Come leggere il diagramma Ferro-Carbonio

Tramite: O2O 02/02/2018
Difficoltà: media
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Introduzione

Il diagramma di stato Ferro-Carbonio è essenziale per la descrizione delle strutture di equilibrio delle principali leghe che si formano al variare della percentuale di carbonio e della temperatura.
Alcune di queste leghe sono la ghisa e l'acciaio molto frequenti, nelle loro varie forme, in qualsiasi applicazione industriale.
Possono esistere due differenti sistemi ferro-carbonio, a seconda che si consideri o no l'esistenza del carburo di ferro (Fe3C, cementite).
Come tutti i diagrammi di stato, ha lo scopo di rappresentare il numero e la composizione delle fasi presenti in un sistema in funzione della composizione chimica complessiva del sistema stesso e di alcune variabili fisiche.
Leggere il diagramma ferro-carbonio non si discosta molto dalla lettura di qualsiasi altro diagramma.

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Occorrente

  • Righello
  • Calcolatrice
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Lettura e caratteristiche dei diagrammi di stato

Per la costruzione e comprensione del diagramma è utile conoscere la regola delle fasi, o regola di Gibbs, per la definizione del grado di Varianza (V):

V = n + f - p

Dove:
- n, numero di componenti indipendenti. Ovvero gli individui chimici dei quali si può scrivere in modo completo la composizione di ognuna delle fasi presenti;
- f, fattori fisici. Quelle grandezze fisiche una cui variazione influisce sulla posizione degli equilibri che si stabiliscono nel sistema in esame;
- p, fasi. Porzioni di materia che presenta in ogni suo punto le stesse caratteristiche fisiche e chimiche ed è limitata da superfici ben definite che la separano dalle altre fasi.
- V, grado di varianza. Numero di variabili per le quali le condizioni del sistema sono esattamente definite.


I diagrammi di stato assumono spesso configurazioni comuni che possono essere applicate a casi più complessi facilitandone la comprensione.
1) Due componenti, miscibilità completa allo stato liquido, miscibilità nulla allo stato solido;
2) Due componenti, miscibilità completa sia allo stato solido sia allo stato liquido;
3) Due componenti, miscibilità completa sia allo stato solido sia allo stato liquido;
4) Due componenti, miscibilità completa allo stato liquido, miscibilità parziale allo stato solido;
5) Due componenti, formazione di un composto a fusione congruente e a fusione incongruente.

Nel diagramma ferro-carbonio in cui viene considerata la cementite, la composizione di essa corrisponde dal 6.69% di carbonio, pur essendo in verità un diagramma ferro-cementite è più comodo indicare le percentuali in carbonio e non in cementite. È da tenere ben presente che il composto è metastabile, ovvero non raggiunge la stabilità tuttavia ha tempi di decomponimento di gran lunga superiori a quelli percepibili su scala umana.

Nel diagramma il ferro puro si presenta sotto due forme cristalline diverse, una caratterizzata da una cella elementare cubica a corpo centrato (CCC) (ferro alfa, fino a 907°C) e l'altra da una cella elementare cubica a facce centrate (CFC) (ferro gamma, da 907°C a 1400°C). Da 1400°C a 1537°C torna stabile il ferro cubico a corpo centrato (CCC) (ferro delta) che in realtà è lo stesso ferro alfa di temperature più basse ma con conseguente dilatazione termica.

Solubilità del carbonio nel ferro:
- Il ferro alfa può sciogliere allo stato solido quantità piccolissime di carbonio: 0.02% a 723°C, temperatura di massima solubilità. Alle soluzioni solide di carbonio nel ferro alfa si da il nome di ferrite;
- Nel ferro delta si ha una solubilità leggermente maggiore di carboni, che raggiunge un massimo di circa 0.10% a 1493°C;
- Il ferro gamma può sciogliere quantitativi più rilevanti di carbonio, sino ad un massimo di 2.06% a 1147°C.
Alle soluzioni solide di carbonio nel ferro gamma si dà il nome di austenite.
Nella cella elementare dell'austenite il numero degli atomi di ferro, quattro, è uguale a quello delle posizioni disponibili per gli atomi di carbonio ma in realtà solo meno di 1/10 vengono occupati.

La solubilità nelle varie forme del ferro cambia in funzione della loro struttura cristallina. In una struttura con lacune maggiori possono essere inglobati più atomi di carbonio.

Nel diagramma ferro-carbonio vi sono delle particolari trasformazioni dette "invarianti", le cui condizioni di accadimento non possono essere variate (e quindi temperatura e composizione fissa).
Queste trasformazioni sono:
- Peritettica (1495°C, 0.17% di carbonio);
- Eutettica (1148°C, 4.3% di carbonio);
- Eutettoidica (723°C, 0.8% di carbonio).

A 1495°C, solido e liquido iniziano a reagire fra di loro formando l'austenite, avviene la trasformazione peritettica e si è in invarianza fino a che la fase delta non scompare.

L'austenite forma con la cementite un eutettico detto ledeburite che fonde a 1148°C .

A 723°C l'austenite residua che ha ormai cambiato la sua composizione si decompone in una miscela di cristalli minuti di ferrite e cementite a cui viene dato il nome di perlite. V =2+1-3 = 0

Alla composizione corrispondente all'ascissa 0.77% si da il nome di eutettoide del sistema ferro-cementite.

Il campo gamma può essere allargato additivando Ni, Mn, Co, Pt. Viceversa, può essere ristretto utilizzando Al, Cr, Si, Mo.

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Caratteristiche del diagramma ferro-carbonio

La lettura del diagramma ferro-carbonio è uguale a qualsiasi altro diagramma una volta compreso come esso è costruito e quali sono i punti rilevanti.

Come nel caso dei diagrammi numerati precedentemente, basta applicare la regola della leva. Nel caso ad esempio della tipologia "Due componenti, miscibilità completa allo stato liquido, miscibilità nulla allo stato solido", si ha:

Preso un punto nel settore di diagramma incluso fra lo stato liquido e quello solido (ovvero la regione in cui vi sono sia lo stato liquido che solido insieme) si congiunge con un segmento orizzontale questo punto un estremo del diagramma (ovvero il bordo che delimita lo stato solido o lo stato liquido) e si misura questa grandezza (chiamiamola cf) e lo stesso con l'altro estremo (dc), quindi:


Applicando la regola della leva:

%liquido = (cf)/(df) * 100;

%solido = (dc)/(df) * 100;

Il segmento può essere misurato col righello ed essendo una proporzione fra quantità uguali non è necessaria alcuna proporzione.

Analogamente si fa con le fasi del diagramma ferro-carbonio.

Continua la lettura
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Lettura del diagramma

La lettura del diagramma ferro-carbonio è uguale a qualsiasi altro diagramma una volta compreso come esso è costruito e quali sono i punti rilevanti.

Come nel caso dei diagrammi numerati precedentemente, basta applicare la regola della leva. Nel caso ad esempio della tipologia "Due componenti, miscibilità completa allo stato liquido, miscibilità nulla allo stato solido", si ha:

Preso un punto nel settore di diagramma incluso fra lo stato liquido e quello solido (ovvero la regione in cui vi sono sia lo stato liquido che solido insieme) si congiunge con un segmento orizzontale questo punto un estremo del diagramma (ovvero il bordo che delimita lo stato solido o lo stato liquido) e si misura questa grandezza (chiamiamola cf) e lo stesso con l'altro estremo (dc), quindi:


Applicando la regola della leva:

%liquido = (cf)/(df) * 100;

%solido = (dc)/(df) * 100;

Il segmento può essere misurato col righello ed essendo una proporzione fra quantità uguali non è necessaria alcuna proporzione. R>
Analogamente si fa con le fasi del diagramma ferro-carbonio.

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Consigli

Non dimenticare mai:
  • N.B. bisogna ricordare che se si vuole determinare la percentuale di una fase bisogna mettere al numeratore il segmento ("braccio") che va dal punto di interesse all'estremo opposto della fase da valutare. Quindi nel caso dell'esempio per la percentuale di liquido si metteva al numeratore la distanza del punto di interesse dall'estremo della fase solida.
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