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Diagramma di fase Fe – C

M t ll iMetallurgiaDiagramma di fase Fe - C

Prof. Francesco Iacoviello

Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25i di i i l dOrario di ricevimento: Mercoledì 14.00-16.00

Tel.-fax 07762993681E mail: iacoviello@unicas itE-mail: [email protected]

Sito didattico: http://webuser.unicas.it/iacoviello

Francesco Iacoviello Università di Cassino

Il Ferro puroDiagramma di fase Fe – C

pDensità ρ (20°C): 7870 kg/m3

Rm = 180-290 MPaTemperatura

Feδ (CCC) ⇔ liquidoTf (1538°C)m

Re = 100-170 MPaA% = 40-50%Z 80 95%Z = 80-95%HB = 45-55E = 210 GPa

A4 (1394°C) Feγ (CFC) ⇔ Feδ (CCC)E 210 GPa

Oltre alla fusione, il ferro puroOltre alla fusione, il ferro puropresenta due trasformazioni difase allo stato solido;

A3 (912°C) Feα (CCC) ⇔ Feγ (CFC)

le temperature corrispondentivengono indicate con A3 ed A4(nelle condizioni di equilibrio)

770°C

(nelle condizioni di equilibrio).


Influenza degli elementi di legaIl Fe forma delle leghe con un elevato numero di elementi La messa


Il Fe forma delle leghe con un elevato numero di elementi. La messain soluzione di elementi di lega nel Fe comporta lo spostamento deipunti A3 ed A4.p 3 4• Si definiscono alfageni quegli elementi che stabilizzano la faseCCC, aumentando la temperatura del punto A3 e diminuendo quelladel punto A4.• Si definiscono gammageni quegli elementi che stabilizzano la faseCFC diminuendo la temperatura del punto A ed aumentando quellaCFC, diminuendo la temperatura del punto A3 ed aumentando quelladel punto A4.


DIAGRAMMA Fe-CDiagramma di fase Fe – C

Il sistema stabile si riferisce al diagramma Fe-C (linee tratteggiate) epermetterà di analizzare i processi di solidificazione e raffreddamento dellep pghise grigie (o grafitiche)


DIAGRAMMA Fe-CDiagramma di fase Fe – C

Il sistema metastabile si riferisce al diagramma Fe-Fe3C (linee continue) epermetterà di analizzare i processi di solidificazione e raffreddamento deglip p gacciai e delle ghise bianche (o cementitiche)


Le leghe binarie Fe C presentano le fasi seguenti:


Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti:• Ferrite α: soluzione solida interstiziale di C nel ferro α(solubilità max pari a 0 02% a 727°C); il reticolo è CCC;(solubilità max pari a 0.02% a 727 C); il reticolo è CCC;




Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti:• Ferrite δ: soluzione solida interstiziale di C nel ferro δ (solubilitàmax pari a 0 1% a 1487°C); il reticolo è CCC;max pari a 0.1% a 1487 C); il reticolo è CCC;




Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti:• Austenite γ: soluzione solida interstiziale di C nel ferro γ; ilreticolo è CFC;reticolo è CFC;




Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti:• Cementite (Fe3C): la sua composizione corrisponde ad un tenoredel 6 67% in C Si tratta di un composto interstiziale metastabiledel 6.67% in C. Si tratta di un composto interstiziale, metastabileche tende a decomporsi in ferrite (oppure austenite) e grafitesecondo la reazionesecondo la reazione

Fe3C → 3Fe + Cgr




Le leghe binarie Fe-C presentano le fasi seguenti:• Carbonio puro (grafite) Cgr: la solubilità del Fe nel Cgr è nulla


Il sistema binario Fe C p ò s bire d e tipi differenti di e ol ione in


Il sistema binario Fe-C può subire due tipi differenti di evoluzione, infunzione della fase ricca in C che si forma (cementite oppure Cgr).

I due tipi di evoluzione non avvengono mai simultaneamente.

I due diagrammi sono caratterizzati da:• una trasformazione eutettica• una trasformazione eutettica

CCFeCl )%112()%34( γ+⇔Diagramma metastabile

ledeburiteC

CCFeCl )%11.2()%3.4( 31148γ+⇔

°

Diagramma stabile

)%03.2()%25.4(1153

CCCl grCγ+⇔

°






I due diagrammi sono caratterizzati da:• una trasformazione eutettoidica• una trasformazione eutettoidica

( ) ( )077% 002%C F C C⇔ +Diagramma metastabile

γ α( . ) ( . )077% 002%727

3C Fe C CC

perlite

⇔ +°

Diagramma stabileγ α( . ) ( . )069% 002%

738C C C

Cgr⇔ +

°






I due diagrammi sono caratterizzati da:• una trasformazione peritettica• una trasformazione peritettica

)%16.0()%1.0()%51.0(1487

CCClCγδ

°⇔+


Punti criticiDiagramma di fase Fe – C

A1 : T equilibrio austenite ⇔ perliteA3 : T equilibrio austenite ⇔ ferrite αA T ilib i i f i δA4 : T equilibrio austenite ⇔ ferrite δAcm : T equilibrio austenite ⇔ cementite


Punti criticiDiagramma di fase Fe – C

Per ognuno di questi punti critici si possono distinguere:A : T di equilibrio della trasformazioneAe : T di equilibrio della trasformazioneAc : T alla quale la trasformazione

avviene mediante riscaldamentoA : T alla quale la trasformazioneAr : T alla quale la trasformazione

avviene mediante raffreddamento

La differenza fra la Ac ed Ar è dovutac ralla cinetica di reazione delle nuovefasi ed a quella di diffusione del C.Solitamente Ac ≅ Ae

Di i i di A ll’ tDiminuzione di Ar1 all’aumentare della velocità di raffreddamento


Influenza degli elementi di l ll’ id


di lega sull’eutettoide


Spesso si farà riferimento sia per il diagramma stabile che per


Spesso si farà riferimento, sia per il diagramma stabile che perquello metastabile, ad una forma semplificata del diagramma difase in cui:ase cu :• Si considera nulla la solubilità del C all’interno del reticolo CCCdel ferro α;• Si trascura l’esistenza della reazione peritettica;


La presenza dell’eutettico individua convenzionalmente due diversi materialiferrosi: gli acciai e le ghise I primi hanno n tenore di carbonio inferiore alla


ferrosi: gli acciai e le ghise. I primi hanno un tenore di carbonio inferiore allamassima solubilità nell’austenite, le seconde formano, durante la solidificazione,una fase grafitica o cementitica. Nel caso di leghe binarie il confine convenzionale

i d i li è i di id d l di 2 11%Ctra i due materiali è individuato dal tenore di 2,11%C.

ACCIAI GHISE


ACCIAI GHISE

Gli acciai possono essere suddivisi in ipoeutettoidici, eutettoidici o


p pipereutettoidici, in base al tenore di carbonio, nel caso in cui esso siarispettivamente inferiore, uguale o superiore al tenore dell’eutettoide (che nelcaso di leghe binarie Fe-C e pari allo 0,77%C).caso di leghe binarie Fe C e pari allo 0,77%C).

dici

ici

oidi

ci

eutt

etto

id

utte

ttoi

di

reut

tett

o


ipoe eu iper

Per quanto riguarda le ghise possono essere distinte in ipoeutettiche,


q g g p peutettiche o ipereutettiche, in base al tenore del carbonio rispettivamenteinferiore, uguale o superiore all’eutettico (nelle leghe binare Fe-C è pari allo4,3%).4,3%).


Solidificazione di leghe binarie Fe-C


secondo il diagramma metastabile


Solidificazione di leghe binarie Fe-C


secondo il diagramma stabile


Nella micrografia, le zone scure


Raffreddamento acciaio eutettoidicog ,

sono le lamelle di cementite (Fe3C), mentre la fase chiara è la

ferrite αBordo grano austenite

(°C

)

Bordo grano austenite

pera

tura

(

Cementite Direzione di

Eutettoide

Tem

p Cementite(Fe3C)

Diffusione del C

Direzione di crescita della

perlitePerlite

(%C)



Raffreddamento acciaio ipoeutettoidico°C

) Perlite

erat

ura

(°

α proeutettoideα eutettoide

Tem

pe α eutettoide

(%C)( )



Raffreddamento acciaio ipoeutettoidico

La perlite è un aggregato eutettoidico ottenuto mediante latrasformazione isotermica dell’austenite .Presenta l’11% in peso di cementite Fe3C e l’89% in pesop 3 pdi ferrite α.L’aggregato è generalmente lamellare.La cementite è la fase nucleante


La cementite è la fase nucleante.Un parametro importante è la distanza interlamellare Δ


Applicazione della regola della leva per la determinazione dellaApplicazione della regola della leva per la determinazione della percentuale di perlite in una lega binaria Fe-C ipoeutettoidica



Raffreddamento acciaio ipereutettoidico°C

) Perlite

erat

ura

(°

Fe3C proeutettoide Fe C eutettoide

Tem

pe proeutettoide Fe3C eutettoide

(%C)( )



Raffreddamento acciai: influenza tenore di C su microstruttura

Francesco Iacoviello Università di CassinoIpoeutettoidico eutettoidico ipereutettoidico


Raffreddamento acciai: influenza tenore di C su microstruttura



Acciai ferrito-perlitici: microstruttura e proprietà meccanicheLe proprietà meccaniche e tecnologiche di questo tipo di acciai dipendono da:• Frazioni in peso e ripartizione di ogni fase

P t i i t tt li d d l di t i t l ll

p p p

• Parametri microstrutturali come grandezza del grano, distanza interlamellaredella perlite…

Influenza del tenore di C

Influenza della dimensione del grano ferritico d


Acciai ferrito-perlitici: microstruttura e proprietà meccaniche


p p pInfluenza degli elementi di lega

• Modifica delle reazioni, delle temperature e dei tenori corrispondenti alle, p ptemperature eutettiche ed eutettoidiche;• Modifica dell’estensione dei domini di esistenza delle soluzioni solide (effettogammageno ed alfageno)gammageno ed alfageno)

Ad esempio (per %C<0,6):Ac1(°C) = 727 + 10,7(%Mn) - 16,9 (%Ni) + 29,1 (%Si) + 16,9 (%Cr) + 6,38 (%W) 1+ 290 (%As)

( )R R X k di i= + +∑ −0

1 2β % /( )R R X k de e i ii

+ +∑0 β %

Rm(MPa)=265+(480+1,95(%Mn))(%C)+20,6(%Mn)+(0,17+0,008(C))(%Mn)+700(%P) + 235(%Si) + k(%P) + 235(%Si) + kove k dipende dalle dimensioni del provino di trazione e va da -20 a +20 MPa.


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