Diagramma di fase ferro-carbonio
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Il ferro e le sue leghe costituiscono la base dell’ingegneria dei materiali moderna. Sono utilizzati per realizzare strutture portanti, utensili, macchine ed elementi di infrastrutture industriali. La chiave per comprendere il comportamento di questi materiali, sia allo stato solido che durante i processi termici, risiede nell’analisi del diagramma di fase ferro-carbonio (Fe-C).
Il diagramma di fase Fe-C descrive le trasformazioni di fase di equilibrio che si verificano nelle leghe di ferro contenenti fino a circa il 6,7% di carbonio. In pratica, tuttavia, le leghe con un contenuto molto inferiore di questo elemento sono di maggiore importanza, ovvero gli acciai (fino al 2,11% di C) e le ghise (oltre il 2,11% di C). La conoscenza del diagramma di fase Fe-C ci permette di prevedere:
- Quali strutture cristalline si formeranno nella lega dopo il raffreddamento;
- Quali saranno le sue proprietà meccaniche e tecnologiche;
- Come pianificare il trattamento termico per ottenere l’effetto desiderato.
Per questo motivo il diagramma di fase ferro-carbonio è considerato il più importante diagramma di equilibrio di fase in metallurgia e costituisce la base per la progettazione, la lavorazione e la modifica delle leghe di ferro.
Caratteristiche del diagramma di fase ferro-carbonio
Il diagramma di fase ferro-carbonio (Fe-C) è un grafico che mostra la relazione tra il contenuto di carbonio e la temperatura per le leghe di ferro in uno stato di equilibrio termodinamico. Questo diagramma copre un intervallo fino al 6,67% di C, che corrisponde alla composizione chimica della cementite (Fe₃C), un composto intermetallico solido di ferro e carbonio.
Nella pratica industriale, le leghe contenenti fino al 4,3% di carbonio, cioè vari tipi di acciaio e ghisa, sono di grande importanza. Questo diagramma consente di determinare quali fasi e microstrutture saranno presenti nel materiale a una data temperatura e quali trasformazioni di fase si verificheranno durante il raffreddamento o il riscaldamento.
Nel diagramma di fase Fe-C sono presenti tre fasi principali: ferrite (α), una fase morbida e duttile con un reticolo regolare a corpo centrato (BCC), in grado di dissolvere solo tracce di carbonio; austenite (γ), una fase con un reticolo regolare a facce centrate (FCC), che si verifica a temperature più elevate e può dissolvere fino al 2,11% di carbonio; e cementite (Fe₃C), un composto chimico con durezza molto elevata ma bassa plasticità.
I punti caratteristici del grafico sono particolarmente importanti: il punto eutettoide (727 °C, 0,8% C), al quale l’austenite si trasforma in una miscela di ferrite e cementite, ovvero perlite; e il punto eutettico (1147 °C, 4,3% C), dove il metallo liquido forma la ledeburite, una miscela di austenite e cementite. Vale anche la pena menzionare la trasformazione peritectica (1495 °C, 0,16% C), che ha principalmente un’importanza teorica.
Il diagramma di fase Fe-C è uno strumento di base utilizzato nella progettazione delle leghe di ferro, nonché nella pianificazione del loro trattamento termico e nella previsione delle loro proprietà operative.
Cementite, ferrite e austenite
Le fasi fondamentali che compaiono nel diagramma di fase ferro-carbonio sono la cementite (Fe₃C), la ferrite (α) e l’austenite (γ). La loro presenza, quantità e proporzioni reciproche determinano la struttura e le proprietà della lega, sia allo stato grezzo che dopo il trattamento termico.
La cementite (Fe₃C) è un composto chimico di ferro e carbonio con un contenuto di carbonio pari al 6,67% C. È una fase molto dura e fragile con una durezza che può raggiungere gli 800 HV, ma a causa della sua mancanza di plasticità non è un materiale utile di per sé. Si presenta come componente di strutture complesse quali la perlite e la ledeburite, dove la sua presenza influisce in modo significativo sulla resistenza all’abrasione e sulla durezza del materiale.
Ferrite (α) è una soluzione solida di carbonio in ferro alfa con un reticolo spazialmente centrato (BCC). È una fase morbida, duttile e facilmente lavorabile che contiene solo tracce di carbonio, con un massimo dello 0,02% a 727 °C. È grazie a queste proprietà che la ferrite è la fase principale responsabile della duttilità e della formabilità negli acciai a basso tenore di carbonio.
L’austenite (γ) è una soluzione solida di carbonio in ferro gamma con un reticolo cubico a facce centrate (FCC). Questa fase si forma a temperature più elevate e la sua solubilità al carbonio raggiunge il 2,11% di C a 1147 °C. L’austenite è duttile e non magnetica, il che la rende particolarmente preziosa nei processi di trattamento termico e indurimento superficiale. Inoltre, grazie alla sua struttura, l’austenite può essere trasformata in altre fasi (ad esempio la martensite) a seguito di un raffreddamento rapido.
La relazione tra queste tre fasi (cementite, ferrite e austenite) è fondamentale per comprendere il comportamento delle leghe di ferro durante il raffreddamento, il riscaldamento e la saturazione con elementi. Le trasformazioni di fase controllate consentono agli ingegneri di adattare la microstruttura dell’acciaio e della ghisa per soddisfare specifici requisiti tecnologici e operativi.
Perlite, ledeburite ed eutettoidi
La perlite è una miscela a grana fine e stratificata di due fasi, ferrite e cementite, che si forma a seguito della trasformazione eutettoide dell’austenite a una temperatura di 727 °C e con un contenuto di carbonio dello 0,8%. Ha una caratteristica struttura lamellare, simile a strati alternati, che combina una moderata durezza con una buona plasticità. Negli acciai al carbonio, la perlite è comune ed è responsabile della favorevole combinazione di resistenza e lavorabilità.
La ledeburite è una miscela di austenite e cementite, che si forma a una temperatura di 1147 °C e con un contenuto di carbonio del 4,3% C a seguito di una trasformazione eutettica liquida. Si trova principalmente nella ghisa, dove è responsabile dell’elevata durezza e resistenza all’abrasione; tuttavia, limita contemporaneamente la duttilità e la lavorabilità del materiale. Con l’ulteriore raffreddamento, l’austenite contenuta nella ledeburite subisce trasformazioni secondarie, ad esempio in perlite o bainite, a seconda della velocità di raffreddamento.
Gli eutettoidi e gli eutettici sono punti speciali sul diagramma di equilibrio Fe-C in cui una fase si trasforma in una miscela di altre due:
- Nel caso dell’eutettoide, l’austenite si decompone in ferrite e cementite (perlite);
- Nel caso dell’eutettico, il metallo liquido si solidifica direttamente in una miscela di austenite e cementite (ledeburite).
Classificazione delle leghe ferro-carbonio: acciai e ghise
Le leghe ferro-carbonio non sono classificate esclusivamente in base alla loro struttura, ma principalmente in base al loro contenuto di carbonio. Il valore limite che separa i due principali gruppi di materiali è 2,11% C, corrispondente al punto eutettoide nel diagramma di fase Fe-C.
Gli acciai sono leghe di ferro che contengono fino al 2,11% di carbonio. Sono caratterizzati da buona plasticità, duttilità e lavorabilità. Grazie alla presenza di austenite, ferrite e perlite, gli acciai possono essere temprati, ricotti e rinvenuti, il che consente di modificarne la struttura e di adattarne le proprietà a specifiche applicazioni. Si distinguono, tra gli altri, i seguenti tipi:
- Acciai a basso tenore di carbonio (fino allo 0,3% di C): morbidi, facilmente saldabili, utilizzati in strutture portanti;
- Acciai a medio tenore di carbonio (0,3-0,6% di C): con proprietà di resistenza equilibrate;
- Acciai ad alto tenore di carbonio (oltre lo 0,6% di C): duri, resistenti all’usura, utilizzati per utensili.
Le ghise sono leghe con un contenuto di carbonio superiore al 2,11% C, che provoca la loro solidificazione attraverso trasformazioni eutettiche e contengono ledeburite. Questi materiali sono resistenti all’usura, facilmente colabili e relativamente economici; tuttavia, sono anche fragili e difficili da lavorare. A seconda della forma in cui il carbonio è presente nella struttura (cementite o grafite), si distinguono i seguenti tipi:
- Ghisa bianca: con cementite, molto dura ma fragile;
- Ghisa grigia: con grafite lamellare, più lavorabile e antivibrante;
- Ghisa sferoidale (SG): con grafite sferoidale, con migliori proprietà di resistenza;
- Ghisa sferoidale: trattata termicamente, con grafite fine, che conferisce maggiore duttilità.
Applicazione del diagramma di equilibrio Fe-C nella pratica industriale
Il diagramma di fase ferro-carbonio (Fe-C) è uno degli strumenti più importanti utilizzati nell’ingegneria dei materiali. Ci permette di comprendere e prevedere i cambiamenti strutturali che si verificano nelle leghe di ferro durante il riscaldamento e il raffreddamento, il che è fondamentale per pianificare i processi tecnologici e analizzare le prestazioni dei materiali.
Il diagramma può essere utilizzato, tra l’altro, per determinare a quali temperature avvengono le trasformazioni di fase, per identificare le strutture cristalline presenti in un determinato intervallo di temperatura e per comprendere come cambiano le proprietà meccaniche di una lega al variare del suo contenuto di carbonio. In pratica, ciò consente agli ingegneri di progettare l’intero processo di lavorazione dei materiali, dalla fusione al trattamento termico finale. La conoscenza del diagramma viene utilizzata per:
- Selezionare i parametri di trattamento termico come tempra, ricottura, rinvenimento o normalizzazione;
- Diagnostica strutturale dei materiali, in particolare nella valutazione della qualità della fusione o nella rilevazione di difetti termici;
- Progettare composizioni di leghe per specifiche applicazioni meccaniche, termiche e di corrosione.
Vale anche la pena notare che il diagramma Fe-C funge da punto di partenza per comprendere diagrammi di fase più complessi, come quelli degli acciai legati, dove, oltre al carbonio, sono presenti altri elementi come cromo, nichel o molibdeno, che influenzano le trasformazioni di fase e la formazione di nuove strutture.
Di conseguenza, la sua applicazione comprende quasi tutte le fasi della produzione e dell’uso delle leghe di ferro, dalla progettazione della composizione chimica alle simulazioni delle trasformazioni termiche, fino all’ottimizzazione della durata e dell’affidabilità dei componenti e delle strutture finiti.
Diagramma di fase ferro-carbonio – sintesi
Il diagramma di fase ferro-carbonio (Fe-C) è alla base dell’ingegneria dei materiali e della metallurgia moderne. Ci permette di comprendere come le variazioni del contenuto di carbonio e della temperatura influenzano la microstruttura, le proprietà meccaniche e il comportamento tecnologico delle leghe di ferro. Grazie a queste conoscenze, gli ingegneri possono progettare consapevolmente i processi tecnologici e selezionare i materiali appropriati per le diverse applicazioni.
La comprensione del diagramma Fe-C consente di controllare le trasformazioni di fase, come la trasformazione eutettica dell’austenite in perlite o la solidificazione eutettica delle leghe di ghisa in una struttura ledeburitica. Ciò consente un controllo preciso della durezza, della plasticità, della resistenza all’abrasione e della suscettibilità al trattamento termico, che si traduce direttamente nella durata e nell’affidabilità dei componenti strutturali.
Sebbene il diagramma di fase Fe-C sembri relativamente semplice, il suo significato pratico è molto importante. È dalla sua analisi che ha inizio la progettazione dell’acciaio e della ghisa, la loro modifica, nonché la diagnosi della microstruttura e delle cause di danneggiamento nei prodotti finiti. In questo senso, il diagramma di equilibrio Fe-C non è solo uno strumento accademico, ma uno strumento quotidiano per gli ingegneri, che consente loro di combinare la teoria con la pratica, a vantaggio della durata, della sicurezza e dell’efficienza di tutte le infrastrutture tecniche a base di ferro.
