Diagramma ferro-carbonio

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Il diagramma di stato ferro-carbonio, descrive le strutture di equilibrio delle principali leghe ferro-carbonio (acciaio e ghisa).

Nella forma in cui viene presentato solitamente, il diagramma ferro-carbonio presenta un composto intermetallico di formula Fe₃C (carburo di ferro) comunemente chiamato cementite. La porzione del diagramma che si prende in considerazione è quella con un contenuto di carbonio corrispondente alla composizione stechiometrica della cementite (6.69% in peso) (per questo sarebbe più appropriato parlare di diagramma ferro-cementite). Difatti la porzione che interessa dal punto di vista tecnologico (di pertinenza dell'acciaio e della ghisa) coinvolge percentuali di carbonio ben al di sotto di questo limite (in genere non si supera il 4%). Nel diagramma si assume inoltre per semplicità che la grafite sia completamente solubile nel ferro fuso, anche se di fatto tale solubilità è limitata al 5%.

La cementite è in realtà un composto metastabile, mostrando la tendenza a decomporsi secondo la reazione

per dare ferro e grafite.

Il vero diagramma di equilibrio termodinamico è perciò il diagramma ferro-grafite (le cui linee di trasformazione sono rappresentate in blu nella figura 1). Tuttavia la reazione di decomposizione procede in maniera estremamente lenta tale da non avere rilevanza pratica nelle normali condizioni ambientali. Seppure il diagramma ferro-grafite rappresenti quindi il diagramma stabile da un punto di vista termodinamico, la sua osservanza richiederebbe velcità di raffremento molto lente, lontane da quelle adottate nei comuni processi tecnologici. È per questo che si assume sempre come diagramma di riferimento il diagramma ferro-cementite (e a questo ci si riferisce quando si parla di diagramma ferro-carbonio). La presenza della grafite si rileva solo nelle leghe ad alto tenore di carbonio (2-4% ghise) grazie anche alla presenza di elementi promotori della sua formazione quale il silicio.

[modifica] Le fasi delle leghe ferro-carbonio

Il ferro puro (che in natura non esiste), allo stato solido presenta tre forme allotropiche:

• ferro α: struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC) con costante di cella 2.86 Å, stabile fino a 912°C.
• ferro γ: struttura cristallina cubica a facce centrate (CFC) con costante di cella 3.65 Å, stabile tra 912°C e 1394°C.
• ferro δ: struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC) con costante di cella 2.93 Å, stabile tra 1394°C e 1536°C (temperatura di fusione).

Queste tre forme allotropiche del ferro sono in grado, in misura diversa, di dar luogo a soluzioni solide con il carbonio, oltre che combinarsi con questo per formare la cementite. Nel diagramma le fasi presenti sono quindi le seguenti:

• Fase α: Ferrite. È la soluzione sostituzionale 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 puo' raggiungere un valore massimo dello 0.02% (a 727°C).
• Fase γ: 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 di quello della ferrite.
• Fase δ: 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.
• Fase Fe₃C: Cementite. È il composto intermetallico di cui si è già parlato sopra.

[modifica] La solidificazione

[modifica] Trasformazioni allo stato solido