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Cosa sono le trasformazioni di fase?
Termodinamica e cinetica: le forze trainanti
La diversità delle trasformazioni di fase
Trasformazioni eutettiche:
- Si verificano quando una soluzione liquida si raffredda e si trasforma in due o più fasi solide contemporaneamente. L’esempio classico è il sistema eutettico ferro-carbonio, che si traduce in una sottile miscela di ferrite e cementite – una struttura nota come perlite, che costituisce la base di molte proprietà dell’acciaio.
Trasformazioni peritettorali:
- In questo processo, una fase solida reagisce con una fusione per formare una nuova fase solida. Questo tipo di trasformazione è fondamentale per la produzione di alcuni tipi di leghe in cui il controllo della microstruttura è di fondamentale importanza per le proprietà finali del materiale.
Trasformazioni martensitiche:
- Una delle trasformazioni più affascinanti è quella martensitica, che avviene senza diffusione. Si tratta di una trasformazione senza diffusione che viene innescata da un rapido raffreddamento (quenching) dell’austenite e porta a una struttura cristallina distorta che diventa dura e fragile. Questa trasformazione è fondamentale per la produzione di acciaio temprato.
Trasformazione bainitica:
- La bainite è una microstruttura fine e aghiforme che si forma a temperature comprese tra quelle della perlite e della martensite. Combina un’elevata resistenza con una certa tenacità e si trova soprattutto negli acciai ad alta resistenza.
Indurimento da precipitazione:
- Questa trasformazione si verifica quando particelle molto fini di una nuova fase precipitano da una soluzione solida supersatura. Queste particelle ostacolano il movimento delle dislocazioni e quindi aumentano la resistenza e la durezza del materiale.
Ricristallizzazione:
- Dopo una forte deformazione, in un metallo possono formarsi nuovi grani privi di tensioni, con il risultato di una struttura più morbida e duttile. Questo processo è fondamentale per la produzione di metalli con proprietà meccaniche specifiche.
Trasformazioni ordine-disordine:
- In alcune leghe, gli atomi possono essere distribuiti in modo casuale ad alte temperature ma adottare una struttura ordinata a temperature più basse. Questa trasformazione può influenzare le proprietà elettriche e magnetiche del materiale.
Misurare e analizzare: uno sguardo all'interno dei metalli
Metallografia:
- La metallografia è una tecnica classica in cui i campioni di metallo vengono preparati con cura e analizzati al microscopio. Incidendo la superficie con sostanze chimiche specifiche, si visualizzano le diverse fasi e i grani, il che permette di trarre conclusioni sulla microstruttura e quindi sulle proprietà meccaniche del materiale.
Diffrazione dei raggi X (XRD):
- La XRD è una tecnica potente che rivela la struttura cristallina dei metalli. Si basa sulla diffrazione dei raggi X nei piani atomici del materiale e fornisce informazioni dettagliate sulla composizione e sull’orientamento delle fasi, nonché sulle deformazioni del reticolo.
Calorimetria a scansione differenziale (DSC):
- DSC misura il calore assorbito o rilasciato quando un campione viene riscaldato o raffreddato. Questo metodo è particolarmente utile per identificare le reazioni esotermiche ed endotermiche durante le trasformazioni di fase.
Dilatometro di quenching:
- A dilatometro di raffreddamento è uno strumento specializzato che misura la variazione di lunghezza di un campione durante il raffreddamento rapido. È fondamentale per studiare la trasformazione martensitica e altre transizioni di fase che avvengono in condizioni non isotermiche. Con il suo aiuto, i metallurgisti possono determinare le velocità critiche di raffreddamento necessarie per creare microstrutture specifiche.
Dilatometro di formazione:
- Il dilatometro di formatura amplia le possibilità di analisi misurando la variazione di lunghezza in condizioni di formatura simulate. Può registrare gli effetti della deformazione e della temperatura sulla microstruttura in tempo reale, il che è essenziale per lo sviluppo dei processi di formatura e l’ottimizzazione del comportamento del materiale in condizioni di carico.
Diagrammi TTT e ZTU: Le mappe delle trasformazioni dei metalli
Diagrammi TTT: Aiuti alla navigazione nello spazio tempo-temperatura
Illustrano quanto tempo ci vuole prima che una una certa trasformazione di fase inizia e si completa a una temperatura costante. Queste “isoterme di trasformazione” sono fondamentali per capire quanto velocemente un metallo deve essere raffreddato per evitare fasi indesiderate o per ottenere le microstrutture desiderate.
- Angolo superiore sinistro:
- È qui che avviene la trasformazione in perlite, che si verifica durante un raffreddamento relativamente lento.
- Il “naso” del diagramma:
- Questa è l’area più critica dove la trasformazione in bainite avviene più rapidamente.
- Area in basso a destra:
- Qui viene mostrata la trasformazione martensitica che si verifica a velocità di raffreddamento molto elevate.
Diagrammi ZTU: Raffreddamento continuo per il mondo reale
Mentre i diagrammi TTT si applicano alle condizioni isotermiche, i diagrammi di trasformazione tempo-temperatura (ZTU) o di raffreddamento continuo (CCT) rappresentano meglio la realtà del trattamento termico industriale. Essi mostrano cosa accade quando una lega viene raffreddata in modo continuo, come avviene nella maggior parte delle applicazioni pratiche.
I diagrammi CCT sono particolarmente utili per comprendere l’effetto della velocità di raffreddamento sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche risultanti. Possono apparire molto diversi dai corrispondenti diagrammi TTT per la stessa composizione dell’acciaio, poiché il tempo per i processi di diffusione durante il raffreddamento continuo è limitato.
Il significato per la pratica:
La conoscenza e l’applicazione dei diagrammi TTT e ZTU è essenziale per lo sviluppo dei processi di trattamento termico. Permettono di ottimizzare processi come la tempra, il rinvenimento e la normalizzazione.
Con il loro aiuto, i metallurgisti possono regolare il trattamento termico per evitare la formazione di fasi indesiderate come la perlite grossolana o l’eccessiva martensite e produrre invece una distribuzione fine della bainite o una quantità desiderata di martensite per ottenere il perfetto equilibrio tra resistenza e tenacità.
I dilatometri per tempra e formatura svolgono un ruolo fondamentale nella creazione dei diagrammi ZTU, in quanto possono simulare le curve di raffreddamento in condizioni reali. Sono strumenti indispensabili per la ricerca e lo sviluppo di nuove leghe di acciaio e processi di trattamento termico.
Nel complesso, i diagrammi TTT e ZTU sono strumenti indispensabili nella cassetta degli attrezzi del metallurgista. Forniscono una base scientifica per la comprensione e il controllo delle trasformazioni di fase e sono quindi fondamentali per la produzione di metalli con proprietà personalizzate per le applicazioni più esigenti.
Le trasformazioni di fase non sono solo un interesse accademico. Sono fondamentali per la produzione di qualsiasi cosa, dai componenti automobilistici agli strumenti chirurgici. La capacità di controllare queste trasformazioni è fondamentale per la qualità e le prestazioni del prodotto finale.
La costante ricerca di materiali migliori, più economici e più rispettosi dell’ambiente sta guidando la ricerca nel campo della metallurgia. Tecnologie innovative come la produzione additiva aprono nuove strade per l’utilizzo e il controllo delle trasformazioni di fase.
Le trasformazioni di fase sono un tema centrale della metallurgia, che colma il divario tra il mondo atomico e quello macroscopico dei materiali ingegneristici. Grazie a una profonda comprensione di questi processi, i metallurgisti possono spingere i confini di ciò che è possibile fare con i metalli, gettando le basi per la prossima generazione di materiali e tecnologie.
