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Appunti - Tecnologia dei Materiali - Il diagramma di stato Ferro, Appunti di Tecnologia Dei Materiali. Università della Calabria

Tecnologia Dei Materiali

Descrizione: Appunti di Tecnologia dei Materiali con i diagrammi di stato Ferro/Carbonio
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Universita: Università della Calabria
Indirizzo: Ingegneria
Data di caricamento: 20/09/2011
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deky87 - Università di Napoli Federico II

ottimo file ;)

23/01/13 17:53
deky87 - Università di Napoli Federico II

ottimo file ;)

23/01/13 17:40
paolac78 - Università di Palermo

buono

20/04/12 16:05
andreasala - Politecnico di Milano

ottimo

20/01/12 11:04
pincipinci - Università di Napoli Federico II

ottimo

10/12/11 22:57
Presentazione di PowerPoint

Per le animazioni utilizzare la barra spaziatrice; per “muoversi” all’interno della rappresentazione utilizzare i pulsanti e/o le “parole calde”.

Il diagramma di stato Ferro – Carbonio, in esame, presenta le linee dell’equilibrio stabile (quelle tratteggiate) ovvero il diagramma ferro-grafite e le linee del diagramma metastabile (quelle continue) ovvero il diagramma ferro-cementite.

Noi studieremo il diagramma ferro-cementite perché le leghe in oggetto sono gli acciai comuni (quelli catalogati come C…; esempio C30,…) e le ghise bianche.

Per studiare le leghe ferrose in equilibrio (dunque le strutture presenti dopo un trattamento termico di ricottura o, al limite, di normalizzazione) sul diagramma ferro – cementite (Fe-Fe3C) occorre procedere come segue:

- tracciare una linea parallela all’asse delle ordinate passante per la concentrazione desiderata (esempio C80 sarà 0,80 % C);

- segnare le intersezioni di questa linea con le curve del diagramma;

- numerare i punti di intersezione (partire da 0 nel campo di tutto liquido): quando si incontra una isoterma usare la tecnica del doppio punto chiamandone uno con lo *, esempio 2*-2 (serve per ricordare l’invarianza);

- tracciare la relativa curva di raffreddamento ricordando che “curva chiama curva” e “isoterma chiama isoterma”;

- tracciare il diagramma della regola della leva al fine di conoscere la quantità delle fasi e/o strutture presenti in equilibrio alle varie temperature per le varie concentrazioni.

Nb. Per un aiuto andare al file scrittura_lettura_diagrammi_stato

Per l’animazione premere la barra spaziatrice

In rosso la curva del liquidus, in blu la curva del solidus, in verde le curve di saturazione

TERMINE ANIMAZIONE

Esempi di studio di leghe ferrose:

- C80;

- C60;

- C100;

- C30;

- ghisa bianca al 3% C

- Regola della leva

SCEGLIERE

Per l’animazione premere la barra spaziatrice

0

1

2

3* - 3

C CL TERMINE ANIMAZIONE

0,80

CURVA DI RAFFREDDAMENTO DEL C80 T[°C]

t[s]

0

1

2

Ta

0

3*

3

Dal punto 0 al punto 1 abbiamo lo stato liquido: soluzione L(0,80%C)

Nel punto 1 inizia la solidificazione: si forma il primo cristallo di austenite (C%C)

La solidificazione prosegue: per le strutture coesistenti le rispettive concentrazioni di carbonio saranno dettate dai confini dei campi; in particolare il liquido L(0,80%CCL%C) e l’austenite (C%C0,80%C)

Nel punto 2 termina la solidificazione: avremo tutto solido formato da austenite (0,80%C)

Il raffreddamento prosegue: nel punto 3* l’austenite, trovandosi alla concentrazione eutettoidica e alla temperatura eutettoidica (723 °C) si trasformerà in perlite Pe(0,80%C)

La trasformazione avviene isotermicamente e termina nel punto 3; l’intervallo di tempo da 3* a 3 rappresenta il tempo necessario alla trasformazione

In 3 la trasformazione è terminata: abbiamo tutta perlite Pe(0,80%C) e questa si manterrà sino a temperatura ambiente

TERMINE ANIMAZIONE

723

PER ANIMAZIONE PREMERE BARRA SPAZIATRICE

Per l’animazione premere la barra spaziatrice

0

1

2

4* - 4

C CL TERMINE ANIMAZIONE

3

0,60

CURVA DI RAFFREDDAMENTO DEL C60 T[°C]

t[s]

0

1

2

Ta

0

4*

4

Dal punto 0 al punto 1 abbiamo lo stato liquido: soluzione L(0,60%C)

Nel punto 1 inizia la solidificazione: si forma il primo cristallo di austenite (C%C)

La solidificazione prosegue: per le strutture coesistenti le rispettive concentrazioni di carbonio saranno dettate dai confini dei campi; in particolare il liquido L(0,60%CCL%C) e l’austenite (C%C0,60%C)

Nel punto 2 termina la solidificazione: avremo tutto solido formato da austenite (0,60%C)

Il raffreddamento prosegue: nel punto 3 l’austenite inizia la segregazione della ferrite proeutettoide; tale segregazione proseguirà fino al punto 4*: in tale punto l’austenite avrà raggiunto la concentrazione di 0,80 % C e trovandosi alla temperatura eutettoidica (723 °C) si trasformerà in perlite Pe(0,80%C)

La trasformazione avviene isotermicamente e termina nel punto 4; l’intervallo di tempo da 4* a 4 rappresenta il tempo necessario alla trasformazione: tale intervallo sarà massimo quando la % di carbonio sarà 0,80; da 4* a 4 la ferrite segregata “guarderà” l’austenite trasformarsi in perlite.

In 4 la trasformazione è terminata: avremo perlite Pe(0,80%C) e ferrite: praticamente le stesse strutture che saranno presenti a temperatura ambiente

TERMINE ANIMAZIONE

723

3

PER ANIMAZIONE PREMERE BARRA SPAZIATRICE

Per l’animazione premere la barra spaziatrice

0

1

2

4* - 4

C CL TERMINE ANIMAZIONE

3

1,00

CURVA DI RAFFREDDAMENTO DEL C100 T[°C]

t[s]

0

1

2

Ta

0

4*

4

Dal punto 0 al punto 1 abbiamo lo stato liquido: soluzione L(1,00%C)

Nel punto 1 inizia la solidificazione: si forma il primo cristallo di austenite (C%C)

La solidificazione prosegue: per le strutture coesistenti le rispettive concentrazioni di carbonio saranno dettate dai confini dei campi; in particolare il liquido L(1,00%CCL%C) e l’austenite (C%C1,00%C)

Nel punto 2 termina la solidificazione: avremo tutto solido formato da austenite (1,00%C)

Il raffreddamento prosegue: nel punto 3 l’austenite inizia la segregazione della cementite (detta secondaria) proeutettoide; tale segregazione proseguirà fino al punto 4*: in tale punto l’austenite avrà raggiunto la concentrazione di 0,80 % C e trovandosi alla temperatura eutettoidica (723 °C) si trasformerà in perlite Pe(0,80%C)

La trasformazione avviene isotermicamente e termina nel punto 4; l’intervallo di tempo da 4* a 4 rappresenta il tempo necessario alla trasformazione: tale intervallo sarà massimo quando la % di carbonio sarà 0,80; da 4* a 4 la cementite segregata “guarderà” l’austenite trasformarsi in perlite.

In 4 la trasformazione è terminata: avremo perlite Pe(0,80%C) e cementite: praticamente le stesse strutture presenti a temperatura ambiente

TERMINE ANIMAZIONE

723

3

PER ANIMAZIONE PREMERE BARRA SPAZIATRICE

Per l’animazione premere la barra spaziatrice

0 1

2*=2

5* -5

C CL TERMINE ANIMAZIONE

4

0,30

3

CURVA DI RAFFREDDAMENTO DEL C30

T[°C]

t[s]

0

1

2*

Ta

0

5*

5

Dal punto 0 al punto 1 abbiamo lo stato liquido: soluzione L(0,30%C)

Nel punto 1 inizia la solidificazione: si forma il primo cristallo di ferrite (C%C)

La solidificazione prosegue: per le strutture coesistenti le rispettive concentrazioni di carbonio saranno dettate dai confini dei campi; in particolare il liquido L(0,30%C0,51%C) e la ferrite (C%C0,10%C)

Nel punto 2* avremo ferrite (0,10%C) e liquido L(0,51%C) ed essendo a temperatura peritettica inizierà la reazione peritettica: il liquido ed il solido  scambieranno atomi per formare un nuovo solido, nascerà la austenite (0,16%C)

Nel punto 2 terminerà la reazione peritettica: è scomparsa la ferrite  ed avremo coesistenti il liquido L(0,51%C) [in quantità minore rispetto al punto 2*] e la austenite (0,16%C)

La trasformazione avviene isotermicamente e termina nel punto 5; l’intervallo di tempo da 5* a 5 rappresenta il tempo necessario alla trasformazione: tale intervallo sarà massimo quando la % di carbonio sarà 0,80; da 5* a 5 la ferrite segregata “guarderà” l’austenite trasformarsi in perlite.In 5 la trasformazione è terminata: avremo

perlite Pe(0,80%C) e ferrite: praticamente le stesse strutture che saranno presenti a temperatura ambiente

TERMINE ANIMAZIONE

723

3

2 1493

Dal punto 2 al punto 3 prosegue la solidificazione: L(0,51%CCL%C) e (0,16%C0,30%C)

Nel punto 3 termina la solidificazione: avremo austenite (0,30%C) e questa si mantiene fino al punto 4 dove inizia la segregazione della ferrite proeutettoide; tale segregazione proseguirà fino al punto 5*: in tale punto l’austenite avrà raggiunto la concentrazione di 0,80 % C e trovandosi alla temperatura eutettoidica (723 °C) si trasformerà in perlite Pe(0,80%C)

4

PER ANIMAZIONE PREMERE BARRA SPAZIATRICE

Per l’animazione premere la barra spaziatrice

0

1

2* - 2

3* - 3

3%

TERMINE ANIMAZIONE

C

CURVA DI RAFFREDDAMENTO DELLA GHISA AL 3 % C T[°C]

t[s]

0

1

2

Ta

0

3* 3

Dal punto 0 al punto 1 abbiamo lo stato liquido: soluzione L(3%C)

Nel punto 1 inizia la solidificazione: si forma il primo cristallo di austenite (C%C)

La solidificazione prosegue: per le strutture coesistenti le rispettive concentrazioni di carbonio saranno dettate dai confini dei campi; in particolare il liquido L(3%C4,3%C) e l’austenite (C %C2,06%C)

Nel punto 2* l’austenite ha raggiunto la concentrazione del 2,06%C ed il liquido ha raggiunto la concentrazione eutettica L(4,3%C): trovandosi alla temperatura eutettica si trasformerà in ledeburite Le(4,3%C); la trasformazione termina nel punto 2 e termina anche la solidificazione. L’intervallo di tempo 2* - 2 è il tempo necessario alla trasformazione eutettica: tale intervallo di tempo sarà massimo al 4,3%C.

Il raffreddamento prosegue: dal punto 2 al punto punto 3* l’austenite espelle la cementite secondaria portandosi alla concentrazione eutettoidica e trovandosi alla temperatura eutettoidica (723 °C) si trasformerà in perlite Pe(0,80%C): questo sia per la austenite fuori che quella eutettica

La trasformazione avviene isotermicamente e termina nel punto 3; l’intervallo di tempo da 3* a 3 rappresenta il tempo necessario alla trasformazione: la ledeburite che contiene la perlite si dirà ledeburite trasformata e si indicherà LeT(4,3%C)

In 3 la trasformazione è terminata: abbiamo perlite Pe(0,80%C), cementite secondaria e LeT(4,3%C) e si manterranno sino a temperatura ambiente

TERMINE ANIMAZIONE

723

1147

2*

PER ANIMAZIONE PREMERE BARRA SPAZIATRICE

Regola della leva grafica: rappresenta la quantità delle fasi e/o delle strutture in equilibrio ad una determinata temperatura alle varie concentrazioni; l’altezza del parallelogramma è fatto 100, in modo da avere le percentuali delle fasi e/o strutture presenti, oppure la quantità trattata (ad esempio in kg). La base del parallelogramma avrà la percentuale di carbonio.

Legenda: L liquido, soluzione solida con ferro delta solvente, austenite (soluzione con ferro gamma solvente, nome dallo studioso Austen), Le ledeburite (formata da austenite e cementite), LeT ledeburite trasformata (formata da perlite e cementite), Pe perlite (formata da ferrite e cementite), cm cementite, cmI cementite primaria (quella formatasi dal liquido), cmII cementite secondaria (quella formatasi dalla saturazione della austenite), cmIII cementite terziaria (quella formatasi dalla saturazione della ferrite, trascurata ai fini pratici perché in esigua quantità), Fe ferrite (usiamo il simbolo del ferro perché la quantità di cementite sciolta la possiamo ritenere trascurabile ai fini pratici).

L 

0,10 0,51 6,67%C

Fasi e strutture (coincidono) presenti a 1493 °C+ cioè un istante prima dell’inizio della reazione peritettica (non in scala!)

0,10 0,16 0,51 6,67%C

Fasi e strutture (coincidono) presenti a 1493 °C- cioè un istante dopo la reazione peritettica

L 

L 

2,06 6,67%C

Fasi e strutture (coincidono) presenti a 1147 °C+ cioè un istante prima dell’inizio della trasformazione eutettica (non in scala!).

2,06 6,67%C

Fasi presenti a 1147 °C- cioè al termine della trasformazione eutettica

4,3

cm

cm

Le 

2,06 6,67%C

Strutture presenti a 1147 °C- cioè al termine della trasformazione eutettica (non in scala!).

4,3

cmI

Come si può notare ciò che prima era liquido è diventato ledeburite Le

Sovrapponendo il diagramma delle fasi a quello delle strutture si possono “risolvere” le strutture ovvero vedere la quantità delle fasi che compongono la struttura; in questo caso la struttura da risolvere è la ledeburite

cmI

2,06 6,67%C

Strutture presenti a 1147 °C- cioè al termine della trasformazione eutettica (non in scala!): risolvendo la struttura con la sovrapposizione del diagramma delle fasi usando il colore blu.

4,3

cmI

La ledeburite risulta composta da cmI e da 

0,80 6,67%C

Fasi presenti a 723 °C+ cioè un istante prima dell’inizio della trasformazione eutettoidica. Trascurando la cementite terziaria e cioè pensando che l’isoterma eutettoidica giunga fino allo 0%C e non allo 0,02%C (non in scala!).

6,67%C

Fasi presenti a 723 °C- cioè al termine della trasformazione eutettoidica

Fe

cm

cm

Fe

0,80 6,67%C

Strutture presenti a 723 °C+ cioè un istante prima dell’inizio della trasformazione eutettoidica. Trascurando la cementite terziaria e cioè pensando che l’isoterma eutettoidica giunga fino allo 0%C e non allo 0,02%C (non in scala!).

6,67%C

Strutture presenti a 723 °C- cioè al termine della trasformazione eutettoidica: si noti che  è diventato Pe e Le è diventata LeT

cmI

Fe

2,06 4,3

cmII Le

cmII

Fe

cmI

cmI

LeTFe

Pe

4,32,060,80

Perlite è il nome che viene dato all’eutettoide (presente nel campo degli acciai). Il nome deriva dall’aspetto perlaceo che si presenta alla osservazione al microscopio metallografico.

Nasce alla temperatura di 723 °C per una concentrazione dell’austenite pari allo 0,80 %C.

Quando nasce è formata da ferrite  che scioglie lo 0,20 % C e da cementite (carburo di ferro Fe3C che contiene il 6,67 % C); questa cementite è detta secondaria perché proviene dalla dissoluzione della austenite (cementite primaria è quella che si forma direttamente dal liquido).

Poiché al diminuire della temperatura la ferrite  si satura con valori decrescenti di carbonio: 0,008 %C a temperatura ambiente avremo che all’interno della perlite appare la cementite terziaria (quella espulsa dalla ferrite ) e quindi possiamo affermare che la perlite è formata a temperatura ambiente Ta da: ferrite (0,008 % C) + cementite secondaria + cementite terziaria.

Praticamente però la quantità di cementite terziaria è trascurabile e si può confondere la ferrite  con Fe (ferro): potremo affermare che la perlite è composta da ferro e cementite secondaria. (Meglio sempre dire da ferrite e cementite).

La ferrite proeutettoide segregata non sarà sempre della stessa qualità ma la concentrazione di carbonio sciolta sarà data dal suo confine: la concentrazione iniziale si determinerà tracciando l’isoterma che passa per il punto 3. Al diminuire della temperatura la concentrazione di carbonio aumenterà e raggiungerà il valore di 0,020 alla temperatura di 723 °C (temperatura eutettoidica). Al diminuire della temperatura, una volta avvenuta la trasformazione della austenite in perlite, tenderà al valore di 0,008 % C espellendo la cementite chiamata terziaria.

Se si trascura la cementite terziaria si potrà affermare che la austenite praticamente espellerà ferro al fine di raggiungere la concentrazione dello 0,80 % C per poi diventare perlite.

La ledeburite è il nome che viene dato all’eutettico (dallo studioso Ledebur); nasce alla temperatura di 1147 °C quando il liquido ha un tenore di carbonio pari al 4,3%. Quando nasce è formata da austenite (2,06%C) e da cementite primaria Fe3C (6,67%C); al diminuire della temperatura l’austenite seguendo la sua curva di saturazione passerà dal tenore sciolto di 2,06%C al tenore di 0,80%C alla temperatura di 723 °C: espellerà cementite, che sarà chiamata secondaria. Alla temperatura di 723 °C, isotermicamente, diventerà perlite. La ledeburite assumerà il nome di ledeburite trasformata e conterrà: perlite(0,80%C), cementite secondaria, cementite primaria (quella che si era formata a 1147 °C e che poi ha osservato l’austenite nel processo di saturazione. Trascurando la cementite terziaria le strutture presenti a 723 °C saranno le stesse presenti a temperatura ambiente.

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