Diagramma Ferro Carbonio

Diagramma Ferro Carbonio: introduzione

Il Diagramma Ferro Carbonio è indispensabile per la comprensione e l’analisi dei cambiamenti di stato relativi ai metalli e alle sue leghe (come acciaio e ghisa), determinati dalle temperature.

Prenderemo in considerazione il Diagramma che tiene conto anche della presenza della Cementite o Carburo di Ferro (Fe₃C), un composto intermetallico e metastabile la cui composizione corrisponde al 6,69% di carbonio, come la porzione del diagramma di cui andremmo a tener conto (in genere non supera il 4%).

Inoltre, la Grafite viene “resa” completamente solubile per semplificare la lettura del Diagramma (in realtà la solubilità è limitata al 5%), oppure si dovrebbe parlare di Diagramma di stato ad alta percentuale di carbonio.

La metastabilità della Cementite non è da considerarsi problematica per il semplice fatto che ha tempi di decomponimento non percepibili su scala umana.

La classificazione degli acciai data dal Carbonio   

Gli acciai sono leghe composte da ferro, carbonio e altri elementi in quantità estremamente variabili. Il carbonio però, ne determina una prima classificazione:

• Acciai ipoeutettoidi, con tenore < 0,77% (la sua struttura è costituita da perlite);
• Acciai eutettoidi, con tenore = 0,77%;
• Acciai ipereutettoidi, con tenore > 0,77%, <2,11% (la sua struttura è costituita da cementite secondaria. Con un tenore di carbonio maggiore, si parla di ghisa).

Il Diagramma

Nell’immagine sopra, troviamo un diagramma semplificato che ci aiuterà a determinare tutti gli elementi del medesimo.

Per prima cosa analizziamo le varie trasformazioni chiamate “invarianti”, e le varie trasformazioni date dal cambiamento di temperatura:

• Peritettica (1495°C, 0,17% di carbonio) a questa temperatura solidi e liquidi reagiscono per formare l’austenite, rimanendo invariata fino alla scomparsa della fase delta;
• Eutettica (1148°C, 4,3% di carbonio) qui è dove l’austenite si fonde con la cementite per creare un eutettico chiamato ledeburrite;
• Eutettoidica (727°C, 0,8% di carbonio) tutti i residui di austenite si decompongono creando una miscela di ferrite e cementite, la Perlite.

Ora passiamo ad un’altra informazione importante: la solubilità del carbonio nel ferro.

Dal Diagramma riusciamo ad interpretare che nella fase Alfa (struttura cristallina Cubica a Corpo Centrato), la massima solubilità del carbonio presente nel ferro durante la trasformazione di base, è molto bassa e pari a 0,008.
Più la nostra temperatura aumenterà, più aumenterà la solubilità. Difatti, arrivati a 727°C, la solubilità aumenta fino a 0,02.
Ora passiamo a Gamma (struttura cristallina Cubica a Facce Centrate), in cui abbiamo una percentuale di solubilità alta, 2,11, da questo valore in poi il carbonio non verrà più in soluzione solida con il ferro.
Quest’ultimo valore citato è molto importante, in quanto denota l’esistenza della ghisa.
In Delta (struttura cristallina Cubica a Corpo Centrato), il comportamento sarà molto simile ad Alfa, con la differenza che avremmo più stabilità ad alte temperature invece che a quelle basse (Alfa).

Parlando della solubilità de carbonio, abbiamo identificato i costituenti strutturali del diagramma:

• Cubico Corpo Centrato (CCC) – Ferro α (basse temperature) – Ferrite
• Cubico Facce Centrate (CFC) – Ferro γ – Austenite
• Cubico Corpo Centrato (CCC) – Ferro δ (Alte temperature) – Ferrite

Per quanto riguarda la Cementite, la possiamo differenziare in tre categorie, a seconda della sua provenienza:

• Primaria (monofasica) – Cementite derivante dal liquido;
• Secondaria (monofasica) – Cementite derivante dallo smiscelamento di γ;
• Terziaria (bifasica) – Cementite derivante dallo smiscelamento di α.

Un’altra fase (bifasica) importante è quella che avviene sotto l’orizzontale eutettoidica, in cui prende forma la Perlite, costituita da placchette di Ferro α alternate da Cementite.
Abbiamo infine un’altra monofase, quella dall’eutettico, all’eutettoidica, la ledeburite.

Queste trasformazioni vengono individuate seguendo i punti critici che a loro volta, determinano l’esatto punto in cui avviene il cambio di fase. 

• A3 – Temperatura che durante il raffreddamento, rende possibile l’emissione di cristalli di Ferrite α da parte dell’Austenite. Può anche intendersi il contrario, cioè la temperatura in cui la lega termina la sua trasformazione in Austenite.
• A1 – Temperatura che durante i riscaldamento permette a l’Austenite eutettoide di formarsi dalla Perlite, a sua volta costituita da un aggregato lamellare ottenuto dalla trasformazione inversa, quindi con il raffreddamento dell’Austenite.
• Acm – Temperatura in cui l’Austenite, durante il raffreddamento di un acciaio ipereutettoide, emette dei cristalli di Cementite secondaria. Viceversa, si tratterà del momento in cui un acciaio ipereutettoide si trasformai in Austenite.
• A4 – Temperatura di equilibrio tra l’Austenite e la Ferrite del Ferro δ (al di sotto della quale è stabile solo l’Austenite).
• Ms – Temperatura in cui durante il raffreddamento, l’Austenite residua si trasforma in Martensite.
• Mf – Temperatura in cui la formazione della Martensite cessa.

Questi punti critici determinano effetti negativi come la variazione di Volume, ma anche effetti positivi come:

• L’affinamento creato dalla diminuzione della dimensione dei grani;
• Le anisotropie cristalline vengono soppresse;
• Le impurezze vengono “ridistribuite”.

 Ora proseguiamo con elencare i componenti strutturali monofasici citati finora:

• Ferrite di α e δ – Ha un carico di rottura molto basso e un allungamento alto, presentandosi con una grana tondeggiante.
• Austenite – Ha un grano spezzato in cui si notano gli slittamenti data da una deformazione plastica.
• Cementite primaria – Non si nota nessun grano. Difatti non ha nessuna resistenza alla trazione o all’allungamento.
• Cementite secondaria – Mostra un grano grosso, duro e senza resistenza alla trazione. Che si traduce in fragilità e una percentuale nulla di allungamento.
• Cementite Terziaria – Mostra un grano più spesso e come per la secondaria non ha una percentuale di allungamento ed è molto fragile.

I componenti strutturali bifasici invece:

• Ledeburite e Ledeburite trasformata;
• Perlite – La Perlite la troviamo sotto forma cristallina.