Il diagramma ferro-carbonio ottenuto nel 1897 dallo scienziato inglese Sir William Chandler Roberts-Austen indica le fasi presenti nell’acciaio in funzione del contenuto di carbonio e della temperatura. La comprensione del diagramma ferro-carbonio consente agli addetti ai lavori di adattare la composizione e il trattamento termico dell’acciaio per ottenere le proprietà desiderate.
Inoltre, il diagramma ferro-carbonio costituisce una guida cruciale nella progettazione delle leghe. Introducendo, infatti, elementi come cromo, nichel e molibdeno, il diagramma può essere modificato, consentendo la creazione di acciai inossidabili, acciai per utensili e altre leghe specializzate con proprietà uniche.
Sull’asse delle ascisse del diagramma ferro-carbonio è posta la percentuale in massa di carbonio mentre sull’asse delle ordinate è posta la temperatura. Generalmente è mostrato solo il contenuto di carbonio tecnicamente interessante che va dallo 0 al 6.67% in quanto le leghe che contengono più del 6.67% di carbonio formano una fase di cementite al 100%.
Il diagramma ferro-carbonio fornisce indicazioni di come diversi livelli di carbonio nella composizione dell’acciaio influenzano i suoi cambiamenti e sulle fasi presenti fasi nel corso del riscaldamento e del raffreddamento
Regioni del diagramma ferro-carbonio
Ogni regione all’interno del diagramma di fase indica la fase o le fasi presenti per una particolare composizione e temperatura della lega. Gli atomi di ogni fase si trovano in diverse strutture cristalline che influenzano proprietà, come la resistenza o la flessibilità.
Reticolo cubico a corpo centrato
Cristallo cubico a corpo centrato (BCC) : consiste in un atomo per ogni vertice di un cubo e un atomo al centro dello stesso. È una struttura poco flessibile e i materiali con questo tipo di struttura come la ferrite tendono a rompersi facilmente, anche se sono il più delle volte duri.
Tetragonale a corpo centrato (BCT) : è molto simile al BCC, ma con un asse distorto che lo rende più lungo o più corto degli altri due. Tale struttura è tipica della martensite
Cristallo cubico a facce centrate (FCC) costituito da un cubo ai cui vertici vi sono 8 atomi, molecole o ioni e uno al centro di ogni faccia del cubo. I materiali che rientrano in questa categoria come l’austenite sono flessibili e duttili.
Lamellare : i materiali che presentano questa struttura presentano sottili strati alternati costituiti da due materiali: ferrite, morbida e duttile, e cementite, dura ma fragile.
Ortorombica : è una struttura rigida e dura che può essere descritta come un cubo allungato con lati di lunghezze diverse. La cementite è ortorombica, motivo per cui è sia dura che fragile.
Nel diagramma ferro-carbonio, i campi di fase di interesse sono:
| Nome | Tipo di fase | Struttura | Caratteristiche |
| δ-ferrite | Ferro quasi puro e a basso tenore di carbonio | BCC | Duttile, magnetico, bassa resistenza, stabile fino a 912°C, si trasforma in austenite a temperature più elevate |
| γ-austenite | Solido | FCC | Duttile, non magnetico, stabile fino a 1.395 °C, si converte in ferrite a temperature più elevate |
| α-ferrite | Ferro a basso tenore di carbonio | BCC | Buona resistenza alla fatica, abbastanza resistente, formato dal raffreddamento dell’austenite |
| Cementite | Carburo di ferro (Fe3C) | Ortorombica | Duro, fragile, resistente alla corrosione se trattato, si forma con oltre il 7% di carbonio |
| Ledeburite | Miscela di austenite e cementite | Miscela eutettica | Elevato punto di fusione (1.147°C), presente nella ghisa, elevato contenuto di carbonio (4.3%) |
| Perlite | Strati alternati di ferrite e cementite | Lamellare | Forte, tenace, si forma quando raffreddata lentamente |
| Martensite | Austenite temprata | BCT | Estremamente duro e fragile, formato dal rapido raffreddamento (tempra) dell’austenite |
diagramma ferro-carbonio
Come si può vedere nel diagramma ferro-carbonio i campi di fase ferrite, austenite e cementite sono campi monofase. Indicano l’intervallo di contenuto di carbonio e temperature per cui la lega è composta da una fase singola. I campi di fase ferrite + cementite, ferrite + austenite e austenite + cementite sono campi bifase. Indicano l’intervallo di contenuto di carbonio e temperature per cui la lega è composta da due fasi.
I confini tra i campi di fase sono chiamati confini del campo di fase. I campi bifase sono sempre delimitati sul lato sinistro e destro da campi monofase e contengono le fasi indicate dai campi monofase confinanti. Le tre fasi principali ferrite, cementite e perlite dominano la microstruttura quando sottoposti a basse velocità di raffreddamento, impedendo la formazione di fasi metastabili.
Nel diagramma ferro-carbonio sono segmenti che attraversano orizzontalmente il grafico, che rappresentano una fase diversa nel cambiamento della microstruttura ferro-carbonio.
Temperature critiche nel diagramma ferro-carbonio
Le temperature critiche che possono essere rilevate in un diagramma ferro-carbonio sono quelle temperature in cui durante il raffreddamento o il riscaldamento, avvengono le trasformazioni di fase e magnetiche. Le temperature critiche principali sono:
Temperatura A0 – È la temperatura di Curie quando avviene il cambiamento da magnetico a non magnetico della cementite per riscaldamento. La struttura può sviluppare difetti come dislocazioni, faglie e lacune. La cementite è metallica e ferromagnetica con una temperatura di Curie di circa 210 °C. Quando legata, i soluti metallici sostituiscono i siti di ferro e atomi più piccoli come il boro sostituiscono il carbonio nei siti interstiziali.
Temperatura A1 – È la temperatura di 723 °C a cui avviene la trasformazione eutettoide. A questa temperatura la perlite (miscela di ferrite e cementite) si trasforma in austenite per riscaldamento e viceversa
Temperatura A2 – È chiamata temperatura di Curie della ferrite (768 °C), dove la ferrite ferromagnetica si trasforma in paramagnetica per riscaldamento. A questa temperatura non è coinvolta alcuna variazione nella microstruttura
Temperatura A3 – È la temperatura a cui la ferrite inizia a formarsi dall’austenite, raffreddando l’acciaio ipoeutettoide o le ultime tracce di ferrite libera si trasformano in austenite, riscaldando. È una funzione del contenuto di carbonio dell’acciaio, poiché diminuisce da 910 °C a 0% di carbonio a 727 °C allo 0.76% di carbonio. È anche chiamata temperatura critica superiore degli acciai ipoeutettoidi. L’intervallo di temperatura tra le temperature A1 e A3 è chiamato intervallo critico in cui l’austenite esiste in equilibrio con la ferrite.
Temperatura Acm – È la temperatura, in un acciaio iper-eutettoide, alla quale la cementite pro-eutettoide inizia a formarsi (durante il raffreddamento) dall’austenite. Varia con il contenuto di carbonio, diminuendo da 1150 °C a circa il 2.1% di carbonio a 727 °C alla composizione eutettoide corrispondente allo 0.77% di carbonio.
Per l’acciaio con più dello 0,77% di carbonio, è la temperatura al di sopra della quale l’intero acciaio diventa austenite. La linea Acm del diagramma ferro-carbonio illustra che la solubilità solida del carbonio nell’austenite diminuisce molto rapidamente da un massimo del 2.14% a 1148 °C a un massimo dello 0.76% a 727 °C, a causa della maggiore stabilità della cementite a temperature più basse. Il carbonio in eccesso precipita dall’austenite come cementite pro-eutettoide negli acciai iper-eutettoidi chiamata anche cementite secondaria nelle ghise. La separazione della cementite dall’austenite durante il raffreddamento è anche accompagnata dallo sviluppo di calore.
Temperatura A4 – È la temperatura alla quale l’austenite si trasforma in δ-Fe. Il valore più basso per questa temperatura è 1394 °C, che è nel caso del ferro puro. Questa temperatura aumenta all’aumentare della percentuale di carbonio.
Temperatura Ms – È la temperatura alla quale inizia la trasformazione dell’austenite in martensite durante il raffreddamento.
Temperatura Mf – È la temperatura alla quale termina la formazione di martensite durante il raffreddamento. Tutti i cambiamenti, ad eccezione della formazione di martensite, avvengono a temperature inferiori durante il raffreddamento rispetto al riscaldamento e dipendono dalla velocità di variazione della temperatura.
Trasformazioni di fase nel diagramma ferro-carbonio
Le trasformazioni di fase avvengono a seguito di riscaldamento o raffreddamento. Come si può vedere nel diagramma ferro-carbonio quando l’acciaio viene riscaldato a una temperatura superiore alla temperatura critica A3, in genere tra 850°C e 950°C. A questa temperatura, le fasi presenti nell’acciaio, ferrite e cementite, si trasformano in austenite.
Dopo aver mantenuto la temperatura di austenitizzazione per un tempo sufficiente a garantire la trasformazione completa, l’acciaio viene raffreddato in presenza di aria. Come si può vedere nel diagramma ferro-carbonio mentre l’acciaio si raffredda, passa attraverso il campo di fase ferrite + austenite e l’austenite inizia a trasformarsi in ferrite.
trasformazione
Quindi, quando l’acciaio si raffredda nel campo di fase ferrite + cementite, qualsiasi austenite rimanente si trasforma in ferrite + cementite. La microstruttura finale è costituita da grani di ferrite e regioni di perlite, che è cementite lamellare + ferrite.
Gli aspetti termodinamici e cinetici sono fondamentali per la comprensione e il controllo delle trasformazioni di fase del metallo che si verificano durante il trattamento termico, la fusione e la saldatura. L’aspetto termodinamico indica se una particolare trasformazione di fase è possibile in base al cambiamento di energia libera. Affinché si verifichi una trasformazione di fase, l’energia libera dello stato finale deve essere inferiore allo stato iniziale.
L’aspetto cinetico comporta la considerazione dei fattori che influenzano la nucleazione e la crescita di fase. Tali fattori includono l’energia di attivazione e la temperatura. L’energia di attivazione è la barriera energetica che deve essere superata affinché si verifichi una trasformazione. Temperature più elevate aumentano l’energia cinetica degli atomi, rendendo più facile superare la barriera energetica di attivazione.
Ad esempio, per l’acciaio con lo 0.5% di carbonio riscaldato a 850 °C, il raffreddamento a bassa velocità produce grandi grani di ferrite e perlite grossolana, mentre il raffreddamento a una velocità maggiore, come in aria, produrrà grani più piccoli di ferrite e perlite fine. Quindi, le fasi presenti sono le stesse, ma le microstrutture sono diverse. Il risultato sono diverse proprietà dell’acciaio, come diversa resistenza, duttilità, durezza e lavorabilità.
