Solidificazione e trasformazioni allo stato solido

Diagrammi di stato: che cosa rappresentano e come si utilizzano

I diagrammi di stato rappresentano le condizioni di equilibrio termodinamico di un materiale, indicando le fasi presenti in funzione di variabili come T, P e composizione. È possibile quindi identificare quali transizioni di fase avvengono. Per quanto riguarda questo corso sono stati studiati dei diagrammi di stato di leghe binarie a pressione costante, con la frazione molare di uno dei componenti in ascissa e la T in ordinata.

Grazie a questi diagrammi è possibile prevedere la composizione microstrutturale della lega a seguito di riscaldamento o raffreddamento sufficientemente lenti da garantire il raggiungimento dell’equilibrio termodinamico.

Si parte dalla composizione della lega e si traccia una linea verticale; in base alle linee attraversate si potranno definire le fasi presenti, la loro composizione e la loro quantità relativa (regola della leva). In questo modo è possibile prevedere la struttura finale della lega e le trasformazioni che essa subisce.

Diagramma di stato: definire cosa sono fasi e costituenti strutturali

Una fase è una porzione di materiale omogenea e distinta, delimitata da una superficie di separazione. Esempi di fase sono la fase liquida, una lega alfa o un composto intermetallico.

Un componente strutturale è invece una porzione riconoscibile della microstruttura, costituita da una o più fasi associate tra loro secondo una specifica morfologia. Un costituente strutturale può essere ad esempio il solido eutettico: è composto da lamelle di due solidi distinti (2 fasi), ma il rapporto dei loro spessori è definito, quindi sono presenti in quantità precise.

Che cosa si intende per trasformazioni invariati? Descriverne almeno 2 tipologie con riferimento al diagramma di stato Fe C

Le trasformazioni invarianti sono trasformazioni che avvengono a temperatura e composizione costante. Si definiscono invarianti perché la varianza è nulla. Le principali trasformazioni invarianti sono:

-          Eutettica: un liquido si trasforma in due fasi solidi

-          Peritettica: un liquido e un solido si trasformano in un altro solido

-          Monotettica: un liquido si trasforma in un altro liquido e un solido

-          Eutettoidica: un solido si trasforma in altri due solidi

-          Peritettoidica: due solidi si trasformano in un terzo

Nel diagramma ferro carbonio possiamo individuare una trasformazione eutettica che produce ledeburite, un costituente strutturale composto da lamelle di cementite e austenite a partire da un liquido. È presente anche una trasformazione eutettoidica che produce perlite, un costituente strutturale composto da lamelle di ferrite e cementite a partire da austenite. Infine c’è una trasformazione peritettica dove liquido e ferrite danno origine a austenite.

Descrivere il processo di solidificazione

La solidificazione è il processo tramite cui una lega passa dallo stato liquido allo stato solido. Avviene in due fasi principali: nucleazione e accrescimento.

La nucleazione è il processo tramite cui si formano i primi nuclei solidi nel liquido. Perché ciò accada l’energia libera di Gibbs deve diminuire; l’aumento di superficie causa un aumento di g siccome è necessaria energia per formare la nuova interfaccia solido-liquido, mentre l’aumento di volume porta una diminuzione di g in quanto la fase solida è più stabile della liquida.  Esiste quindi un raggio critico oltre cui g diminuisce; con raggi minori il nucleo si dissolve, con raggi maggiori invece passa alla fase di accrescimento. La nucleazione può essere di due tipi: omogenea se avviene direttamente in fase liquida e forma cristalli sferici, eterogenea se la nucleazione avviene a partire da una superficie preesistente (impurità, pareti dello stampo). È favorita la nucleazione eterogenea perché necessita di minore energia di attivazione in quanto la superficie di interfaccia solido-liquido sarà minore.

Dopo la nucleazione avviene il processo di accrescimento, tramite cui il grano iniziale aumenta la sua dimensione. La nucleazione è favorita se il sistema viene sottoraffreddato; al contrario l’accrescimento è più veloce se le temperature sono più alte, così che gli atomi possano diffondere più facilmente nel liquido. Ci sarà quindi una temperatura di ottimo che permette di avere una velocità di formazione del cristallo massima. Se si opera con basso sottoraffreddamento si ottengono pochi grani di grandi dimensioni che possono dare fenomeni di coalescenza, ad elevato sottoraffreddamento si hanno tanto grani fini.

Il numero di grani modifica le proprietà del metallo: la presenza di tanti bordi di grano blocca le dislocazioni, quindi il materiale con tanti grani fini avrà una maggior durezza, ma una minore lavorabilità.

In quale intervallo di temperatura è stabile la struttura austenitica di un acciaio al carbonio? Quali sono gli elementi austenitizzanti?

L’austenite è un lega ferro-carbonio che presenta un reticolo cristallino cubico a facce centrate (CFC). È stabile a temperature al di sopra dei 720°C e al di sotto dei 1500°C circa. Per poter ottenere austenite anche a T ambiente nella lega sono aggiunti elementi austenitizzanti il cui compito è abbassare la T di stabilità della lega. Gli elementi austenitizzanti sono nichel, manganese, carbonio e azoto.

Cos’è la perlite e come si forma? Descrivere microstruttura e proprietà

La perlite è un costituente strutturale che si forma grazie a una trasformazione eutettoide. A circa 720°C l’austenite si trasforma in cementite e ferrite che si dispongono in lamelle alternate. Un raffreddamento più veloce forma perlite fine con lamelle più sottili siccome la diffusione avviene in modo limitato, mentre un raffreddamento lento forma perlite grossolana con spessori maggiori. Il rapporto tra gli spessori rimane però costante a prescindere dalla velocità di raffreddamento. La perlite presenta proprietà intermedie tra ferrite e cementite: maggior durezza della ferrite, ma minore duttilità. La perlite fine è più resistente e dura di quella grossolana perché la maggior presenza di bordi di grano ostacola lo scorrimento delle dislocazioni.

Cos’è la bainite e come si forma? descrivere microstruttura e proprietà

La bainite è un costituente microstrutturale metastabile che si ottiene a partire da austenite. Si ottiene tramite un raffreddamento abbastanza rapido che permette solo una parziale diffusione del carbonio e quindi in una matrice di ferrite si formano aghi di cementite. Se il raffreddamento fosse lento si otterrebbe invece perlite, composta da lamelle di ferrite e cementite; se invece fosse più veloce si otterrebbe martensite, un acciaio metastabile con struttura cristallina tetragonale. La bainite superiore si forma a alte temperature e presenta degli aghi di dimensioni maggiori; la bainite inferiore invece si forma a temperature inferiori e gli aghi di cementite sono molto fini. Ha proprietà intermedie tra perlite e martensite, quindi una durezza maggiore della perlite con una fragilità inferiore rispetto alla martensite.

Cos’è la martensite e come si forma? descrivere microstruttura e proprietà

La martensite è una fase metastabile che si forma grazie a un raffreddamento molto veloce dell’austenite (tempra) che impedisce la diffusione del carbonio. Da questa trasformazione si ottiene un reticolo cristallino tetragonale a corpo centrato. Questo determina un materiale estremamente duro e resistente, ma anche fragile e poco tenace. È quindi necessario fare un rinvenimento termico per ridurre le tensioni interne e migliorare la tenacità.

Spiegare le differenze tra nucleazione omogenea ed eterogenea.

La nucleazione è il processo tramite cui si formano i primi nuclei solidi nel liquido. Perché ciò accada l’energia libera di Gibbs deve diminuire; l’aumento di superficie causa un aumento di g siccome è necessaria energia per formare la nuova interfaccia solido-liquido, mentre l’aumento di volume porta una diminuzione di g in quanto la fase solida è più stabile della liquida.  Esiste quindi un raggio critico oltre cui g diminuisce; con raggi minori il nucleo si dissolve, con raggi maggiori invece passa alla fase di accrescimento. La nucleazione può essere di due tipi: omogenea se avviene direttamente in fase liquida e forma cristalli sferici, eterogenea se la nucleazione avviene a partire da una superficie preesistente (impurità, pareti dello stampo). È favorita la nucleazione eterogenea perché necessita di minore energia di attivazione in quanto la superficie di interfaccia solido-liquido sarà minore.

Descrivere la differenza tra fase e costituente strutturale. Fate riferimento come esempio alla perlite, e descrivetene la microstruttura. Quali sono invece le microstrutture degli acciai che si ottengono in condizioni di non-equilibrio?

Una fase è una porzione del sistema che presenta proprietà omogenee e divisa dal resto del sistema tramite una superficie di separazione. Esempi di fase sono la fase liquida, una fase solida alfa oppure un composto intermetallico.

Un costituente strutturale è invece una porzione del sistema con una composizione microstrutturale ben definita, composta da una o più fasi, con una morfologia precisa. Esempi di componenti microstrutturali sono la perlite o la ledeburite.

La perlite è un componente strutturale che si ottiene tramite una trasformazione eutettoidica: a partire da austenite si ottengono lamelle alternate di cementite e ferrite (2 fasi).

In condizioni di non equilibrio negli acciai si possono ottenere due componenti strutturali metastabili: bainite e martensite. La bainite si forma a partire da austenite tramite un raffreddamento abbastanza rapido, così che la diffusione del carbonio sia parzialmente impedita; anziché perlite si ottiene quindi una microstruttura composta da aghi di cementite contenuti in una matrice di ferrite. Se il raffreddamento è ancora più veloce si ottiene martensite che presenta un reticolo tetragonale a corpo centrato.

Descrivere l’influenza della temperatura sul processo di nucleazione e accrescimento

La nucleazione è il processo tramite cui si formano i primi nuclei solidi nel liquido. Dopo la nucleazione avviene il processo di accrescimento, tramite cui il grano iniziale aumenta la sua dimensione. La nucleazione è favorita se il sistema viene sottoraffreddato; al contrario l’accrescimento è più veloce se le temperature sono più alte, così che gli atomi possano diffondere più facilmente nel liquido. Ci sarà quindi una temperatura di ottimo che permette di avere una velocità di formazione del cristallo massima. Se si opera con basso sottoraffreddamento si ottengono pochi grani di grandi dimensioni che possono dare fenomeni di coalescenza, ad elevato sottoraffreddamento si hanno tanto grani fini.

Il numero di grani modifica le proprietà del metallo: la presenza di tanti bordi di grano blocca le dislocazioni, quindi il materiale con tanti grani fini avrà una maggior durezza, ma una minore lavorabilità.

Trattamenti termici dei materiali: per quel motivo si effettuano e con quali modalità?

I trattamenti termici sono processi di riscaldamento e raffreddamento controllati usati per controllare la microstruttura dei materiali metallici e quindi le loro proprietà.

Ricottura: una volta lavorato il materiale viene nuovamente scaldato. Quando il materiale subisce deformazione plastica avviene il fenomeno dell’incrudimento: si formano molte dislocazioni che iniziano a ostacolarsi a vicenda, rendendo il materiale fragile. Scaldando nuovamente il materiale si eliminano queste tensioni aggiuntive e si riduce il numero di dislocazioni.

Tempra: l’acciaio è raffreddato molto velocemente, così si impedisce la diffusione del carbonio e si forma martensite. Questo metallo ha una struttura cristallina tetragonale e risulta molto più duro, però anche fragile.

Rinvenimento: dopo la tempra il materiale è troppo fragile; viene quindi scaldato leggermente così che smisceli parte del carbonio, le sue tensioni interne diminuiscano e sia meno fragile.

Solubilizzazione: il materiale una volta formato viene nuovamente scaldato per aggiungere altri elementi di lega. È successivamente raffreddare velocemente, così da mantenere una distribuzione uniforme e evitare precipitazione.

Cementazione / nitrazione: tramite lo stesso processo si aggiungono C / N che portano ad un indurimento della superficie del materiale.

A quale scopo si effettua la Prova Jomini e come si effettua?

La prova Jomini si effettua per controllare come si comporta un materiale se sottoposto a tempra. La tempra è un trattamento termico che prevede di raffreddare velocemente l’acciaio austenitico, così da produrre martensite. Il problema è che non tutto il materiale riuscirà a raffreddarsi in modo omogeneo: la superficie si raffredderà più velocemente rispetto al nucleo centrale, che quindi può trasformarsi in altre microstrutture come bainite o perlite. Questa prova prevede di prendere un provino cilindrico di materiale, scaldarlo per portarlo a austenite e raffreddarlo a un’estremità tramite getti di acqua fredda. In questo modo l’estremità colpita sarà il punto del materiale che si raffredda più velocemente e sarà quindi più duro, mentre allontanandosi il raffreddamento sarà più lento e il materiale meno duro. Si può quindi correlare la distanza dal punto di raffreddamento alla durezza raggiunta; i materiali con alta temprabilità avranno una durezza elevata anche lontano dall’estremità, quelli a bassa temprabilità invece no.

Descrivere quali microstrutture si possano ottenere delle leghe Fe-C in funzione delle modalità di raffreddamento

Le microstrutture ottenibili dipendono principalmente dalla velocità di raffreddamento dell’austenite, siccome variando il raffreddamento si modificano i meccanismi di diffusione del carbonio e quindi la struttura del materiale.

Ferrite: fase con struttura cristallina cubica a corpo centrato, si ottiene per raffreddamento lento di acciai ipoeuttetoidici. È un materiale duttile e tenero.

Cementite (Fe3C): composto intermetallico duro e fragile

Perlite: è un costituente strutturale formato da lamelle di ferrite e cementite, si ottiene per raffreddamento lento dell’austenite. Raffreddamenti molto lenti producono perlite grossolana, mentre quelli più rapidi perlite più fine.

Bainite: è un costituente strutturale formato da aghi di cementite in una matrice di ferrite. Si ottiene per raffreddamento mediamente veloce

Martensite: è una fase con struttura tetragonale a corpo centrato, si ottiene per raffreddamento molto veloce (tempra) che impedisce la diffusione del carbonio. È molto dura, ma anche molto fragile.

Austenite: con l’aggiunta di elementi di lega austenitizzanti è possibile ottenere austenite anche a T ambiente. È una fase con struttura cristallina cubica a facce centrate.

Cosa si intende per temprabilità di un acciaio e da cosa dipende?

La tempra è un trattamento termico che prevede di raffreddare velocemente l’acciaio austenitico, così da produrre martensite. La martensite presenta una durezza molto elevata, però al contempo è un materiale fragile. Il problema è che non tutto il materiale riuscirà a raffreddarsi in modo omogeneo: la superficie si raffredderà più velocemente rispetto al nucleo centrale, che quindi può trasformarsi in altre microstrutture come bainite o perlite. La temprabilità rappresenta la capacità di indurirsi in profondità tramite tempra, quindi dipende da quanto uniformemente sarà il raffreddamento. Un acciaio con elevata temprabilità riesce a formare martensite anche nelle zone interne, mentre uno con bassa temprabilità si indurisce solo superficialmente. La temprabilità dipende dalla composizione chimica dell’acciaio, dalla dimensione del pezzo e dal mezzo di raffreddamento. Si misura tramite la prova Jominy.