TRATTAMENTI TERMICI Scopo: conferire alla lega la struttura più appropriata e variarne le proprietà con un ciclo termico Reticoli poco distorti Basse proprietà meccaniche Ricottura Reticoli distorti Alte proprietà meccaniche Tempra

SOLUBILITA’ Soluzioni solide Interstiziali - Sostituzionali Limiti di solubilità: dovuti alle eccessive distorsioni dei reticoli Oltre il limite di solubilità due possibilità: - soluto in eccesso si separa dal metallo base precipitando (isole di soluto con reticolo proprio contenenti atomi del metallo base, soluzione b); - atomi del soluto in eccesso si combinano con quelli del metallo base: creazione di nuovo reticolo (composto intermetallico) Variazione della solubilità con la T Soluzioni al di sopra del limite di solubilità: una sola fase (a) Soluzioni al di sotto: comparsa di una seconda fase (b) anch’essa soluzione con caratteristiche proprie (o composto intermetallico)

SOLUBILITA’ - TEMPERATURA - TEMPO Soluzione satura a T1 A T2˂T1 soluzione soprassatura: lento raffreddamento: parte del soluto deve migrare per formare una soluzione b o un composto intermetallico. rapido raffreddamento: congelamento a Tamb in condizioni di instabilità (metastabile) TEMPRA

SOLUBILITA’ – TEMPERATURA Aumento di T = variaz. del reticolo = aumento distanze interatomiche Trasformazioni allotropiche: improvvisa e istantanea variazione dei limiti di solubilità Una soluzione satura a T1 a T2˂T1 può diventare soprassatura: parte del soluto deve migrare (diffusionale) per formare una soluzione b o un composto intermetallico. Trasformazioni diffusionali: diffusione di atomi con velocità v v = f (T) con legge esponenziale Importanza del tempo, t, per completare la trasformazione: t cresce enormemente se la velocità è eccessiva. Raffreddamento veloce per bloccare la diffusione degli atomi in eccesso Congelamento a Tamb in condizioni di instabilità (metastabile)

SOLUBILITA’ - TEMPERATURA Soluzioni solide Soluzione metastabile: - struttura instabile con tempi di trasformazione per ritornare alla stabilità estremamente lunghi - reticoli molto distorti, molto duri e molto resistenti Un metallo può subire trattamento termico se: contiene un elemento in soluzione la solubilità diminuisce con T soluzione soprassatura a Tamb è metastabile

TEMPRA Indurimento di un metallo NON puro mediante rapido raffreddamento Diminuzione di solubilità al diminuire di T Soluzione da satura a soprassatura Trasformazioni diffusionali: v dipende esponenzialmente da T parametro tempo Come avviene: Riscaldamento a T e t sufficiente per la completa solubilizzazione (riscaldamento di solubilizzazione) Raffreddamento rapido per impedire la precipitazione del soluto

Rinvenimento Invecchiamento Riscaldamento dopo tempra a T e t opportuni: trasformazione parziale per diminuire la durezza e la fragilità e aumentare la tenacità Porta a strutture metastabili Tempra di soluzione Tempra delle leghe leggere (Al) che non presentano trasformazioni allotropiche. Scopo: ottenere soluzioni soprassature a Tamb Invecchiamento Diffusione degli atomi per il ritorno alla stabilità dopo tempra Invecchiamento naturale: tempi brevi a Tamb Invecchiamento artificiale: riscaldamento per accelerare la diffusione quando la velocità non è elevata a Tamb

TEMPRA MARTENSITICA Per gli acciai https://www.youtube.com/watch?v=c6p2OV4wg0A

(come ghiaccio e acqua) TEMPRA MARTENSITICA Trasformazioni istantanee (adiffusionale) per limitati spostamenti degli atomi di ferro Il ferro: diverse forme allotropiche 1536°C solido con reticolo CCC (d) 1392°C reticolo CFC (g) interstizi di raggio 0.52 A Maggiore densità 911°C reticolo CCC (a) interstizi di raggio 0.36 A Minore densità Per le diverse densità: da a a g, pur aumentando la T, si ha contrazione (come ghiaccio e acqua)

Non ha reticolo diverso da quello dei componenti TEMPRA MARTENSITICA Fasi in condizioni di “equilibrio” con atomi di C mai allo stato libero: Ferrite (ferro a, CCC): soluzione solida di C (interstiz.) nel ferro a max 0.025% di C alla T = 723°C Austenite (ferro g, CFC): soluzione solida di C (interstiz.) nel ferro g max 2.1% di C alla T = 1130°C Cementite (Fe3C), 6.7% di C, composto intermetallico (nuovi reticoli) Struttura caratteristica: perlite (ferrite + cementite) 0.8% in peso di C (T< 725°C) Non ha reticolo diverso da quello dei componenti

TEMPRA MARTENSITICA Il ferro: diverse forme allotropiche 1536°C solido con reticolo CCC (d) 1392°C reticolo CFC (g) interstizi di raggio 0.52 A Maggiore densità 911°C reticolo CCC (a) interstizi di raggio 0.36 A Minore densità r atomo carbonio = 0.70 A Fasi in condizioni di “equilibrio”: Ferrite (a, CCC): soluzione solida di C in ferro a max 0.025% di C a 723°C Austenite (g, CFC): soluzione solida di C in ferro g max 2.1% di C a 1130°C Cementite (Fe3C), 6.7% di C

Diagramma di equilibrio di un Acciaio Inizio trasformazione: A3= T (910°C) g a Aggiunta di C abbassa la T di trasformazione e aumenta il campo di esistenza dell’Austenite Fine trasformazione A1 725°C C=0.02% r atomo carbonio = 0.70 A max solubilità di C nel ferro a

Diagramma di Wever – Rose Solubilità del carbonio maggiore nel ferro g Da Austenite: effetto della velocità di raffreddamento Aumento della Velocità: abbassamento delle T di trasformazione Aumento del campo di esistenza della perlite tra 0,74-0,98% di C a T<700°C (%C = 0,8 a T = 723°C)

Diagramma di Wever – Rose Da Austenite: effetto della velocità di raffreddamento perlite da globulare a lamellare 200°C/sec: struttura totalmente perlitica (scompare la curva ES) 250°C/sec: Troostite, t per la diffusione del C molto limitato, lamelle della perlite estremamente sottili Vel + elevate: Bainite, t di diffusione bassissimo Scambi di C solo tra celle vicine Martensite: moti diffusivi totalmente impediti

effetto della velocità di raffreddamento TEMPRA MARTENSITICA effetto della velocità di raffreddamento Austenite Residua: Martensite+Austenite non trasformata Troostite: perlite lamellare fine (v=250°C/s) Velocità Martensite: moti del C tot. impediti Bainite (sup. o inf.): miscela di ferrite e cementite (scambi di C tra celle vicine) Perlite lamellare grossolana Perlite globulare

Tempra Martensitica = Tempra degli acciai Trasformazioni martensitiche o adiffusionali Velocità elevate (brevi percorsi degli atomi da CFC (g) a CCC (a)) : - impossibilità di congelare la struttura iniziale dell’austenite per l’istantaneità della trasformazione in ferrite a; la trasformazione è adiffusionale del ferro (migrazione degli atomi del ferro impedita) si ottiene ferrite a solo per trasformazione diffusionale degli atomi del C che devono migrare dall’austenite poiché nella ferrite (CCC) si ha minore solubilità

Tempra Martensitica = Tempra degli acciai Trasformazioni martensitiche o adiffusionali La martensite si forma all’interno dei grani austenitici, non ai bordi Assenza di processi diffusivi per velocità eccessiva, solo brevi spostamenti degli atomi sia del ferro sia del carbonio per passare da struttura CFC a tetragonale a corpo centrato (simile al CCC della ferrite) Composizione chimica della martensite del tutto identica a quella dell’austenite Effetto del carbonio Variaz di struttura senza espulsione di C: tetragonale a corpo centrato (Martensite)

TEMPRA MARTENSITICA Proprietà meccaniche Ferrite: bassa durezza (minore di 8 HRC) e buona duttilità. Austenite: bassa durezza (8 HRC) e buona lavorabilità. Cementite: elevata durezza e fragilità. Perlite: durezza di 11 ÷ 42 HRC e duttilità variabile. Bainite: durezza elevata (42 ÷ 48 HRC) e ottima duttilità (proprietà contrastanti, obiettivo di molti trattamenti) Martensite: elevata durezza (65 HRC) e grande fragilità (Rinvenimento: compromesso tra tenacità nel cuore e durezza superficiale).

Legame velocità di raffreddamento/struttura? TEMPRA MARTENSITICA Legame velocità di raffreddamento/struttura? Inizio I diagrammi TTT (curve a C o a S) curve sperimentali T = tempo T = temperatura T = trasformazione IT = per trasformazioni isotermiche CCT = per vel di raffreddamento cost Fine Naso perlitico

TEMPRA MARTENSITICA Curve IT = trasformazioni isotermiche Troostite Curve IT = trasformazioni isotermiche Ascisse: scala logaritmica Orizzontale in corrispondenza della T di interesse: informazioni su tempi e prodotti di trasformazione Il t di inizio trasformazione decresce fino a 570°C al di sotto di tale T aumenta T = 200°C: trasformazione di Austenite in Martensite (Ms) Adifussionale – istantanea = inizio campo martensitico a t = 0

TEMPRA MARTENSITICA Curve IT = trasformazioni isotermiche Le trasformazioni austenite-perlite e austenite-bainite continuano nel tempo alla T di trasformazione fino a completamento Stabilizzazione dell’austenite: Austenite-martensite = trasformazione istantanea che non prosegue nel t Necessario abbassamento di T per trasformare un ulteriore quantitativo (per T comprese tra Ms e Mf una parte dell’austenite tende nel tempo a trasformarsi in Bainite

TEMPRA MARTENSITICA Curve IT = trasformazioni isotermiche Troostite Mf (T=50°C): tutta l’austenite si è trasformata in martensite A T comprese tra Ms e Mf una parte dell’austenite tende nel tempo a trasformarsi in Bainite Valori variabili di Ms e Mf : dipendenza dalla % di C (aumento di C riduce Ms e Mf )

Trasformazione Austenite-Martensite a 200°C TEMPRA MARTENSITICA Trasformazione Austenite-Martensite a 200°C Adifussionale – istantanea – inizio a t=0 Stabilizzazione dell’austenite: dopo l’inizio, la trasformazione non prosegue nel tempo (necessità di abbassare T perché un ulteriore quantitativo si trasformi) T di inizio e fine trasformazione variabili e funzione della % di carbonio

Diagrammi CCT (trasformazione con raffreddamento continuo) TEMPRA MARTENSITICA Diagrammi CCT (trasformazione con raffreddamento continuo) Condizioni più reali Uguale forma ma spostate verso il basso e verso destra rispetto alle IT a parità di materiale: minori T e maggiori t To A log t b t2 Raffreddando con continuità da T0 a Tt, a t1 l’austenite è sempre stata al di sopra di Tt e non è pronta per l’inizio della trasformazione. Occorre un tempo aggiuntivo, t2-t1, in cui il materiale si raffredda ulteriormente. Tt a t1 T di inizio e fine trasformazione variabili e funzione della % di carbonio B Punto a: raffreddamento istantaneo da T0 a Tt seguito da permanenza a T cost

Velocità di raffreddamento tale da evitare il naso perlitico TEMPRA DELL’ACCIAIO Velocità di raffreddamento tale da evitare il naso perlitico Velocità critica di tempra: minima vel di tempra (curva D) Curva A: Perlite (inizio e fine trasformazione nel campo perlitico) Curva B: Perlite + bainite Curva C: Perlite+Bainite+martensite Curva D: martensite

TEMPRA MARTENSITICA Il tipo di acciaio influenza la posizione della curva La geometria del pezzo influenza la curva di raffreddamento Drasticità: efficacia del mezzo temprante Tempra facilitata quando il naso perlitico della curva CCT è spostato verso destra: tempo corrispondente al naso perlitico come misura della temprabilità

MISURA DELLA TEMPRABILITÀ Prova Jominy Esamina il comportamento dell'acciaio in risposta ai trattamenti termici, verificando la penetrazione della durezza in profondità (variazione della durezza dalla superficie al cuore) e l'attitudine dell'acciaio a subire la tempra. Il dispositivo Jomini: - supporto che presenta al centro un'apertura circolare di 25 mm, - ugello con foro di efflusso di 13 mm (con l'asse allineato col centro dell'apertura); - l'estremità inferiore del provino, quando è alloggiato nel supporto, viene a trovarsi alla distanza di 13 mm dal foro di efflusso dell'acqua.

MISURA DELLA TEMPRABILITÀ Prova Jominy

Prova Jominy Esecuzione della prova: raffreddamento con acqua e prova di durezza. Si utilizzano: un forno elettrico a muffola con annesso dispositivo Jominy, una rettificatrice piana e un durometro. Si scalda il provino ad una temperatura che dipende dal materiale ed è circa 870 °C (T di austenizzazione) il provino viene inserito in un'apposita camicia ad una certa T per 30 min per ridurre l'effetto ossidante si toglie il provino dalla camicia e lo si pone nel minor tempo possibile sull'apposito supporto (circa 5sec) si apre la valvola dell'acqua a temperatura tra 15 °C e 25 °C velocità di efflusso costante per evitare raffreddamenti anomali

Prova Jominy L'altezza del pelo libero nel serbatoio è mantenuta costante da un galleggiante che apre e chiude un rubinetto: quando il livello dell'acqua scende, il galleggiante apre il rubinetto dal quale fuoriesce l'acqua, arrivati ad un'altezza predefinita, il galleggiante, alzandosi, tappa il rubinetto impedendo quindi all'acqua di uscire. A pezzo completamente raffreddato si ricava con lavorazioni di rettifica o fresatura, una pista rettilinea lungo la generatrice asportando 0,4 mm di metallo. Si effettuano sulla pista rettificata le misure di durezza HRC alle distanze unificate: la prima prova a 1,5 mm dall'estremità; la seconda a 1,5 mm dalla prima; le prove successive con intervalli di 2 mm fino a 15 mm totali dall'estremità; dopo i 15 mm intervalli da 5 mm o a piacere. Il provino è fissato su un attrezzo sul quale sono presenti delle tacche relative alle distanze a cui si devono effettuare le prove di durezza. Tabella standard con misure effettuate, curva di durezza e confronto con curve note

Effetto delle dimensioni del grano austenitico TEMPRA MARTENSITICA Effetto delle dimensioni del grano austenitico Dipendenza dalla T di austenitizzazione e dal tempo Confrontabili solo se i diversi acciai sono alla stessa T di austenitizzaz. per lo stesso t Maggiori dimensioni Maggiori difficoltà nella trasformazione (trasformazione più lenta)

Effetto delle dimensioni del grano austenitico Valutazione delle dimensioni: contando il numero dei grani contenuti in 10 cm2 di superficie (1 < n < 8) Dim = f (Taust, t di permanenza a Taust) Maggiori dimensioni La vel critica di tempra si abbassa quanto > è Taust e quanto > t di permanenza in campo austenitico Maggiori difficoltà nella trasformazione Grano N°1 = struttura grossolana N° 4-5 = grano medio N° 8 = struttura a grano fine

TEMPRA MARTENSITICA Effetto del carbonio e degli elementi di alligazione (Ni, Cr, Mo, Vanadio, Ti) Ritardano la trasformazione (spostamento a destra della curva) % di carbonio = > stabilizzazione dell’austenite = > temprabilità Aumentano la temprabilità del materiale

Calcolo approssimativo della temprabilità Diametro ideale Bisogna conoscere % C e n. di grano (dimensione) Di temprabilità base: dovuta solo al C Si entra con la % dell’elemento di lega Di equivalente = Di (%C e n. grano) x Fm1 x Fm2 x ….

TEMPRA MARTENSITICA Struttura finale martensitica Effetto del mezzo temprante Aria (bassissima velocità) Olio (media velocità) Acqua (alta velocità)

TEMPRA MARTENSITICA Ciclo di tempra: Riscaldamento di austenitizzazione; Raffreddamento continuo a vel > vel crit tempra fino a T di poco > Ms; Raffreddamento tale da evitare la trasformazione aust-bainite fino a Tamb Se Mf < Tamb: presenza di austenite non trasformata (anche per vel di tempra troppo elevata) (austenite meno dura della martensite)

TEMPRA MARTENSITICA Tempra diretta: raffreddamento continuo fino a Tamb; Tempra scalare: raffreddamento fino a T prossima a Ms, tempo breve a Tcost per evitare trasformaz. austenite-bainite (equilibra termicamente il pezzo per evitare tensioni termiche, dipende da dim, metodo di riscaldo, tipo di acciaio), raffreddamento per trasformaz. austenite-martensite

ALTRI TRATTAMENTI Rinvenimento: struttura meno distorta (meno fragile) mediante riscaldamento, permanenza a Tcost per tempo opportuno, raffreddamento con vel opportuna fino a Tamb Bonifica: Tempra + Rinvenimento (variazioni strutturali accompagnate da variazioni delle proprietà) Normalizzazione Struttura perlitica fine (t breve di permanenza in campo austenitico) Ricottura di distensione Elimina Tens. Residue senza variare sostanzialmente la struttura

Ricottura Riscaldamento di strutture metastabili per ricondurle a condizioni di equilibrio Scopi: eliminare tensioni residue (distensione); ricristallizazione, ingrossamento dei grani; omogeneizzare la composizione di una lega; strutture più lavorabili; eliminare gli effetti di una tempra.

TRATTAMENTI SECONDO UNI 10990 Indurimento Definizione Trattamento termico avente per scopo l'indurimento mediante tempra e comprendente una austenitizzazione seguito da un raffreddamento effettuato in condizioni tali per cui l'austenite si trasforma più o meno completamente in martensite ed eventualmente in bainite. Scopo Aumentare la durezza superficiaie; aumentare la resistenza all'usura; aumentare la resistenza a fatica; aumentare la capacità delle superfici a resistere ad elevate pressioni specifiche.

TRATTAMENTI SECONDO UNI 10990 Trattamento di Rinvenimento Definizione Trattamento termico al quale viene sottoposto un prodotto ferroso che abbia già subito, di norma, un indurimento mediante tempra, oppure mediante un altro trattamento termico. Scopo Portare le sue proprietà al livello desiderato

TRATTAMENTI SECONDO UNI 10990 Trattamento di Distensione Definizione Trattamento termico che comporta un riscaldo ed una permanenza ad una temperatura sufficiente, seguito da un raffreddamento appropriato. Scopo Diminuire le tensioni interne senza modificare sensibilmente la struttura.

Tempra Scalare Bainitica Ciclo termico: riscaldo da austenitizzazione tempra scalare con raffreddamento sufficientemente rapido (vel > vel critica di tempra) per evitare formazione di ferrite o di perlite, raffreddamento in campo bainitico con permanenza realizzata ad una temperatura maggiore della temperatura Ms Scopo Trasformare l’austenite parzialmente o totalmente in bainite.

Tempra Scalare Bainitica Due modi Struttura finale bainitica 2) Struttura finale bainitico-martensitica (minori sollecitazioni termiche). Seguita da rinvenimento.

TRATTAMENTI SECONDO UNI 10990 Trattamento di Ricottura Definizione Trattamento termico che comporta un riscaldo ed una permanenza ad una temperatura appropriata, seguiti da un raffreddamento effettuato in condizioni tali che il metallo, dopo ritorno alla temperatura ambiente, venga a trovarsi in uno stato strutturale più prossimo allo stato di equi. stabile Tipi Ricottura completa (T > di Ac3). Ricottura intercritica (Ac1 < T < Ac3). Ricottura sub-critica (T< Ac1). Ricottura isotermica (perlite) Ricottura di globulizzazione (perlite globulare)

TRATTAMENTI SECONDO UNI 10990 Trattamento di Ricottura Scopo Eliminare gli effetti metallurgici indesiderati connessi alle operazioni di fabbricazione quali stampaggio, estrusione, fucinatura, saldatura, ecc. e ridurre i relativi stati tensionali. Migliorare la lavorabilità sia per asportazione di truciolo che per deformazione plastica. Migliorare le proprietà magnetiche. Predisporre in alcuni casi il materiale nelle condizioni migliori per essere sottoposto a trattamenti termici finali.

TRATTAMENTI SECONDO UNI 10990 Trattamento di Normalizzazione Definizione Trattamento termico che comporta un riscaldamento da austenitizzazione e permanenza breve alla T di austenitizzazione per un t opportuno seguito da un raffreddamento in aria calma. Scopo (struttura perlitica fine) Eliminare gli effetti metallurgici connessi alle operazioni di fabbricazione quali stampaggio, estrusione, fucinatura, saldatura, ecc. con affinazione del grano. Predisporre il materiale nelle condizioni migliori per essere sottoposto a trattamenti termici finali.

TRATTAMENTI SECONDO UNI 10990 Trattamento di Bonifica Definizione Trattamento di indurimento mediante tempra seguito da un rinvenimento a temperatura elevata, avente lo scopo di ottenere la combinazione ricercata tra le caratteristiche meccaniche e, in particolare, una buona duttilità e tenacità (usato anche per tempra scalare Bainitica). Scopo Migliorare il rapporto resistenza/tenacità. Aumentare la resistenza a fatica.

DIFETTI NEI TRATTAMENTI TERMICI Surriscaldo → ingrossamento eccessivo del grano austenitico dovuto a permanenza alla T di austenitizzazione troppo lunga. Bruciatura → fusione del bordo del grano per T troppo elevate. Decarburazione → diffusione verso l’esterno del carbonio (impoverimento di C: variaz. Di proprietà e composiz.). Ossidazione. Tensioni residue: cricche e distorsioni.

TRATTAMENTI TERMICI SUPERFICIALI Scopo: durezza superficiale – tenacità al cuore Due tipi: modifica della struttura senza modifica composiz. chimica modifica composizione chimica Carbocementazione Aumento in fase austenitica della % di C in superficie fino a 0.8-0.9% Effetto della percentuale di carbonio Durezza % C 0.6 0.2% C Tempra 0.6% C