La trasformazione dell'acciaio durante il raffreddamento

La Trasformazione dell'Acciaio Durante il Raffreddamento       

Il raffreddamento è un passaggio indispensabile nel processo di trattamento termico.        

Dopo che un pezzo di acciaio viene riscaldato e mantenuto a una certa temperatura per ottenere austenite con grani fini e uniformi, si procede quindi al raffreddamento.

• Austenite Sottoraffreddata: Austenite che rimane non trasformata (in termini di struttura) al di sotto del punto critico A₁.
• A questo punto, l'austenite sottoraffreddata non si trasforma immediatamente; invece, si trova in uno stato termodinamicamente instabile (come una struttura instabile) e alla fine subirà una trasformazione.
• A seconda del grado di sottoraffreddamento (cioè, le diverse temperature di trasformazione), l'austenite sottoraffreddata subisce tre tipi di trasformazione:
• Trasformazione perlitica
• Trasformazione bainitica
• Trasformazione martensitica

• Condizione di Trasformazione: L'austenite sottoraffreddata si trasforma in una struttura di tipo perlitico nell'intervallo di temperatura da A₁ → 550°C.
• Prodotto di Trasformazione: Una struttura a miscela meccanica composta da lamelle alternate di ferrite e cementite.
• La perlite è una delle cinque strutture più fondamentali nelle leghe ferro-carbonio. È indicata con la lettera "P" (da "Perlite"). Il nome deriva dalla sua lucentezza simile alla perla.     
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Sorbite (S)

Temperatura di formazione: 650 ~ 600°C; ha lamelle relativamente sottili, con uno spessore di circa 80 ~ 150 nm. Le lamelle sono difficili da distinguere al microscopio ottico e possono essere identificate solo come la struttura lamellare di ferrite e cementite al microscopio ottico ad alto ingrandimento (a 800 ~ 1500× ingrandimento).

Troostite (T)

Temperatura di formazione: 600 ~ 550°C; ha lamelle estremamente sottili, con uno spessore di circa 30 ~ 80 nm. Le caratteristiche lamellari non possono essere distinte affatto al microscopio ottico e possono essere identificate solo al microscopio elettronico.

La temperatura di austenitizzazione e la dimensione dei grani di austenite prima della trasformazione influenzano solo le dimensioni delle colonie di perlite, ma non hanno alcun impatto sulla spaziatura lamellare.

Dalla perlite (P) alla sorbite (S) e poi alla troostite (T), più bassa è la temperatura, minore è la spaziatura lamellare e maggiore è la resistenza e la durezza. Differiscono solo per finezza lamellare e proprietà, senza distinzione essenziale.

Simile al processo di austenitizzazione durante il riscaldamento, il processo di trasformazione perlitica durante il raffreddamento è anche un processo di nucleazione e crescita allo stato solido.

Allo stesso modo, a causa della disposizione atomica irregolare ai bordi dei grani, insieme a più difetti come vacanze e dislocazioni, la riorganizzazione atomica si verifica facilmente, quindi la cementite nuclea per prima ai bordi dei grani di austenite.

Dopo che la cementite nuclea, inizia a crescere. Durante il processo di crescita, il contenuto di carbonio dell'austenite su entrambi i lati della cementite diminuisce, il che favorisce la nucleazione della ferrite. I due nucleano e crescono alternativamente, formando più strutture lamellari composte da ferrite e Fe₃C.

Allo stesso tempo, la nucleazione e la crescita iniziano simultaneamente anche in altre parti dei bordi dei grani, formando più colonie di perlite con orientamenti diversi.

Queste colonie di perlite crescono e si fondono in una massa continua e, infine, l'intera struttura viene trasformata in perlite; quindi, la trasformazione dell'austenite sottoraffreddata in perlite è completata.

Poiché gli atomi di ferro e carbonio si diffondono sufficientemente a causa dell'alta temperatura durante la trasformazione dell'austenite in perlite, questo processo è chiamato trasformazione di tipo diffusione.

• Condizione di Trasformazione: L'austenite sottoraffreddata si trasforma nell'intervallo di temperatura da 550°C ~ Ms. Per l'acciaio eutettoide, la temperatura Ms è 230°C.
• Prodotto di Trasformazione: Una miscela meccanica bifase di Fe₃C (cementite) e ferrite supersatura di carbonio, indicata con la lettera "B".
• Nel 1930, E.S. Davenport e E.C. Bain osservarono per la prima volta la struttura metallografica del prodotto di trasformazione nell'acciaio dopo la trasformazione isotermica a media temperatura. Successivamente, per onorare i contributi di Bain, questa struttura fu chiamata "Bainite".
• In base alle differenze nelle loro morfologie microstrutturali, la bainite può essere classificata in:
• Bainite Superiore (B_u)
• Bainite Inferiore (B_l)

• Morfologia: A forma di piuma.

   

  La cementite discontinua a forma di bastoncino (Fe₃C) è distribuita tra lamine di ferrite parallele che crescono dai bordi dei grani di austenite all'interno del grano.

  

• Bainite Inferiore (B₍lower₎ / Bₗ)

   

  Morfologia: A forma di foglia di bambù. Carburi fini a scaglie (Fe₃C) sono distribuiti sugli aghi di ferrite.

  Caratteristiche Prestazionali della Bainite Inferiore:

  I carburi nella bainite inferiore sono fini e uniformemente distribuiti. Oltre all'elevata resistenza e durezza, ha anche una buona plasticità e tenacità, rendendola una struttura comunemente utilizzata nella produzione industriale. Ottenere la struttura bainitica inferiore è uno dei metodi per rafforzare i materiali in acciaio.

  A parità di durezza, la resistenza all'usura della struttura bainitica inferiore è significativamente migliore di quella della martensite, che può raggiungere da 1 a 3 volte quella della martensite. Pertanto, ottenere la bainite inferiore come struttura matrice nei materiali in ferro e acciaio è un obiettivo perseguito da ricercatori e ingegneri.

  

   

   

  1) Processo di Formazione della Bainite Superiore

   

  Quando la temperatura di trasformazione è relativamente alta (550 ~ 350°C), i nuclei di ferrite si formano preferenzialmente nelle regioni a basso tenore di carbonio dell'austenite. Questi nuclei crescono quindi parallelamente dai bordi dei grani di austenite all'interno del grano. Nel frattempo, mentre la ferrite cresce, gli atomi di carbonio in eccesso si diffondono nell'austenite circostante. Infine, Fe₃C (cementite) a forma di bastoncino corto o a scaglie piccole precipita tra le lamine di ferrite, distribuito in modo discontinuo tra le lamine di ferrite parallele e dense, formando così bainite superiore a forma di piuma.