, per la maggior parte delle condizioni pratiche il Fe3C è molto stabile e quindi viene trattato come una fase di equilibrio
� Ha una composizione del 6,67% di C del 93,3% di Fe ed un composto duro e fragile
Diagramma di Stato Ferro – Carburo di Ferro• Ferrite δ
� Questa fase è una soluzione solida interstiziale del carbonio nel reticolo CCC del ferro
� E quindi simile alla ferrite α ma si differenzia da questa ultima perché ha una maggior costante reticolare ed è stabile a T più elevate (fra 1390 °C e 1534 °C)
� La solubilità massima allo stato solido del carbonio si ha a 1495 °C (0,09%)
Il diagramma Fe – C è caratterizzato da tre trasformazioni di notevole importanza
� Trasformazione Euttetica
Al punto di trasformazione eutettica che avviene alla T di 1148 °C, il liquido con 4,3 di C forma Austenite con 2,06% di C e il composto Fe3C che contiene 6,67% di C
Liquido (4,3% C) Austenite γ (2,06% C) + Fe3C (6,67%C) 1148 °C
Diagramma di Stato Ferro – Carburo di Ferro
� Trasformazione Peritettica
Al punto di trasformazione perittetica che avviene alla T di 1495 °C, il liquido con 0,53 di C si combina con ferrite δ (0,09% C) per formare austenite γ con 0,17% di C
Liquido (0,53 % C) + ferrite δ (0,09% C) Austenite γ (0,17% C)1495 °C
Diagramma di Stato Ferro – Carburo di Ferro
� Trasformazione Eutettoidica
Al punto di trasformazione eutettoidica che avviene alla T di 723°C, l’austenite solida (0,8% C) produce ferrite α (0,02% C) e Cementite (6,67% C)
Austenite (0,8 % C) ferrite δ (0,02% C) + Fe3C (6,67% C)723 °C
Diagramma di Stato Ferro – Carburo di Ferro
Trasformazione Eutettoidica
Questa trasformazione è molto importante per alcuni dei trattamenti termici degli acciai al carbonio
� Un acciaio che contiene lo 0,8% di C è chiamato Acciaio Eutettoidico
� Se un acciaio contiene meno dello 0,8 % di C è chiamato Acciaio
Ipoeutettoidico
� Se un acciaio contiene più dello 0,8 % di C è chiamato Acciaio Ipereutettoidico
Diagramma di Stato Ferro – Carburo di Ferro
� Se un campione di acciaio con 0,8 % di C viene riscaldato per un tempo sufficiente al di sopra di 723 °C e mantenuto in temperatura (es. 750°C) per un tempo sufficiente, la sua struttura diventerà austenite omogenea (Processo di Austenitizzazione)
� Se poi viene raffreddato appena sopra i 723 °C la sua struttura rimarrà inalterata (punto a)
� Un ulteriore raffreddamento appena sotto la temperatura eutettoidica trasformeràl’intera struttura da austenite ad una struttura lamellare di laminette alternate di ferrite α(punto b) e Fe3C Tale struttura eutettoidica si chiama Perlite
Acciai eutettoidici
� Poiché la solubilità del C nella ferrite α nella cementite varia molto lentamente da 723 °C a T ambiente, la struttura della perlite rimarrà invariata in tale intervallo
Acciai eutettoidici
Acciai ipoeutettoidici� Se un campione di acciaio con 0,4 % di C viene riscaldato per un tempo sufficiente a circa 900 °C (punto a) per un tempo sufficiente, la sua struttura diventerà austenite omogenea (Processo di Austenitizzazione)
� Se poi viene raffreddato alla T del punto b (circa 775 °C) comincerà a nuclearsi della
ferrite proeutettoidica che crescerà principalmente ai bordi dei grani austenitici
� Se si raggiunge la T del punto c, la quantità di ferrite proeutettoidica sarà aumentata (è la % di C avrà raggiunto lo 0,02%) a scapito della austenite la cui % di C sarà passata dallo 0,4 allo 0,8
� A 723 °C, se il raffreddamento è lento, l’austenite rimanente si trasformerà in perlite attraverso la trasformazione eutettoidica
La ferrite α formatasi dall’austenite a 723 °C si chiama ferrite eutettoidica per
distinguerla da quella formatasi in precedenza
Acciai ipoeutettoidici
Acciai ipereutettoidici� Se un campione di acciaio con 1,2 % di C viene riscaldato per un tempo sufficiente a circa 950 °C (punto a) per un tempo sufficiente, la sua struttura diventerà austenite omogenea (Processo di Austenitizzazione)
� Se poi viene raffreddato alla T del punto b comincerà a nuclearsi della cementite proeutettoidica che crescerà principalmente ai bordi dei grani austenitici
� Se si raggiunge la T del punto c (appena sopra i 723 °C), la quantità di cementite proeutettoidica continuerà ad aumentare e la % di C nell’austenite residua passerà da 1,2 a 0,8
� A 723 °C, se il raffreddamento è lento, l’austenite rimanente si trasformerà in perlite attraverso la trasformazione eutettoidica (punto d)
La cementite formatasi dall’austenite a 723 °C si chiama cementite eutettoidica
per distinguerla da quella formatasi in precedenza
Esercizio 1Un acciaio al Carbonio contenente lo 0,8 % C viene raffreddato lentamente da 750 °C a una temperatura appena sotto i 723 °C. Assumendo che l’Austenite si sia completamente trasformata in ferrite α e Cementite calcolare:
1. la % in peso della ferrite eutettoidica formatasi
2. la % in peso della Cementite eutettoidica formatasi
Esercizio 1: risoluzione
Applicando la regola della levasi ha:
6,67 0,80 5,87% 100 100 88,3%
6,67 0,02 6,65Feα
−= ⋅ = ⋅ =
−
30,80 0,02 0,78
% 100 100 11,7%6,67 0,02 6,65
Fe C−
= ⋅ = ⋅ =−
Esercizio 21 Kg di acciaio al Carbonio ipoeutettoidico con 0,4 % C viene raffreddato lentamente da 940 °C a una temperatura appena sotto i 723 °C. Calcolare:
1. la % in peso dell’Austenite presente a 723°C presente nell’Acciaio
2. la quantità in peso della Ferrite proeutettoidica presente nell’Acciaio
3. la quantità in peso della Ferrite eutettoidica presente nell’Acciaio
4. la quatnità in peso della Cementite eutettoidica presente nell’Acciaio
Esercizio 2:risoluzione 1
Applicando la regola della levasi ha:
0,40 0,02% 100 48,72%
0,80 0,02Austenite γ
−= ⋅ =
−
0,80 0,40% proeutettoidica 100 51,28%
0,80 0,02Feα
−= ⋅ =
−
Esercizio 2:risoluzione 1
Applicando la regola della levasi ha:
� Raggiunta la T di 723°C l’acciaio è costituito dal 48,72 % di austenite e dal 51,28
% di Feα proeutettoidica
� l’austenite (%C = 0,8) comincia a trasformarsi in ferrite e cementite eutettoidiche
6,67 0,40% 100 94,28%
6,67 0,02Fe totaleα
−= ⋅ =
−
30,40 0,02
% 100 5,72%6,67 0,02
Fe C totale−
= ⋅ =−
% 94,28% 51,28% 43%Fe euα = − =
� Per calcolare la ferrite formatasi all’eutettoidico basta sottrarre alla % di ferrite
totale quella di ferrite proeutettoidica:
Esercizio 2:risoluzione 1
In definitiva, al di sotto dei 723°C l’acciaio saràcostituito da:
( )35,72
1000 57,2100
Fe C g g= ⋅ =
( )94,28
1000 942,8 :100
Fe tot g g di cuiα = ⋅ =
43(1000 ) 430
100Fe eut g gα = ⋅ =
51,28(1000 ) 512,8
100Fe pro g gα = ⋅ =
Esercizio 2:risoluzione 2
Raggiunta la T di 723°C l’acciaio è costituito dal 48,72 % di austenite e dal 51,28 % di
Feα proeutettoidica
Su 1 Kg di acciaio si ottengono:
51,28(1000 ) 512,8
100Fe pro g gα = ⋅ =
48,72(1000 ) 487,2
100g gγ = ⋅ =
Esercizio 2:risoluzione 2
Dai 487,2 g di austenite si formano la Fe3C e la Fe α eutettoidica. Applicando la regola della levasi ha:
6,67 0,8% 100 88,27%
6,67 0,02Fe euα
−= ⋅ =
−
30,8 0,02
% 100 11,73%6,67 0,02
Fe C−
= ⋅ =−
Le quantità in peso di Fe3C e Fe α eutettoidica saranno date da:
( )311,73
487,2 57,2100
Fe C g g= ⋅ =
88,27(487,2 ) 430
100Fe eut g gα = ⋅ =
Le quantità in peso di e Fe α totale è date da:
430 512,8 942,8Fe eut Fe pro g g gα α+ = + =
Esercizio 3Determinare le composizioni che deve avere un acciaio affinche alla temperatura eutettoidica, sia costituito dal 50 % di austenite
Esercizio 3Determinare le composizioni che deve avere un acciaio affinche alla temperatura eutettoidica, sia costituito dal 50 % di austenite
Esisteranno due composizioni tali da soddisfare la condizione richiesta:
X1 acciaio ipoeutettoidico
X2 acciaio ipereutettoidico
Esercizio 3: risoluzione
acciaio ipoeutettoidico:
Si applica la regola della levaa ritroso:
( )1
10,02 50
% 100 50 0,02 0,8 0,02 0,410,8 0,02 100
x xγ−
= ⋅ = = + ⋅ − =−
acciaio ipereutettoidico:
( )2
26,67 50
% 100 50 6,67 6,67 0,8 3,736,67 0,8 100
x xγ−
= ⋅ = = − ⋅ − =−
Affinchè, a T= 723°C, l’acciaio sia costituito dal 50% di Austenite, deve
presentare una contenuto in carbonio pari allo 0,41% (ipo) o 3,73% (iper).
Martensite� E’ una fase metastabile composta da una soluzione solida interstiziale sovrassatura di C nel Fe CCC, o meglio in quello tetragonale a corpo centrato
� È una fase che non sussiste in equilibrio, ma può essere ottenuta per brusco raffreddamento da temperature superiori a quella di austenitizzazione.
� La tetragonalità è causata dalla leggera distorsione della cella CCC per la presenza del Carbonio
� La T alla quale inizia la trasformazione da Austenite a Martensite si chiama Martensite Start Ms mentre quella a cui finisce si chiama Martensite Finish Mf
Microstruttura della Martensite
� Per Acciai con % C < 0,6 la martensite è di tipo Aciculare, costituita da domini di aghetti con, all’interno del dominio orientamenti di poco diversi; all’interno del singolo aghetto la struttura è molto disordinata con un’alta densità di dislocazioni
� Per Acciai con % C > 1 la martensite è di tipo a placchette; tali placchette hanno un alto contenuto di C, dimensioni variabili e sono spesso circondate da una grande quantità di Austenite non trasformata (residua)
� Per Acciai con 0,6 < % C < 1 la martensite ha una struttura mista, formata sia da martensite aciculare che a placchette
La microstruttura della martensite dipende dalla % di C
Proprietà della Martensite
� La martensite è una fase che presenta elevata durezza e resistenza meccanica,
� Spesso è ottenuta appositamente mediante il trattamento termico di tempra.
� Tuttavia è una struttura macroscopicamente fragile e altamente tensionata
� Spesso alla tempra si fa seguire un trattamento di rinvenimento (la combinazione dei due trattamenti è detta bonifica)
� In tal modo si raggiunge un buon compromesso tra durezza, resistenzae tenacitàdell'acciaio
�In generale spesso vengono chiamate martensitiche tutte le strutture metastabili, di qualsiasi lega metallica anche non ferrosa, ottenute attraverso un raffreddamento rapido (quenching) al fine di "congelare" una fase che a temperatura ambiente non si troverebbe in equilibrio, come per l'austenite nel caso dell'acciaio
Diagramma TTT per un Acciaio Eutettoidico
1. Raffreddamento rapidoad una T inferiore alla T Eutettoidica (723 °C)
2. Mantenimento per un determinato ∆t a quella T in modo da ottenere una trasformazione Isoterma
Per costruire tale diagramma si analizzano le trasformazioni subite dall’austenite di un acciaio eutettoidico quando viene sottoposta ad un doppio trattamento
Per studiare i mutamenti microstrutturali si utilizzano un certo numero di provini di piccole dimensioni che vengono dapprima austenitizzati in forno ad una T > 723°C, poi vengono raffreddati rapidamente in un bagno di Sali fusi alla T desiderata (< 723°C), infine, a diversi ∆t, i campioni vengono singolarmente rimossi dal bagno e raffreddati velocemente in acqua a Tambiente
La microstruttura ottenuta ad ogni intervallo di tempo di trasformazione può essere cosìanalizzata a T ambiente
Diagramma TTT per un Acciaio Eutettoidico
Utilizzando il procedimento descritto si verifica che, per un acciaio eutettoidico raffreddato rapidamente e poi tenuto in condizioni isoterme a T = 705 °C si osserva che dopo 6 minuti inizia la formazione di un piccola quantità di Perlite grossolana e dopo 67 minuti tale trasformazione si è completata
� Per raffreddamenti rapidi da T > 723°C (austenite) a T inferiori a Mf l’austenite si trasforma in Martensite
Diagramma TTT per un Acciaio Eutettoidico Ripetendo la stessa procedura a T progressivamente inferiori, si può costruire il diagramma TTT
� Per trasformazioni isoterme con 723° C < T < 550° C si hanno microstrutture perlitiche che, al diminuire della T, passano da Perlite grossolana a Perlite fine
Diagramma TTT per un Acciaio Eutettoidico
�Se un Acciaio eutettoidico che si trova inizialmente a T > 723° C (austenite), subisce una trasformazione isotermica dopo essere stato raffreddato velocemente a una T compresa fra 550° C e 250°C, si ottiene una struttura intermedia fra Martensite e Perlite, la Bainite
�La Bainite è una struttura eutettoidica non lamellare formata da Ferrite α e cementite (Fe3C)