Introduzione ai trattamenti termici degli acciai

Rubrica: Trattamenti termici

Titolo o argomento: Diagramma Ferro Carbonio, Curve di Bain, Punti Critici

I Trattamenti Termici consistono in cicli di riscaldamento e raffreddamento controllati, sotto determinate condizioni, che hanno lo scopo di modificare le strutture cristalline dei metalli. Tali strutture sono un assieme di atomi, molecole o ioni dotati di una disposizione geometricamente regolare, ovvero quello che riuscireste a vedere ingrandendo il pezzo, che dovete preparare, miliardi di volte (nell’ordine del picometro 10^-12 metri). Modificando tali strutture si possono conferire a pezzi e organi meccanici particolari proprietà meccaniche e tecnologiche ad esempio per aumentarne la resistenza meccanica (trazione, compressione, flessione, taglio), la lavorabilità alle macchine utensili, la resistenza all’usura e così via.

Se fai fatica a comprendere il contenuto iniziale di questa pagina, sappi che il succo più importante consiste nel capire cosa sono le temperature Ac1 e Ac3 di cui sentirai parlare più volte nei paragrafi a seguire e negli articoli correlati (vedi link correlati in basso).

Diagramma Ferro Carbonio

Il Ferro allo stato puro in natura non esiste. Allo stato solido si presenta nelle tre seguenti forme allotropiche (vedi immagine in basso):

Ferro α: struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC o bcc) con costante di cella 2.86 Å, stabile fino a 912 °C.

Ferro γ: struttura cristallina cubica a facce centrate (CFC o fcc) con costante di cella 3.65 Å, stabile tra 912 °C e 1394 °C.

Ferro δ: struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC o bcc) con costante di cella 2.93 Å, stabile tra 1394 °C e 1536 °C (temperatura di fusione).

Nel diagramma le fasi presenti sono quindi le seguenti:

Fase α: Ferrite. È la soluzione interstiziale formata da piccole quantità di carbonio nel reticolo bcc del ferro α. La presenza di atomi di carbonio nel reticolo bcc del ferro α produce delle notevoli distorsioni, per questo la solubilità del carbonio nel ferro α è molto limitata (come si evince dal diagramma) e puo’ raggiungere un valore massimo dello 0.02% (a 727 °C).

Fase γ: Austenite. È la soluzione solida interstiziale del carbonio nel ferro γ (fcc). La struttura cristallina del ferro γ, favorisce una maggiore solubilità del carbonio, dal diagramma si nota infatti un campo di stabilità dell’austenite decisamente più ampio.

Fase δ: È la soluzione interstiziale del carbonio nel ferro δ (bcc). Valgono per questa fase considerazioni analoghe a quelle fatte sulla ferrite α. La maggiore costante di cella consente tuttavia un lieve aumento della solubilità del carbonio.

Fase Fe3C: Cementite.

Curve di Bain

Le curve di Bain rappresentano le strutture che conseguono con ogni tipo di raffreddamento dell’Austenite. Sono fondamentali in quanto al crescere della velocità di raffreddamento dell’acciaio si ottengono strutture non previste dal diagramma Ferro Carbonio che abbiamo visto sopra. Vorrei fare una breve introduzione, illustrando le temperature fondamentali da conoscere per interpretare sia le curve di Bain, sia il Diagramma Ferro Carbonio, nel prossimo paragrafo.

Punti critici

Velocità di raffreddamento o riscaldamento molto lente

A1 = temperatura alla quale, durante il raffreddamento, l’Austenite divenuta eutettoidica si trasforma in Perlite. Viceversa durante il riscaldamento è la temperatura alla quale la Perlite si trasforma in Austenite Eutettoidica. Il valore è di 723°C.

A3 = temperatura alla quale, durante il raffreddamento, l’Austenite di un acciaio Ipoeutettoide inizia ad emettere cristalli di Ferrite α. Viceversa può essere considerata (ovviamente) la temperatura alla quale durante il riscaldamento la lega di acciaio ipoeutettoide termina la trasformazione in Austenite. Il suo valore è compreso tra i 723°C ed i 911°C.

Acm = temperatura alla quale, durante il raffreddamento, l’Austenite di un acciaio ipereutettoide inizia ad emettere cristalli di Cementite secondaria. Viceversa durante il riscaldamento è la temperatura alla quale un acciaio ipereutettoide termina la trasformazione in Austenite. Temperatura superiore ai 723°C ed inferiore ai 1300°C circa (attenzione al “circa”).

Velocità di raffreddamento o riscaldamento elevate

Tanto più è rapida la variazione di temperatura e tanto più ritardate saranno le trasformazioni delle leghe Ferro Carbonio. Per tale ragione gli studiosi di Metallurgia hanno preferito attribuire diversi simboli ai punti critici sopra introdotti.

Riscaldamento

Non cambiano tanto le definizioni quanto il valore stesso delle temperature alle quali si verificano le trasformazioni che vi abbiamo indicato.

Ac1 = temperatura alla quale, durante un riscaldamento veloce, la Perlite si trasforma in Austenite Eutettoidica.

Ac3 = temperatura alla quale, durante un riscaldamento veloce, la lega di acciaio ipoeutettoide termina la trasformazione in Austenite. Temperatura detta di Austenizzazione.

ACcm = temperatura alla quale, durante un riscaldamento veloce, un acciaio ipereutettoide termina la trasformazione in Austenite.

Raffreddamento

Ar1 = temperatura alla quale, durante un raffreddamento veloce, l’Austenite divenuta eutettoidica si trasforma in Perlite.

Ar3 = temperatura alla quale, durante un raffreddamento veloce, l’Austenite di un acciaio Ipoeutettoide inizia ad emettere cristalli di Ferrite α.

ARcm = temperatura alla quale, durante un raffreddamento veloce, l’Austenite di un acciaio ipereutettoide inizia ad emettere cristalli di Cementite secondaria.

Inoltre sono fondamentali anche i seguenti punti

Ms = è la temperatura alla quale durante il raffreddamento l’Austenite rimasta inizia a trasformarsi in Martensite.

Mf = è la temperatura alla quale la formazione della Martensite cessa. Per alcuni acciai la temperatura Mf è inferiore alla temperatura ambiente.

Lega Eutettica

Ricordiamo che una lega Eutettica la si ha quando due metalli sono perfettamente miscibili allo stato liquido ma non a quello solido. Tutte le temperature elencate e non, variano in base al tipo di acciaio ma non solo! Spesso la difficoltà nel reperire questi dati sta nel fatto che si tratta di valori ottenuti per vie sperimentali eseguite su una moltitudine di provini. I dati più esatti al riguardo li può senz’altro offrire, tramite apposite tabelle e cataloghi, il fornitore di materiali che contatterete. Con velocità di raffreddamento molto basse Ar3 e Ar1 coincidono rispettivamente con A3 e A1.

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