Leghe di ferro, ghise e acciai

23/07/2019 0 Di Silvano Orsini

L’uso del ferro e delle leghe nelle applicazioni dell’uomo come evoluzione tecnica della produzione industriale

Fin dall’età del ferro è noto che Il ferro puro è un metallo con caratteristiche meccaniche scadenti ed è molto difficile da ottenere.

Durante il processo di fusione e solidificazione di un metallo si possono aggiungere altri elementi chimici (combinazioni binarie e ternarie) per cambiare le proprietà meccaniche e tecnologiche:

Solvente: sostanza presente in maggior quantità in una soluzione, metallo principale, atomo proprio, ad esempio ferro
Soluto: materia secondaria, atomo estraneo, ad esempio carbonio o nichel

Si possono ottenere soluzioni solide:

Interstiziali (Ferro – Carbonio)
Sostituzionali (Ferro – Nichel)

Secondo la dimensione dell’atomo del soluto.

Diagrammi di stato o di equilibrio

I diagrammi d’equilibrio sono grafici che mostrano quali fasi, cioé quali materiali sono presenti in una miscela o miscuglio di due o più elementi, che sia in equilibrio col suo ambiente e permette di stabilire:

il numero di fasi presenti
la loro composizione chimica
la quantità relativa di ciascuna di esse
la microstruttura

in funzione della temperatura, della pressione e della composizione globale del sistema.

Regola della fasi

L’ingegnere e fisico statunitense Josiah Willard Gibbs ha formulato una relazione tra il numero F di fasi che coesistono all’equilibrio in un certo sistema, il numero C di componenti che può essere usato per descrivere il sistema e il numero di gradi di libertà V.

In un sistema binario, a pressione costante, se è presente una sola fase ad una data temperatura, la composizione può variare entro certi limiti; se sono presenti 2 fasi si hanno composizioni ben determinate alle varie temperature. Infine, 3 fasi possono coesistere solo per un determinato valore di temperatura e delle composizioni.

Se si hanno “f” fasi, “c” componenti, 2 parametri fisici (pressione e temperatura), il numero di variabili indipendenti (varianza del sistema) è: v=c-f+2.

Due elementi puri possono essere mescolati insieme in un numero infinito di proporzioni diverse. Per ciascuna composizione globale lo stato di equilibrio (il numero di fasi coesistenti, la loro composizione e le quantità relative di ciascuna) è funzione dei parametri fisici temperatura e pressione.

La maggior parte delle operazioni connesse col trattamento dei materiali sono compiute alla pressione atmosferica, o prossima ad essa. Perciò la pressione non rappresenta in generale una variabile molto significativa, e nei diagrammi è in genere posta uguale ad 1,013 bar.

Poiché un grado di libertà è legato alla pressione, la regola delle fasi assume la forma

v (varianza)=c (componenti) – f (fasi) + 1

Quando c = 2, l’equilibrio di una sola fase ha due gradi di libertà (temperatura e composizione) ed è rappresentato da una superficie, o campo di fase, nel diagramma.

L’equilibrio bifasico ha un grado di libertà; se la temperatura è prefissata, le composizioni delle fasi in equilibrio sono determinate. Un equilibrio di due fasi è rappresentato nel diagramma da due linee, che sono le curve temperatura-composizione per le due fasi in equilibrio tra loro.

Con un ragionamento analogo si può dire che l’equilibrio di tre fasi è rappresentato da un punto, ed è dunque invariante.

Sistema binario e diagramma di equilibrio

Una soluzione solida è una soluzione allo stato solido di uno o più soluti in un solvente.

Tale miscela si considera una soluzione piuttosto che un composto quando la struttura cristallina del solvente rimane immutata dopo l’aggiunta dei soluti, e quando la miscela resta in un’unica fase omogenea.

Ciò accade spesso quando i due elementi coinvolti, generalmente metalli, sono vicini sulla tavola periodica; per converso, un composto chimico generalmente è il risultato della non prossimità dei due metalli coinvolti sulla tavola periodica.

Diagramma di equilibrio di una soluzione solida fra due componenti, A e B, completamente solubili fra loro allo stato liquido e solido. È possibile ricavare il numero di fasi presenti ad una certa temperatura e la loro composizione.

Il diagramma consiste di una regione monofasica del liquido, di una regione monofasica del solido, e di una regione bifasica del liquido più il solido.

Le curve temperatura-composizione per ciascuna fase nell’equilibrio bifasico sono le due curve che separano la regione bifasica dalle due regioni monofasiche.

La curva denominata liquidus (luogo geometrico dei punti di inizio solidificazione) è la curva temperatura-composizione per la fase liquida in equilibrio col solido, quella denominata solidus (luogo geometrico dei punti di fine solidificazione) è la curva temperatura-composizione per la fase solida in equilibrio col liquido.

Il fatto che queste due curve non coincidano tranne che in punti isolati (in questo caso, i punti di fusione di A e di B) conferma la regola delle fasi, la quale sancisce che l’equilibrio bifasico deve avere un grado di libertà. Se le curve solidus e liquidus coincidessero, al variare della temperatura in un sistema binario a due fasi una di queste dovrebbe scomparire.

Poiché le curve solidus e liquidus sono curve temperatura-composizione per le due fasi in equilibrio, gli estremi di un segmento orizzontale che congiunge le due curve rappresenteranno le composizioni delle due fasi, alla temperatura corrispondente. Questi segmenti orizzontali nelle regioni bifasiche sono denominati linee connodali.

E possibile ricavare da un diagramma d’equilibrio la composizione delle fasi presenti a qualunque temperatura se è in equilibrio. Sia dunque una lega di composizione C0 nota. Se questa lega è in equilibrio alla temperatura corrispondente al punto a, si compone di una sola fase liquida di composizione C0; se viene raffreddata lentamente al punto b darà un solido di composizione iniziale Csi.

Continuando a raffreddare (in modo lento per mantenere l’equilibrio) la composizione media del solido segue la curva solidus, e la composizione media del liquido segue la curva liquidus fino a che non si raggiunge la temperatura al punto c: qui il materiale è costituito dal solido di composizione Cs in equilibrio col liquido di composizione Cl.

Se si raffredda ancora fino al punto d l’ultimo residuo di liquido ha la composizione Clf, e la composizione globale del solido coincide con la composizione globale della lega iniziale. Ad ogni temperatura inferiore a quella del punto d il materiale è completamente solido e ha composizione C0.

Regola della leva

I diagrammi d’equilibrio consentono anche il calcolo delle quantità relative in percentuale di ciascuna fase presente a quella temperatura. I segmenti orizzontali che congiungono le due curve rappresenteranno anche le composizioni % tra liquido e solido.

Si misurano le lunghezze lineari dei segmenti:

punto c – Cl (x) e punto c – Cs (y)

x + y = A

(x / A) * 100 = % liquido

(y / A) * 100 = % liquido

Sistema binario con eutettico

L’eutettico non è una soluzione solida ma una miscela meccanica dei cristalli dei due componenti, con la produzione di grani a lamelle con A e B alternati.

Le curve del diagramma d’equilibrio delimitano il campo di esistenza della fase liquida e della fase liquida in equilibrio con quella solida mentre una retta delimita il campo di esistenza dello stato solido.

Come si nota dal grafico, relativo a componenti immiscibili allo stato solido e completamente miscibili allo stato liquido, i punti TA e TB sono rispettivamente la temperatura di fusione di un generico solido A e la temperatura di fusione di un generico solido B; rappresentano l’origine delle curve.

La retta che tocca il punto E, punto caratteristico e definito punto eutettico, intercetta sul valore TE e delimita il campo di esistenza dello stato solido.

Immaginiamo, ad esempio, di essere in presenza di una fase liquida composta da una soluzione di un sale o da due metalli alligabili e definita dal punto P1 a cui compete un valore di temperatura T1 e di composizione C1.

Diminuendo via via la temperatura, raggiunto il valore TA il solido A comincia a separarsi dalla soluzione. Essendo questo sistema monovariante (puro), continuando a diminuire la temperatura ci si sposta lungo la curva TAE senza che si abbia la scomparsa dell’equilibrio, con la miscela liquida che si arricchisce nel componente B.

Raggiunto il punto eutettico E, si ottiene una miscela eutettica la cui composizione, data una determinata soluzione formata da due determinati componenti, è sempre la medesima. Questo è un punto di invarianza, per cui se si continua a sottrarre calore si ottiene la scomparsa della fase liquida con formazione dell’eutettico solido.

Varianza dove la temperatura è costante = 2 comp. – 3 fasi (A puro + liquido + B puro) + 1 = 0

Partendo da un punto P2 e diminuendo man mano la temperatura si ottiene lo stesso andamento visto in precedenza. In questo caso, però, il solvente è il componente B e ci si muove lungo la curva di TBE con successivo arricchimento della miscela liquida nel componente A fino al raggiungimento del punto eutettico.

I grani saranno in parte di A puro e B puro e di A+B in forma lamellare.

Diagramma Ferro-Carbonio Fe-C

Il ferro puro presenta 3 forme allotropiche e le leghe Fe-C costituiscono gli acciai e le ghise in cui l’aggiunta del Carbonio è fondamentale.

L’aggiunta del Carbonio determina le fasi e le temperature di transizione vengono chiamate critiche e contrassegnate con la lettera A. Il diagramma di stato ferro-carbonio fotografa i punti di equilibrio delle principali leghe del ferro per l’uso industriale.

Leggere il diagramma partendo da in alto a sinistra.

A = 1536 °C

Ferro Delta Fe-δ: a 1536 °C (punto di fusione del ferro) verso il basso, la struttura cristallina è di tipo cubico a corpo centrato CCC e rimane stabile fino a 1392°C

Fase Delta δ: Ferro Delta Fe-δ + C

Ferrite δ: È la soluzione interstiziale del carbonio nel ferro δ (ccc). 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.

A4 = 1392°C

Ferro Gamma Fe-γ: a 1392°C la struttura cristallina cambia in cubico a facce centrate CFC e rimane stabile fino a 911°C

Fase Gamma γ: Ferro Gamma Fe-γ + C

Austenite: È la soluzione solida interstiziale del carbonio nel ferro γ (cfc). 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.

A3 = 911°C

Ferro Alfa Fe-α: a 911°C la struttura cristallina cambia nuovamente in cubico a corpo centrato CCC e rimane stabile (ferromagnetico fino alla temperatura di 769°C)

A1 = 727°C

Fase Alfa α: Ferro Alfa Fe-α + C

Ferrite α: È la soluzione interstiziale formata da piccole quantità di carbonio nel reticolo CCC del ferro α. La presenza di atomi di carbonio nel reticolo CCC 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 può raggiungere un valore massimo dello 0.02% (a 727 °C).

L’acciaio ipoeutettoidico è un acciaio con tenore di carbonio inferiore a quello dell’eutettoide, circa 0,77% in peso di carbonio. La sua struttura è costituita da perlite e ferrite proeutettoidica, ottenute a una temperatura superiore a quella eutettoidica (circa 727 °C).

L’acciaio eutettoidico è un acciaio con tenore di carbonio pari a 0,77% che, in questo caso, corrisponde ad una temperatura di solubilità solida di 727 °C, dove la fase γ (austenite) si trasforma in una struttura lamellare composta da fase α (ferrite) + Fe3C (cementite) detta perlite.

Gli acciai ipereutettoidici sono acciai con tenori di carbonio superiori a quelli dell’eutettoide, ma minori dell’inizio dell’eutettica (mai oltre il 2,11%, altrimenti si parla di ghise). Dal punto di vista microstrutturale, un acciaio ipereutettoidico è costituito da perlite e cementite secondaria, formatasi a temperature superiori a quella dell’eutettoidica, che si trova a circa 727 °C.

Al variare del contenuto di carbonio, nell’acciaio si modificano alcuni parametri fisico-meccanici importanti. Nello specifico, minore è il tasso di carbonio minore è la resistenza meccanica e la fragilità mentre crescono la duttilità (elevata capacità di deformazione in campo plastico) e la saldabilità del ferro.

In base al tasso di carbonio, le leghe di ferro si dividono in: