Gli acciai e le ghise, come alcuni di voi sapranno, sono leghe composte da ferro e carbonio. Una cosa che non molti sanno però è che il rapporto tra la quantità di ferro e di carbonio, ed il modo in cui gli atomi di ferro e di carbonio si aggregano all’interno del materiale possono incidere drasticamente sulle sue proprietà meccaniche.
In qualsiasi corpo solido, gli atomi si dispongono con grande regolarità, al punto da distinguere diversi tipi di reticoli fondamentali. Tra questi troviamo i reticoli:
Esagonale compatto
Esagonale normale
Cubico a corpo centrato
Cubico a facce centrate
Il compito dei trattamenti termici consiste principalmente nel modificare la microstruttura di un materiale attraverso l’uso di cicli termici, ossia attraverso un riscaldo, un mantenimento a temperatura ed un raffreddamento. Negli acciai il raffreddamento gioca un ruolo fondamentale; infatti ogni acciaio ha la sua velocità critica di raffreddamento che ci permette di intuire quale struttura potremo ottenere in seguito al raffreddamento da una determinata temperatura di mantenimento.
In un acciaio possiamo trovare diverse microstrutture grazie alle quali possiamo conferire al nostro acciaio diverse caratteristiche meccaniche:
FERRITE: La ferrite è una struttura cubica a corpo centrato nella quale gli atomi di carbonio si insinuano come difetto “interstiziale” (ossia nello spazio compreso tra gli atomi che occupano i punti del reticolo della struttura). Solo negli acciai con un tenore di carbonio molto basso è possibile avere una struttura quasi completamente ferritica, e proprio per il basso contenuto di carbonio la ferrite è la struttura dell’acciaio con le durezze più basse.
CEMENTITE: La cementite è una struttura composta da tre atomi di ferro ed uno di carbonio le cui distanze risultano disomogenee. Questa disomogeneità da origine ad una struttura molto complessa detta struttura ortorombica. La cementite è una struttura molto ricca di carbonio e questo la rende anche molto dura e fragile.
AUSTENITE: L’austenite è una struttura cubica a facce centrate, dove il ferro si posiziona agli angoli del cubo ed al centro delle facce, mentre il carbonio a metà tra gli angoli del cubo ed al centro del cubo. Una particolarità dell’austenite è la sua instabilità a temperatura ambiente, infatti per ottenere questa struttura dovremo portare l’acciaio ad una temperatura compresa tra i 723 ed i 1495°C (temperatura di austenitizzazione). Nonostante questo, l’austenite è una struttura fondamentale poiché raffreddando un acciaio dalla temperatura di austenitizzazione ci permette di ottenere diverse strutture a seconda della velocità di raffreddamento (di queste strutture ne parleremo in seguito).
Negli acciai ricchi di elementi di lega (acciai molto legati), l’austenite in seguito a raffreddamenti molto drastici è in grado di permanere anche a temperatura ambiente, ma data la sua instabilità tenderà a decomporsi col tempo, variando il volume e compromettendo il corretto funzionamento del particolare. Questa struttura è nota come austenite residua ed essendo dannosa per le caratteristiche meccaniche del nostro acciaio va eliminata attraverso i trattamenti sottozero, che consistono nel portare un acciaio a temperature comprese tra i -70°C e i -90°C per far sì che l’austenite residua si trasformi.
MARTENSITE: La martensite è una struttura tetragonale a corpo centrato, ossia esattamente come la ferrite con l’unica differenza che gli atomi di carbonio si posizionano all’interno del reticolo deformandolo ed allungandolo. La martensite è una struttura metastabile, ossia non del tutto stabile, ed è possibile ottenerla solo raffreddando l’acciaio più rapidamente della sua velocità di raffreddamento critica dalla temperatura di austenitizzazione. Per via del rapido raffreddamento il carbonio “rimane bloccato” all’interno del reticolo, e proprio per via di questa tensione residua la struttura martensitica risulta molto dura.
PERLITE: Questa struttura si forma quando una lega ferro carbonio passa dalla temperatura di austenitizzazione a temperatura ambiente molto più lentamente della sua velocità di raffreddamento critica. Durante il lento raffreddamento il carbonio contenuto nel reticolo dell’austenite (che come sappiamo è instabile alle basse temperature) tende ad uscire, organizzandosi in una struttura mista di ferrite e cementite nota come perlite. Il misto delle caratteristiche di cementite e ferrite, conferisce alla perlite buone proprietà meccaniche.
BAINITE: La bainite, come la perlite, è un aggregato di ferrite e cementite ma con una struttura molto più fine. Questa si forma infatti con un raffreddamento poco più lento della velocità di raffreddamento critica dell’acciaio in questione. Così facendo il carbonio contenuto nell’austenite è libero di fuoriuscire, ma non ha tempo sufficiente per organizzarsi in lamine come nel caso della perlite. Ciò dà origine ad una struttura di aghi di cementite misti ad aghi di ferrite.
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