Microstrutture dell'acciaio dopo il trattamento termico

Che cosa registra una microstruttura dell’acciaio dopo il trattamento termico

La microstruttura come registrazione della storia termica

Il trattamento termico modifica principalmente le proprietà dell’acciaio cambiandone la microstruttura, non aggiungendo la durezza come qualità separata. NPTEL descrive direttamente questa relazione tra processo e proprietà nella sua trattazione del 2024 sul trattamento termico dell’acciaio. Il riscaldamento, il mantenimento e il raffreddamento modificano le fasi che si formano, la quantità di carbonio che può diffondere e le zone in cui gli elementi di lega si concentrano. La struttura finale registra quindi una storia termica: la condizione dell’acciaio prima del riscaldamento, il trattamento di austenitizzazione, il tempo disponibile per la diffusione, il percorso di raffreddamento ed eventuali successivi rinvenimenti o ricotture.

L’austenite è lo stato progenitore centrale di questa registrazione. Durante il riscaldamento, la ferrite e la cementite possono trasformarsi in austenite, una fase del ferro capace di sciogliere una quantità di carbonio sostanzialmente maggiore rispetto alla ferrite. Ciò non significa che ogni atomo raggiunga istantaneamente una distribuzione uniforme. Il carbonio deve diffondere, la cementite deve dissolversi nella misura richiesta e gli elementi di lega possono rallentare o deviare questi processi. L’austenite risultante può quindi decomporsi secondo più di un percorso.

La storia del raffreddamento determina quale percorso prevale. Nell’acciaio ipoeutettoide, il raffreddamento continuo produce comunemente ferrite allotriomorfa più perlite, secondo il Phase Transformations Group dell’University of Cambridge nel 2011. Con un percorso di raffreddamento diverso o con una maggiore temprabilità, la struttura può evolvere verso perlite più fine, bainite, martensite e austenite residua. Queste non sono semplicemente posizioni su una scala della velocità di raffreddamento. La composizione, la struttura dei grani di austenite preesistenti, l’attività del carbonio, la dimensione della sezione e gli effetti degli elementi di lega influenzano tutti le trasformazioni.

Una trasformazione lenta dà al carbonio il tempo di ripartirsi tra la ferrite ricca di ferro e il carburo di ferro. Un percorso rapido può sopprimere gran parte di tale diffusione e imporre una trasformazione displaciva in martensite. I percorsi intermedi possono produrre bainite, la cui formazione combina la trasformazione ferritica con la ridistribuzione del carbonio e la formazione di carburi. La tempra, pertanto, non è la spiegazione completa di un acciaio duro. È una parte di una sequenza che determina se l’austenite diventa martensite, bainite, perlite, ferrite o una miscela contenente austenite residua.

Fasi, costituenti, morfologia e distribuzione

Una fase è una regione con una struttura cristallina e uno stato chimico definiti, mentre un costituente è una combinazione strutturale riconoscibile che può contenere più di una fase. Ferrite e cementite sono fasi. La perlite è un costituente formato da ferrite e cementite, comunemente disposte in lamelle alternate. Anche la bainite è un costituente: ScienceDirect la descrive come una struttura non lamellare di ferrite–Fe3C. La martensite è una fase del ferro trasformata e sovrasatura, il cui contenuto di carbonio e la cui morfologia riflettono l’austenite da cui si è formata. L’austenite residua è l’austenite che rimane dopo il raffreddamento invece di trasformarsi.

I soli nomi non descrivono la disposizione visibile. La ferrite può presentarsi sotto forma di grani allotriomorfi lungo i bordi dei grani di austenite preesistenti oppure come placchette di Widmanstätten che si estendono nell’austenite. La perlite può essere grossolana, con lamelle di cementite ampiamente distanziate, oppure fine, con una spaziatura molto più ridotta. ScienceDirect osserva che la perlite grossolana formata a temperature di trasformazione più elevate è relativamente tenera, mentre la perlite più fine è più resistente. La distinzione è tanto morfologica quanto compositiva.

Anche la bainite presenta più di un aspetto. La bainite superiore contiene ferrite e carburo in una disposizione associata alla trasformazione nella parte più alta dell’intervallo bainitico; la bainite inferiore si forma con una distribuzione più fine dei carburi all’interno della ferrite o strettamente associata ad essa. ScienceDirect afferma che la bainite inferiore è più dura della bainite superiore. Questa differenza non può essere dedotta dalla sola parola “bainite”.

Il trattamento termico può inoltre modificare la morfologia senza sostituire tutte le fasi. Durante la sferoidizzazione, secondo quanto riportato nel 2008 dal Phase Transformations Group dell’University of Cambridge, le lamelle di cementite della perlite diventano particelle. L’acciaio contiene ancora ferrite e cementite, ma la disposizione delle particelle modifica la resistenza alla deformazione, il comportamento durante il taglio e il percorso disponibile per le trasformazioni successive. La distribuzione è importante: un carburo situato su un bordo di grano non produce lo stesso effetto strutturale di un carburo finemente disperso all’interno della ferrite.

I riferimenti del 2024 di ASM International identificano l’austenite, la ferrite, la diffusione del carbonio, la bainite, la cementite, la martensite, la perlite e le trasformazioni di fase come gli argomenti fondamentali necessari per interpretare queste strutture. La descrizione del 2024 definisce le microstrutture degli acciai trattati termicamente come associazioni di ferro, carbonio e altri elementi di lega che formano ferrite, bainite, cementite, martensite e perlite. La descrizione utile è quindi: “quali fasi e costituenti sono presenti, in quali proporzioni e con quale morfologia e distribuzione”.

Perché la sola durezza è una descrizione incompleta

Valori di durezza simili possono comparire in acciai con combinazioni di fasi e morfologie diverse, quindi la sola durezza non può identificare i prodotti di trasformazione. Limited evidence

La durezza riduce una struttura complessa a un’unica risposta misurata. Può indicare la resistenza all’impronta, ma non identifica i prodotti di trasformazione che hanno determinato tale risposta. Due acciai possono mostrare una durezza simile pur contenendo combinazioni diverse di perlite fine, bainite, martensite e austenite residua. La loro tenacità, duttilità, stabilità dimensionale, risposta a fatica e risposta al rinvenimento possono comunque differire.

La martensite aumenta spesso la durezza perché il carbonio rimane intrappolato in una struttura cristallina deformata, ma il risultato dipende dal contenuto di carbonio, dagli elementi di lega, dalla quantità di trasformazione e dal successivo rinvenimento. La martensite non rinvenuta non è la stessa microstruttura della martensite rinvenuta. Un acciaio temprato può contenere anche bainite o austenite residua se il percorso di trasformazione non è stato uniforme o se la composizione ha ritardato la trasformazione.

La stessa cautela si applica alle strutture più tenere. La perlite grossolana e la cementite sferoidizzata possono produrre, in determinate condizioni, una durezza comparabile, pur presentando forme diverse dei carburi e diversi meccanismi di deformazione. La durezza non può rivelare se la cementite è lamellare, particellare, associata ai bordi di grano o finemente dispersa. Per ricostruire la registrazione sono necessari la microscopia, la diffrazione, l’analisi chimica e la conoscenza del ciclo di trattamento.

La domanda corretta dopo il trattamento termico non è semplicemente: “Quanto è duro l’acciaio?”. È: quale austenite era presente, come si sono spostati il carbonio e gli elementi di lega, quali trasformazioni si sono verificate e quale disposizione permane? La durezza è un’evidenza. La microstruttura è la spiegazione.

Austenite, ferrite e cementite: i costituenti fondamentali

[1][1] Introduction to Steel Heat Treatment. ASM International. ASM Handbook, 2024.

Le microstrutture degli acciai vengono interpretate come configurazioni di fasi e costituenti, non come punti su una semplice scala da tenero a duro. ASM International afferma che le microstrutture degli acciai sottoposti a trattamento termico sono costituite da fasi formate da associazioni di ferro, carbonio e altri elementi di lega, tra cui ferrite, bainite, cementite, martensite e perlite (ASM International, 2024). Anche la sua trattazione dei trattamenti termici degli acciai colloca austenite, ferrite, diffusione del carbonio, cementite, perlite, bainite, martensite e trasformazioni di fase all’interno dello stesso quadro fondamentale. Quest’ordine è importante: la struttura presente dopo il trattamento dipende da ciò che si è formato a partire dall’austenite, da come si è spostato il carbonio e da quali trasformazioni hanno potuto procedere.

L’austenite come fase madre ad alta temperatura

L’austenite è la forma cubica a facce centrate del ferro, in grado di dissolvere una quantità di carbonio sostanzialmente maggiore rispetto alla ferrite. Nel normale ragionamento sui trattamenti termici, è la fase madre dalla quale si sviluppano diverse strutture successive. Il riscaldamento di un acciaio idoneo fino al suo intervallo austenitico non crea direttamente martensite, perlite o bainite. Esso prepara una condizione iniziale chimicamente e strutturalmente diversa. Durante questa fase, il carbonio e gli elementi di lega possono ridistribuirsi, mentre la ferrite e la cementite preesistenti vengono disciolte in misura determinata dalla composizione, dal tempo, dalla temperatura e dalla condizione precedente.

L’espressione “fase madre” descrive una relazione di trasformazione, non garantisce che ogni parte di un componente raggiunga un’austenite identica. Carburi non disciolti, segregazione chimica, dimensione dei grani e modalità di riscaldamento possono determinare differenze locali. Prima di stabilire condizioni di trattamento precise per una determinata composizione, è quindi necessario specificare il diagramma di fase e le temperature di trasformazione pertinenti. Una descrizione generale dell’austenite non deve essere scambiata per un’indicazione di temperatura relativa a una qualità di acciaio specifica.

Durante il raffreddamento, l’austenite può seguire percorsi diversi. Se il carbonio diffonde e gli atomi si riordinano per un tempo sufficiente, possono formarsi ferrite e cementite, producendo comunemente la perlite come miscela organizzata delle due fasi. In altri percorsi termici può svilupparsi la bainite. Se le reazioni dipendenti dalla diffusione vengono evitate, il reticolo dell’austenite può trasformarsi in martensite mediante un meccanismo displacivo, mentre una parte dell’austenite può rimanere sotto forma di austenite trattenuta. Il Phase Transformations Group dell’Università di Cambridge distingue la ferrite allotriomorfa, la ferrite di Widmanstätten, la perlite, la bainite superiore, la bainite inferiore, la martensite e la cementite come descrizioni strutturali separate. L’austenite madre stabilisce quindi il campo iniziale, ma la storia di raffreddamento determina quali prodotti compaiono e con quale morfologia.

La ferrite e il ruolo della solubilità del carbonio

La ferrite è una fase ricca di ferro con una struttura cristallina cubica a corpo centrato. La sua caratteristica più importante per le trasformazioni degli acciai è la bassa solubilità di equilibrio del carbonio rispetto all’austenite. Quando la ferrite si forma a partire dall’austenite, il carbonio non può rimanere disciolto uniformemente alla stessa concentrazione. Deve diffondere allontanandosi dalla ferrite in avanzamento oppure concentrarsi nelle regioni vicine, in grado di accogliere una maggiore quantità di carbonio, contribuendo spesso alla formazione della cementite.

Diffusione del carbonioDiffusione del carbonio Movimento degli atomi di carbonio attraverso i siti interstiziali del reticolo del ferro, che consente variazioni di composizione e trasformazioni diffusionali come la formazione di ferrite, cementite e perlite.

La diffusione del carbonio è il meccanismo che consente queste trasformazioni diffusionali. Gli atomi di carbonio si spostano attraverso i siti interstiziali del reticolo di ferro, mentre la matrice ricca di ferro modifica la propria struttura cristallina e composizione. Questo movimento dipende dalla temperatura e dal tempo, sebbene le velocità esatte e le temperature di trasformazione varino in funzione della composizione e debbano essere ricavate dal diagramma di fase applicabile o dai dati cinetici. Gli elementi di lega possono modificare la diffusione, il movimento delle interfacce, la stabilità dei carburi e la temprabilità. Di conseguenza, due acciai sottoposti a un ciclo di raffreddamento apparentemente simile possono formare proporzioni o morfologie diverse di ferrite, perlite, bainite, martensite e austenite trattenuta.

La morfologia della ferrite fornisce informazioni sul modo in cui essa si è formata. La ferrite allotriomorfa si sviluppa comunemente lungo i bordi dei grani di austenite preesistenti, mentre la ferrite di Widmanstätten cresce sotto forma di piastre o listelli all’interno dei grani di austenite. Nell’acciaio ipoeutettoide raffreddato in continuo, Cambridge descrive il risultato convenzionale come ferrite allotriomorfa più perlite. Con l’aumento della velocità di raffreddamento, o della temprabilità, la sequenza di trasformazione può spostarsi verso perlite più fine, bainite, martensite e austenite trattenuta. Queste non sono semplicemente versioni progressivamente più dure della ferrite. Rappresentano distribuzioni del carbonio, interfacce, configurazioni cristalline e meccanismi di trasformazione differenti.

Una matrice ferritica può contenere anche particelle, bande o regioni create dalla precedente storia termica e chimica. L’interpretazione di una micrografia richiede quindi più della semplice identificazione della ferrite dall’aspetto chiaro. L’analista deve chiedersi dove essa si sia formata, che cosa sia accaduto al carbonio respinto e se il costituente circostante sia perlite, bainite o una regione contenente carburi.

La cementite e Fe₃C nelle strutture trasformate

La cementite è il carburo di ferro Fe₃C: tre atomi di ferro associati stechiometricamente a un atomo di carbonio in una struttura distinta del composto. Non si tratta semplicemente di carbonio disciolto nella ferrite. La cementite si forma quando il carbonio dell’acciaio non può rimanere nella matrice ferritica a bassa solubilità e le condizioni chimiche e termiche locali consentono la precipitazione o la crescita del carburo.[2][2] Steel Heat Treatment. ScienceDirect. ScienceDirect Topics, 2024.

La perlite viene comunemente descritta come un costituente cooperativo e stratificato di ferrite e cementite. Le lamelle alternate forniscono un’ampia area interfacciale tra le due fasi. La temperatura di trasformazione ne influenza la spaziatura: ScienceDirect identifica la perlite grossolana, formata a temperature di trasformazione più elevate, come relativamente tenera, mentre la perlite più fine è più resistente. La distinzione dipende dalla morfologia e dalla scala, non dalla sola presenza della cementite.

La cementite compare anche in strutture che non sono perlitiche. ScienceDirect descrive la bainite come una struttura non lamellare di ferrite–Fe₃C e afferma che la bainite inferiore è più dura della bainite superiore. Nella bainite superiore, la disposizione dei carburi differisce da quella della bainite inferiore, nella quale la precipitazione avviene all’interno delle piastre ferritiche o in stretta associazione con esse. L’aspetto esatto dipende dalla composizione e dalle condizioni di trasformazione.

Il trattamento termico può modificare la forma della cementite senza modificarne l’identità chimica. Cambridge documenta che la sferoidizzazione converte le lamelle di cementite perlitica in particelle (University of Cambridge Phase Transformations Group, 2008). Ciò riduce la geometria stratificata continua della perlite e modifica il modo in cui la matrice ferritica viene suddivisa dal carburo. Ricottura, rinvenimento e altri trattamenti possono quindi modificare le proprietà alterando la dimensione, la spaziatura e la distribuzione delle particelle. NPTEL afferma che i trattamenti termici modificano le proprietà meccaniche principalmente attraverso la modifica della microstruttura (NPTEL, 2024). La quantità, la continuità e la morfologia della cementite fanno parte di questa spiegazione; la sola tempra non è sufficiente.

Perlite: struttura lamellare e scala dipendente dal raffreddamento

La perlite non è una singola fase. È un’associazione bifasica di ferrite e cementite, generalmente indicata come ferrite–Fe₃C, prodotta quando l’austenite si decompone attraverso una trasformazione controllata dalla diffusione. La ferrite è la fase di ferro cubica a corpo centrato, relativamente povera di carbonio; la cementite è la fase di carburo di ferro che incorpora il carbonio espulso dalla ferrite in accrescimento. Il risultato è una microstruttura composita, non una soluzione solida uniforme.

Questa distinzione è importante perché un acciaio temprato non è duro semplicemente perché ha subito un raffreddamento rapido. La durezza e la resistenza dipendono dalle trasformazioni che si sono verificate, dalla quantità di carbonio che ha potuto diffondere, dagli elementi di lega presenti e dalla morfologia dei prodotti. ASM International afferma che le microstrutture degli acciai sottoposti a trattamento termico sono costituite da fasi formate da associazioni di ferro, carbonio e altri elementi di lega, tra cui ferrite, bainite, cementite, martensite e perlite (2024). La perlite appartiene quindi a una sequenza di prodotti di trasformazione che comprende anche bainite, martensite e austenite trattenuta, e non a una semplice scala da tenero a duro controllata esclusivamente dalla severità della tempra.

Formazione delle lamelle di ferrite e cementite

Quando l’austenite si trasforma in perlite, la diffusione del carbonio consente la formazione congiunta di ferrite e cementite. Rispetto all’austenite, la ferrite contiene poco carbonio; pertanto, il carbonio deve allontanarsi dalla ferrite in avanzamento e raccogliersi nella cementite adiacente. I due costituenti crescono in modo cooperativo: piastre o strati di ferrite avanzano accanto a piastre o strati di cementite, producendo una disposizione lamellare ripetuta.

Una colonia perlitica contiene generalmente lamelle con un orientamento comune, mentre colonie diverse possono avere orientamenti differenti. Al microscopio, la spaziatura apparente può variare in funzione della direzione di sezionamento; pertanto, la distanza misurata non corrisponde sempre alla reale spaziatura tridimensionale. Ciononostante, la scala delle lamelle fornisce indicazioni utili sulla storia della trasformazione. Lamelle ravvicinate offrono una maggiore interfaccia ferrite–cementite per unità di distanza per la ridistribuzione del carbonio; lamelle più distanziate indicano una crescita avvenuta in condizioni che hanno consentito una maggiore lunghezza di diffusione.

Il raffreddamento continuo produce comunemente ferrite allotriomorfa più perlite negli acciai ipoeutettoidici. Strong evidence

Nel caso di un acciaio ipoeutettoide, la perlite normalmente non si forma da sola. Durante il raffreddamento continuo, la ferrite allotriomorfa può formarsi inizialmente lungo i bordi dei grani di austenite preesistenti, seguita dalla perlite nell’austenite residua. Il Phase Transformations Group dell’University of Cambridge descrive “ferrite allotriomorfa più perlite” come il prodotto comune del raffreddamento continuo negli acciai ipoeutettoidi (2011). Quando il raffreddamento diventa più rapido, oppure quando la temprabilità aumenta a causa della composizione, la sequenza di trasformazione può spostarsi verso perlite più fine, bainite, martensite e austenite trattenuta. La struttura finale può quindi contenere perlite accanto a ferrite proeutettoide, anziché una struttura completamente perlitica.

La temperatura di trasformazione controlla la scala perché determina l’equilibrio tra nucleazione, crescita e diffusione del carbonio. A una temperatura di trasformazione relativamente elevata, la diffusione è comparativamente agevole. Possono nucleare meno colonie perlitiche, ma ciascuna colonia può crescere con una spaziatura lamellare maggiore. A una temperatura di trasformazione più bassa, la diffusione è più limitata e la forza motrice della trasformazione è maggiore; possono formarsi molte colonie e i loro strati di ferrite e cementite diventano più ravvicinati. La velocità di raffreddamento è un modo pratico per modificare la temperatura di trasformazione, ma non ne costituisce una descrizione completa. Gli elementi di lega possono ritardare la trasformazione, modificare l’attività del carbonio e alterare le temperature e gli intervalli temporali nei quali si forma la perlite.

Perlite grossolana e perlite fine

La perlite grossolana presenta una spaziatura ferrite–cementite relativamente ampia. Si forma quando l’austenite si trasforma a temperature più elevate, alle quali il carbonio può diffondere su distanze maggiori durante la crescita. La struttura è relativamente tenera rispetto alla perlite più fine, come descritto nel riferimento di ScienceDirect sul trattamento termico degli acciai (2024). Questo confronto è relativo e non corrisponde a un valore universale di durezza: la composizione, la dimensione delle colonie, la struttura dei grani di austenite preesistenti, la dimensione della sezione e i trattamenti successivi influenzano tutti il risultato misurato.

La perlite fine presenta una spaziatura lamellare più ravvicinata. In genere si forma a una temperatura di trasformazione più bassa, alla quale la diffusione del carbonio è meno estesa e la trasformazione produce una disposizione più fine di ferrite e cementite. ScienceDirect identifica la perlite più fine come più resistente rispetto alla perlite grossolana. Il motivo è morfologico. Lamelle di cementite ravvicinate interrompono la ferrite su distanze minori e presentano un numero maggiore di interfacce al moto delle dislocazioni. La struttura può quindi opporsi più efficacemente alla deformazione plastica, sebbene la risposta dipenda ancora dal tenore di carbonio e dalle aggiunte di lega.

“Fine” e “grossolana” descrivono la scala, non fasi chimiche distinte. Entrambe le strutture contengono ferrite e cementite, e entrambe possono coesistere con altri prodotti in un componente realmente sottoposto a trattamento termico. Una curva di raffreddamento che attraversa più di un intervallo di trasformazione può produrre ferrite e perlite in una regione, bainite in un’altra oppure martensite dove l’austenite sopravvive fino all’intervallo di inizio della formazione della martensite. NPTEL afferma che i trattamenti termici modificano le proprietà meccaniche principalmente modificando la microstruttura (2024). La perlite dimostra chiaramente questo principio: modificare il percorso di trasformazione può alterare la spaziatura e la morfologia senza modificare l’identità fondamentale di ferrite più cementite.

Cementite sferoidizzata dopo un trattamento prolungato[3][3] Steel Microstructure. University of Cambridge Phase Transformations Group. Phase Transformations Group reference material, 2008.

La perlite può anche perdere la propria forma lamellare. Durante un riscaldamento prolungato al di sotto dell’intervallo di trasformazione eutettoide, oppure durante cicli di ricottura appropriati, le lamelle di cementite si disgregano gradualmente e si trasformano in particelle arrotondate disperse in una matrice ferritica. Il Phase Transformations Group dell’University of Cambridge afferma direttamente che “la sferoidizzazione converte le lamelle di cementite perlitica in particelle” (2008).

Questa trasformazione riduce le interfacce nette e continue della cementite caratteristiche della perlite. Le particelle tendono a ingrossarsi con la prosecuzione del trattamento, poiché la riduzione dell’area interfacciale diminuisce l’energia interfacciale del sistema. La dimensione e la spaziatura delle particelle dipendono dalla perlite di partenza, dalla temperatura, dal tempo e dagli elementi di lega; un trattamento prolungato non produce una singola morfologia fissa in ogni acciaio.

La cementite sferoidizzata è ancora cementite e la matrice circostante è ancora ferrite, ma la geometria è cambiata da piastre alternate a particelle disperse. Questa geometria generalmente facilita la deformazione rispetto alla perlite lamellare, in particolare durante la formatura o la lavorazione meccanica; tuttavia, dal termine “sferoidizzata” non deriva alcun singolo valore di durezza. Per un’interpretazione corretta è necessaria la microstruttura completa: composizione della ferrite, frazione volumica della cementite, dimensione e spaziatura delle particelle, perlite residua ed eventuale martensite o austenite trattenuta lasciata da lavorazioni precedenti.

Acciaio ipoeutettoidico durante il raffreddamento continuo

L’acciaio ipoeutettoidico contiene meno carbonio rispetto alla composizione eutettoidica, quindi l’austenite non si trasforma tutta in una volta in perlite. Durante il raffreddamento, il primo prodotto è normalmente la ferrite, seguita dalla trasformazione dell’austenite residua in perlite o, a velocità di raffreddamento più elevate, in altri prodotti. La struttura finale registra quindi una sequenza: il carbonio fuoriesce dalla ferrite in crescita, l’austenite residua si arricchisce di carbonio e, successivamente, questa austenite modificata si trasforma in funzione della temperatura e del tempo disponibili.

Questa sequenza spiega perché la durezza non possa essere attribuita direttamente all’atto della tempra. NPTEL afferma che i trattamenti termici modificano principalmente le proprietà meccaniche attraverso la modifica della microstruttura, mentre ASM International identifica austenite, ferrite, diffusione del carbonio, cementite, perlite, bainite, martensite e trasformazioni di fase come gli argomenti fondamentali necessari per interpretare l’acciaio trattato termicamente. Il percorso di raffreddamento determina quali di questi costituenti si formano, in quale proporzione e con quale morfologia.

Ferrite allotriomorfa prima della perlite

Durante il raffreddamento dalla regione austenitica, l’acciaio ipoeutettoidico inizia comunemente a formare ferrite allotriomorfa ai bordi dei grani di austenite preesistenti. Il termine “allotriomorfa” descrive una ferrite la cui forma esterna è determinata dall’austenite circostante anziché dalla propria forma cristallografica. Essa appare spesso sotto forma di film, strati o grani irregolari lungo i precedenti bordi dei grani austenitici.

La ferrite contiene una quantità di carbonio molto ridotta rispetto all’austenite. Durante la crescita, il carbonio viene respinto nell’austenite adiacente. Tale diffusione è fondamentale per la trasformazione: la formazione della ferrite rende progressivamente più ricca di carbonio l’austenite non trasformata, spostandone la composizione verso quella eutettoidica. La ferrite non è quindi semplicemente una regione a basso tenore di carbonio che compare indipendentemente dal resto della struttura. La sua crescita modifica la composizione chimica dell’austenite residua.

Il Phase Transformations Group dell’Università di Cambridge presenta questa sequenza come quella convenzionale più chiara per l’acciaio ipoeutettoidico raffreddato continuamente. La ferrite allotriomorfa si forma per prima e l’austenite residua si trasforma quindi in perlite. La ferrite può formare una rete di bordi quasi continua quando la trasformazione procede abbastanza lentamente, sebbene l’aspetto esatto dipenda dalla composizione, dalla dimensione dei grani di austenite preesistenti e dal programma di raffreddamento.

È importante anche distinguere la ferrite allotriomorfa dalla ferrite di Widmanstätten. Condizioni di trasformazione più rapide possono produrre piastre o placche laterali di ferrite che crescono nell’austenite, anziché la morfologia controllata dai bordi associata alla ferrite allotriomorfa. Una micrografia che mostra ferrite non è quindi sufficiente per identificare la storia di raffreddamento; è necessario esaminarne anche la forma e la posizione.

Microstrutture ferrite più perlite

Dopo la formazione della ferrite proeutettoidica, l’austenite residua arricchita di carbonio si trasforma comunemente in perlite. La perlite è una miscela cooperativa di ferrite e cementite, Fe₃C, disposte in regioni o lamelle alternate. Ne risulta una microstruttura ferrite più perlite: la ferrite relativamente povera di carbonio occupa la parte proeutettoidica, mentre la perlite contiene il carbonio che si era concentrato nell’austenite residua.

Non si tratta di un unico aspetto fisso. La perlite formata a una temperatura di trasformazione relativamente elevata presenta una maggiore distanza tra ferrite e cementite ed è descritta da ScienceDirect come perlite grossolana; rispetto alla perlite più fine, è relativamente più tenera. A una temperatura di trasformazione più bassa, le distanze di diffusione sono minori e la spaziatura lamellare diventa più fine. La perlite fine è più resistente perché le barriere di cementite ravvicinate limitano in modo più efficace il movimento delle dislocazioni, sebbene le sue proprietà dipendano comunque dalla composizione e dalla morfologia complessive.

Il riferimento di Cambridge identifica la ferrite allotriomorfa più perlite come un risultato comune del raffreddamento continuo dell’acciaio ipoeutettoidico. Questa affermazione descrive un percorso, non una microstruttura universale per ogni qualità di acciaio o operazione di raffreddamento. Il tenore di carbonio, il manganese e gli altri elementi di lega, la dimensione dei grani di austenite, lo spessore della sezione e l’effettiva storia temperatura-tempo influenzano tutti l’inizio e la fine di ciascuna trasformazione.

La perlite deve essere inoltre distinta dalla cementite sferoidizzata. Durante la sferoidizzazione, il Phase Transformations Group dell’Università di Cambridge afferma che le lamelle di cementite perlitica diventano particelle. Una matrice ferritica contenente particelle arrotondate di cementite non è quindi semplicemente una versione grossolana della normale perlite lamellare; essa registra un trattamento differente e una morfologia diversa della cementite.

Effetto di un raffreddamento più rapido e temprabilità

Quando il raffreddamento diventa più rapido, l’acciaio trascorre meno tempo nell’intervallo di temperatura in cui il carbonio può diffondere e in cui ferrite e perlite possono crescere. La trasformazione può ancora produrre ferrite e perlite, ma la perlite diventa più fine e la frazione di ferrite ai bordi può variare. Con un percorso di raffreddamento sufficientemente modificato, l’austenite evita in parte o completamente l’intervallo di formazione della ferrite più perlite.

L’esempio di raffreddamento continuo di Cambridge colloca lungo questa progressione la perlite più fine, la bainite, la martensite e l’austenite trattenuta. La bainite si forma come miscela non lamellare di ferrite e Fe₃C, anziché sotto forma di lamelle alternate come nella perlite. La bainite superiore e la bainite inferiore presentano disposizioni differenti di ferrite e cementite; ScienceDirect identifica la bainite inferiore come più dura di quella superiore, in relazione alla sua scala più fine e alla diversa distribuzione dei carburi.

Se il raffreddamento impedisce la trasformazione diffusiva fino al raggiungimento dell’intervallo martensitico, l’austenite può trasformarsi in martensite mediante un meccanismo di taglio senza diffusione. Durante la crescita, il carbonio rimane intrappolato nel reticolo distorto del ferro invece di ripartirsi tra ferrite e cementite. L’eventuale austenite che non si trasforma in martensite può rimanere sotto forma di austenite trattenuta. La sua quantità dipende dalla composizione e dal percorso di raffreddamento, non dalla sola tempra.

TemprabilitàTemprabilità Capacità di un acciaio di formare prodotti di trasformazione più duri attraverso una sezione in condizioni di raffreddamento specificate; è distinta dalla durezza misurata in un singolo punto.

La temprabilità modifica la capacità dell’acciaio di seguire questo percorso di raffreddamento più rapido all’interno di un componente reale. Gli elementi di lega possono ritardare le trasformazioni di ferrite, perlite o bainite, consentendo la formazione di martensite in posizioni che, in un acciaio meno temprabile, si trasformerebbero in ferrite e perlite. Una sezione spessa può quindi contenere strutture differenti dalla superficie fino al centro, anche quando l’intero componente riceve lo stesso trattamento.

La conclusione pratica è diretta: l’acciaio ipoeutettoidico non passa da “tenero” a “duro” mediante un unico interruttore. Il raffreddamento continuo può produrre ferrite allotriomorfa più perlite, perlite più fine, bainite, martensite, austenite trattenuta o miscele di questi prodotti. L’evidenza decisiva è costituita dalla sequenza di trasformazione e dalla morfologia risultante.

Prodotti di trasformazione: bainite superiore, bainite inferiore e non lamellare

La bainite come struttura ferrite–Fe₃C

La bainite non è una fase singola e non dovrebbe essere trattata come un punto su una semplice scala di durezza. È un prodotto di trasformazione costituito principalmente da ferrite e carburo di ferro, Fe₃C, le cui proprietà sono controllate dalla disposizione, dalle dimensioni e dalla distribuzione di tali costituenti. La panoramica del 2024 di ScienceDirect sul trattamento termico degli acciai definisce la bainite come una «struttura non lamellare di ferrite–Fe₃C». Questa definizione distingue la bainite dalla perlite a livello morfologico: entrambe contengono ferrite e cementite, ma la loro disposizione ferrite–cementite è diversa.

La ferrite nella bainite si forma a partire dall’austenite, mentre il carbonio espulso dalla ferrite in crescita contribuisce alla formazione o alla ridistribuzione dei carburi nell’austenite circostante. La trasformazione coinvolge quindi sia la formazione di regioni ferritiche sia il movimento del carbonio. Gli elementi di lega possono modificare l’attività del carbonio, la precipitazione dei carburi, la crescita della ferrite e l’intervallo di temperature nel quale si forma la bainite. La struttura finale è di conseguenza determinata dal percorso di trasformazione, non dal semplice fatto che l’acciaio sia stato temprato o raffreddato rapidamente.

Questa distinzione è coerente con la descrizione del 2024 di ASM International delle microstrutture degli acciai trattati termicamente come associazioni di ferro, carbonio e altri elementi di lega che formano ferrite, bainite, cementite, martensite e perlite. L’austenite è la struttura madre dalla quale si sviluppano diversi di questi prodotti. Il raffreddamento modifica le condizioni per la diffusione del carbonio e la trasformazione di fase; il prodotto risultante può contenere più di un costituente se la trasformazione avviene in un intervallo di temperature.

Il termine «non lamellare» non significa che la bainite sia priva di una disposizione interna ripetuta. La ferrite bainitica si presenta comunemente sotto forma di piastre, listelli o fasci, mentre i carburi si trovano tra le unità di ferrite o al loro interno, a seconda del prodotto di trasformazione. Le interfacce e le relazioni cristallografiche tra la ferrite e l’austenite preesistente influenzano la resistenza, la tenacità e la propagazione delle cricche. Una micrografia può quindi mostrare una struttura organizzata senza evidenziare le piastre regolari e alternate associate alla perlite.

Anche il meccanismo di trasformazione differisce da un riarrangiamento controllato esclusivamente dalla diffusione a lungo raggio. La ferrite si forma con una variazione di forma correlata al reticolo dell’austenite, mentre il carbonio si ridistribuisce successivamente per diffusione. La precipitazione dei carburi segue la concentrazione locale del carbonio e le condizioni di trasformazione. Questa combinazione di formazione della ferrite, spostamento del reticolo, ripartizione del carbonio e precipitazione dei carburi spiega perché la bainite occupi una posizione distinta tra i prodotti perlitici e martensitici. Non è semplicemente perlite più fine, né martensite con un nome diverso.

Bainite superiore e bainite inferiore

Il Phase Transformations Group dell’Università di Cambridge distingue la «bainite superiore» e la «bainite inferiore» come microstrutture distinte degli acciai. La distinzione riguarda principalmente la posizione e la morfologia dei carburi. Nella bainite superiore, la ferrite si forma comunemente sotto forma di listelli o piastre, con la cementite che compare preferenzialmente tra unità di ferrite adiacenti. Le regioni ricche di carburi delineano parti dell’aggregato ferritico. Nella bainite inferiore, particelle di carburo o sottili precipitati di carburi si formano all’interno delle piastre di ferrite, oltre che nelle regioni associate. Il modello di precipitazione interna è più fine e più strettamente legato alla ferrite stessa.

Queste descrizioni sono morfologiche, ma riflettono diversi equilibri tra la formazione della ferrite e la diffusione del carbonio. Nelle condizioni associate alla bainite superiore, il carbonio può ridistribuirsi in misura sufficiente affinché il carburo si formi principalmente tra i listelli di ferrite. Nelle condizioni di formazione della bainite inferiore, la ferrite si forma mentre la sovrasaturazione di carbonio rimane significativa al suo interno, consentendo la precipitazione dei carburi dentro le unità ferritiche. L’aspetto preciso dipende dalla composizione dell’acciaio, dalla struttura dei grani di austenite preesistente, dalla storia di trasformazione e dagli effetti degli elementi di lega.

Secondo la panoramica del 2024 di ScienceDirect sul trattamento termico degli acciai, la bainite inferiore è più dura della bainite superiore. Questa differenza non dovrebbe essere presentata come una conseguenza misteriosa di una «tempra maggiore». Le unità ferritiche più fini, la precipitazione interna dei carburi e le conseguenti barriere al movimento delle dislocazioni contribuiscono alla maggiore durezza associata alla bainite inferiore. La bainite superiore presenta una diversa disposizione dei carburi e offre generalmente un diverso equilibrio tra resistenza e tenacità. Nessuna delle due denominazioni, da sola, consente di prevedere completamente le proprietà meccaniche, perché i prodotti misti e le variazioni di scala sono comuni.

Un acciaio ipoeutettoide raffreddato in modo continuo può non trasformarsi in un unico costituente uniforme. La trattazione del 2011 di Cambridge sulle microstrutture miste afferma che il raffreddamento continuo produce comunemente ferrite allotriomorfa più perlite, mentre velocità di raffreddamento progressivamente maggiori o una maggiore temprabilità possono produrre perlite più fine, bainite, martensite e austenite trattenuta. Un singolo provino può quindi contenere ferrite proeutettoide, perlite, bainite superiore, bainite inferiore, martensite o austenite trattenuta in regioni diverse. La sequenza di trasformazione è importante quanto il nome nominale del trattamento termico.

Perché la bainite non deve essere descritta come perlite fine

Definire la bainite «perlite fine» è scorretto perché confonde la composizione con la struttura. Entrambi i prodotti possono contenere ferrite e Fe₃C, ma la perlite è definita da una disposizione lamellare: piastre alternate di ferrite e cementite prodotte durante la trasformazione eutettoide. La bainite è definita da una disposizione non lamellare di ferrite e cementite. Affinare la perlite riduce la distanza interlamellare; non trasforma tali lamelle in piastre di ferrite bainitica e in distribuzioni di carburi tipiche della bainite.

La panoramica del 2024 di ScienceDirect evidenzia direttamente il contrasto: la perlite grossolana formata a temperature di trasformazione più elevate è relativamente tenera, la perlite più fine è più resistente, la bainite è una struttura non lamellare di ferrite–Fe₃C e la bainite inferiore è più dura della bainite superiore. Le prime due affermazioni descrivono la scala all’interno di una stessa morfologia. Le affermazioni successive identificano una morfologia diversa e distinguono poi due forme di bainite. In entrambi i casi la durezza varia, ma la ragione strutturale non è la stessa.

La distinzione rimane valida anche dopo trattamenti termici successivi. Nel 2008 Cambridge ha riferito che la sferoidizzazione converte le lamelle di cementite della perlite in particelle. Questo trattamento modifica la morfologia dei carburi della perlite, ma il prodotto rimane una struttura perlitica sferoidizzata, non bainite. Al contrario, il rinvenimento di una struttura martensitica produce la precipitazione di carburi all’interno di una matrice ferritica, ma ciò non rende retroattivamente la struttura bainite. Le denominazioni descrivono la storia della trasformazione e la morfologia, non soltanto gli elementi presenti.

Nel 2024 NPTEL ha affermato che i trattamenti termici modificano le proprietà meccaniche principalmente modificando la microstruttura. La bainite dimostra perché questo principio sia importante. La sua durezza dipende dal fatto che il prodotto sia bainite superiore o inferiore, dalle dimensioni delle unità ferritiche, dalla posizione e dalla scala dei carburi, dagli elementi di lega e dall’eventuale presenza adiacente di martensite, perlite, ferrite o austenite trattenuta. La tempra è soltanto una parte della storia. L’evidenza decisiva è la struttura lasciata dalla trasformazione di fase e dalla ridistribuzione del carbonio.

Martensite e austenite trattenuta dopo il raffreddamento rapido

La martensite come prodotto del raffreddamento rapido

La martensite si forma quando l’austenite viene raffreddata abbastanza rapidamente da impedire che le reazioni diffusionali che producono ferrite, cementite, perlite o bainite la consumino completamente. Il carbonio rimane quindi associato al reticolo di ferro in trasformazione, invece di distribuirsi completamente nella cementite o di diffondere altrove. Il risultato è un prodotto di trasformazione sovrasaturo, la cui struttura e morfologia dipendono dal tenore di carbonio, dagli elementi di lega, dalla struttura dei grani di austenite preesistenti e dal percorso termico.

Ciò non equivale ad affermare che “la tempra crea la durezza” come effetto fisico diretto. La tempra modifica il tempo disponibile affinché gli atomi si spostino e si formino le fasi concorrenti. La martensite risultante può aumentare la durezza perché la sua struttura contenente carbonio oppone resistenza alla deformazione plastica, ma la proprietà finale dipende dalla quantità di martensite formatasi, dagli altri costituenti rimasti e dall’eventuale rinvenimento successivo dell’acciaio. Un componente temprato può contenere martensite insieme a bainite, perlite, ferrite o austenite trattenuta.

Il Phase Transformations Group dell’Università di Cambridge colloca la martensite all’interno di una progressione di prodotti ottenuti da acciaio ipoeutettoide raffreddato continuamente. A velocità di raffreddamento relativamente basse o con bassa temprabilità, la struttura inizia comunemente con ferrite allotriomorfa e perlite. Con un raffreddamento più rapido o una maggiore temprabilità, i prodotti evolvono verso perlite più fine, bainite, martensite e austenite trattenuta. Questa progressione descrive percorsi di trasformazione concorrenti, non un interruttore che converta automaticamente ogni parte di una sezione in un unico costituente.

Gli elementi di lega influenzano tale competizione modificando la cinetica delle trasformazioni diffusionali e la temprabilità dell’acciaio. Lo spessore della sezione è importante per la stessa ragione: la superficie e il cuore possono seguire percorsi di raffreddamento differenti. Una superficie può raggiungere condizioni favorevoli alla formazione di martensite, mentre l’interno può permanere abbastanza a lungo in un intervallo di temperature favorevole alla formazione di ferrite, perlite o bainite. Anche all’interno di un singolo grano di austenite preesistente, la composizione locale e la storia termica possono influenzare la sequenza di trasformazione.

Il quadro del trattamento termico di NPTEL collega questa sequenza alle proprietà ingegneristiche: “I trattamenti termici modificano principalmente le proprietà meccaniche modificando la microstruttura” (NPTEL, 2024). La tempra viene discussa come trattamento di indurimento perché favorisce una struttura contenente martensite; il rinvenimento modifica poi tale struttura e la distribuzione del carbonio. Il nome del processo è quindi incompleto senza considerare le fasi risultanti. “Temprato” identifica un trattamento termico, non una diagnosi microstrutturale garantita.

L’austenite trattenuta nell’acciaio raffreddato continuamente

L’austenite trattenuta è la porzione di austenite che permane dopo il raffreddamento invece di trasformarsi in martensite o in un altro prodotto. Non si tratta semplicemente di materiale non trasformato in attesa che la tempra termini. La sua persistenza riflette la composizione dell’acciaio, le condizioni dell’austenite preesistente, il percorso di raffreddamento e il grado in cui le altre trasformazioni hanno già consumato o modificato l’austenite.

L’arricchimento di carbonio è uno dei fattori importanti che ne determinano la stabilità. Quando si formano ferrite, bainite o altri prodotti, il carbonio può essere espulso nell’austenite residua. Anche gli elementi di lega possono modificare la cinetica delle trasformazioni e la stabilità dell’austenite. Di conseguenza, un acciaio raffreddato continuamente può contenere martensite formatasi da una porzione dell’austenite, mentre un’altra porzione sopravvive come austenite trattenuta.

Il riferimento di Cambridge include specificamente l’austenite trattenuta tra i possibili prodotti dell’acciaio ipoeutettoide raffreddato più rapidamente o dotato di maggiore temprabilità. Questo aspetto è importante perché un acciaio può essere fortemente influenzato dal raffreddamento rapido senza diventare completamente martensitico. Una micrografia può mostrare una matrice prevalentemente martensitica con piccole quantità di austenite trattenuta, oppure una miscela contenente ferrite, bainite e martensite, nella quale l’austenite trattenuta è concentrata tra le regioni trasformate.

L’austenite trattenuta rende inoltre inadeguata la parola “durezza” come sintesi della struttura. L’austenite è generalmente più deformabile della martensite, ma la sua presenza non produce un unico valore fisso di durezza indipendente dalla composizione e dalla morfologia. Può trasformarsi durante il successivo carico meccanico, raffreddamento o rinvenimento, modificando le dimensioni e le tensioni interne. La quantità e la distribuzione sono importanti quanto la sua denominazione. Pellicole sottili tra regioni bainitiche o martensitiche non hanno lo stesso effetto strutturale di isole più grandi.

L’interpretazione corretta deve quindi basarsi sulle fasi. Occorre identificare quanta austenite si è trasformata, quali prodotti si sono formati per primi, dove si è spostato il carbonio e quali costituenti sono rimasti dopo il raffreddamento. Il trattamento del 2024 di ASM International descrive le microstrutture degli acciai trattati termicamente come associazioni di ferro, carbonio e altri elementi di lega che formano ferrite, bainite, cementite, martensite e perlite. Austenite, diffusione del carbonio e trasformazioni di fase forniscono il quadro necessario per comprendere la comparsa dell’austenite trattenuta.

Perché la tempra non garantisce un risultato monofasico

La tempra è un’operazione di raffreddamento caratterizzata da una determinata severità e da una specifica storia termica, non una garanzia di ottenere una singola fase. Il percorso di raffreddamento necessario dipende dalla composizione dell’acciaio e dalla geometria della sezione. Se una qualsiasi regione si raffredda abbastanza lentamente da consentire la formazione di ferrite, perlite o bainite prima dello sviluppo della martensite, tali prodotti rimangono dopo la tempra. Se una parte dell’austenite non si trasforma durante il percorso di raffreddamento disponibile, rimane anch’essa come austenite trattenuta.

Per questo motivo, un acciaio ipoeutettoide temprato può contenere ferrite allotriomorfa e martensite, bainite e martensite, oppure martensite e austenite trattenuta. In un’altra posizione, soprattutto verso un cuore raffreddato più lentamente, la perlite può coesistere con bainite e ferrite. La struttura finale registra il percorso attraverso i campi di trasformazione, non il nome dell’operazione eseguita nel forno.

Anche la sola velocità di raffreddamento non spiega ogni risultato. Il carbonio e gli elementi di lega modificano la diffusione, la stabilità delle fasi e la temprabilità. La dimensione dei grani di austenite preesistenti, la pratica di austenitizzazione, le condizioni della superficie e lo spessore della sezione influenzano i percorsi di trasformazione disponibili. Una tempra può sopprimere alcune reazioni diffusionali senza sopprimerle tutte. La conseguenza è spesso una struttura costituita da costituenti misti.

La rassegna del 2024 sul trattamento termico degli acciai pubblicata da ScienceDirect illustra l’importanza di queste distinzioni: la perlite grossolana formata a temperature di trasformazione più elevate è relativamente tenera, la perlite più fine è più resistente, la bainite è una struttura non lamellare di ferrite–Fe3C e la bainite inferiore è più dura della bainite superiore. La martensite è soltanto uno dei componenti di questa famiglia. La risposta meccanica finale dipende dall’associazione, dalla scala e dalla distribuzione dei prodotti, non dalla sola denominazione del raffreddamento.

Una descrizione microstrutturale corretta dovrebbe quindi indicare i costituenti effettivamente presenti. “Acciaio temprato” può essere un’indicazione utile della storia di processo; non è sufficiente come descrizione delle fasi. Il riferimento alla martensite dovrebbe essere accompagnato dalla possibile presenza di austenite trattenuta e di altri prodotti di trasformazione. Questa distinzione evita l’errore comune di considerare il raffreddamento rapido un meccanismo di indurimento monofasico garantito.

Come i trattamenti termici riorganizzano la microstruttura

NPTEL classifica i principali trattamenti termici dell’acciaio in base al loro effetto previsto: la tempra e la cementazione sono trattamenti di indurimento, mentre il rinvenimento, la ricottura e la distensione sono trattamenti di rammollimento. Questa suddivisione è utile, ma “indurimento” e “rammollimento” descrivono il risultato solo indirettamente. L’evento decisivo è la riorganizzazione delle fasi e del carbonio. Nel 2024, NPTEL ha affermato che i trattamenti termici modificano principalmente le proprietà meccaniche cambiando la microstruttura. ASM International rende questo quadro più specifico: l’acciaio trattato termicamente contiene fasi formate da associazioni di ferro, carbonio ed elementi di lega, tra cui ferrite, bainite, cementite, martensite e perlite.

Un trattamento, pertanto, non crea la durezza come proprietà autonoma. Trasforma l’austenite in una miscela selezionata di prodotti di trasformazione oppure modifica la forma, la spaziatura e la distribuzione delle fasi già presenti. La velocità di raffreddamento, il tenore di carbonio, le aggiunte di lega e la dimensione della sezione determinano quali trasformazioni possono procedere prima che l’acciaio raggiunga uno stato a temperatura più bassa.

Tempra e cementazione come trattamenti di indurimento

La tempra mira a sopprimere le trasformazioni diffusionali durante il raffreddamento dell’austenite. Durante un raffreddamento più lento, il carbonio può muoversi attraverso il reticolo del ferro, consentendo la formazione di ferrite e cementite sotto forma di perlite, oppure lo sviluppo di ferrite bainitica e cementite. Una tempra sufficientemente rapida interrompe gran parte di questa ridistribuzione. L’austenite si trasforma quindi, attraverso un meccanismo di taglio privo di diffusione, in martensite, il cui reticolo sovrasaturo di carbonio è fortemente deformato.

Per questo motivo, la tempra non è descritta accuratamente come un “raffreddamento dell’acciaio per renderlo duro”. La struttura risultante può contenere martensite, ma anche austenite trattenuta non trasformata e, quando il raffreddamento o la temprabilità sono insufficienti, bainite o perlite. Gli elementi di lega modificano la temprabilità cambiando la cinetica delle trasformazioni; non aggiungono semplicemente durezza in modo isolato. Un acciaio ipoeutettoide che si raffredda in modo continuo può produrre ferrite allotriomorfa più perlite, come riferito nel 2011 dal University of Cambridge Phase Transformations Group. Con un raffreddamento più rapido o una maggiore temprabilità, la sequenza si sposta verso perlite più fine, bainite, martensite e austenite trattenuta.

La cementazione modifica la distribuzione del carbonio prima della fase finale di indurimento. Il carbonio diffonde nella superficie di un acciaio a basso tenore di carbonio, creando uno strato cementato arricchito di carbonio e un interno a tenore di carbonio più basso. La successiva tempra trasforma lo strato cementato in direzione di una martensite ad alto tenore di carbonio, mentre il cuore segue il comportamento di trasformazione consentito dalla sua composizione originaria e dal percorso di raffreddamento applicato. L’aspetto microstrutturale importante è il gradiente di carbonio: strato cementato e cuore non partono dalla stessa composizione chimica dell’austenite e quindi non devono necessariamente formare prodotti identici.

La cementazione è dunque una preparazione resa possibile dalla diffusione, seguita dalla soppressione rapida delle trasformazioni. La diffusione del carbonio è fondamentale durante l’arricchimento, ma limitata durante la tempra. Il trattamento non equivale alla tempra di un materiale uniformemente ricco di carbonio e la struttura finale dovrebbe essere esaminata lungo l’intera sezione, anziché essere dedotta da un valore di durezza superficiale.

Rinvenimento dopo una struttura indurita

Il rinvenimento appartiene al gruppo dei trattamenti di rammollimento di NPTEL perché riduce la deformazione estrema e la fragilità associate alla martensite allo stato temprato. Non cancella semplicemente la struttura indurita. Al contrario, il carbonio si ridistribuisce a partire dal reticolo martensitico sovrasaturo e le fasi di carburo si formano o diventano più stabili mentre la struttura evolve verso una martensite rinvenuta.

I prodotti esatti dipendono dal tenore di carbonio e dalla composizione in elementi di lega dell’acciaio, nonché dalle condizioni di rinvenimento; pertanto non esiste una singola microstruttura universale di rinvenimento. In termini generali, il trattamento riduce la distorsione del reticolo, modifica la morfologia e la distribuzione dei carburi e consente all’austenite trattenuta di decomporsi o trasformarsi in alcuni acciai. Il risultato è comunemente una matrice ferritica contenente carburi finemente dispersi, anziché la martensite sovrasatura di carbonio prodotta direttamente dalla tempra.

Questo cambiamento spiega perché il rinvenimento possa ridurre la durezza allo stato temprato migliorando al contempo la resistenza alla criccatura e ai danni da impatto. Il contrasto rilevante è tra carbonio intrappolato e carbonio ridistribuito. La tempra lascia il carbonio in una configurazione martensitica deformata; il rinvenimento offre al carbonio un percorso verso la formazione di carburi e la ripartizione chimica. Un acciaio temprato e rinvenuto non è quindi semplicemente “acciaio temprato con meno durezza”, ma una diversa associazione di fasi della matrice e dei carburi.

Anche l’austenite trattenuta è importante. Se rimane dopo la tempra, il successivo rinvenimento può modificarne la stabilità e la sua trasformazione può influire sulla stabilità dimensionale e sulla miscela finale di fasi. Il risultato deve pertanto essere interpretato considerando l’intera sequenza: austenitizzazione, tempra, austenite trattenuta e rinvenimento, non la sola operazione di rinvenimento.

Ricottura e distensione

La ricottura utilizza la diffusione e un raffreddamento controllato per portare l’acciaio verso una struttura a energia più bassa e con una maggiore ridistribuzione chimica. Rispetto alla tempra, offre al carbonio maggiori possibilità di ripartirsi tra ferrite e cementite. A seconda della composizione e della condizione precedente, i prodotti possono includere ferrite con perlite grossolana, perlite più fine oppure particelle sferoidizzate di cementite in una matrice ferritica.

La temperatura di trasformazione influisce sulla morfologia. La rassegna del 2024 sui trattamenti termici degli acciai pubblicata da ScienceDirect distingue la perlite grossolana relativamente tenera, formata a temperature di trasformazione più elevate, dalla perlite fine più resistente. Identifica inoltre la bainite come una struttura non lamellare di ferrite–Fe3C e la bainite inferiore come più dura della bainite superiore. Queste distinzioni mostrano perché “ricotto” non costituisca una descrizione microstrutturale completa: contano ancora la spaziatura della cementite, la struttura dei grani di ferrite e l’eventuale presenza residua di bainite o martensite.

La sferoidizzazione è un cambiamento particolarmente chiaro controllato dalla diffusione. Nel 2008, il University of Cambridge Phase Transformations Group ha affermato che la sferoidizzazione converte le lamelle di cementite perlitica in particelle. Le lamine continue di cementite diventano particelle arrotondate, riducendo la geometria interfacciale tra ferrite e cementite. Di conseguenza, l’acciaio può diventare più facilmente deformabile, ma l’evento centrale è l’ingrossamento morfologico e la ridistribuzione, non un’inspiegabile perdita di durezza.

La distensione occupa una posizione più circoscritta. È destinata principalmente a ridurre le tensioni residue derivanti da saldatura, lavorazione meccanica, formatura o raffreddamento non uniforme, senza sostituire deliberatamente la costituzione principale delle fasi. La diffusione atomica consente alle tensioni locali di rilassarsi, mentre il trattamento rimane al di sotto dell’intervallo in cui è prevista una trasformazione importante. Tuttavia, se le condizioni sono eccessive, possono verificarsi recupero, rinvenimento, precipitazione o trasformazione di fase. La distensione non costituisce quindi una garanzia di neutralità rispetto alle fasi; il suo effetto microstrutturale dipende dall’acciaio e dall’esposizione termica.

In tutti e tre i percorsi, il contrasto fondamentale è chiaro: la tempra limita la diffusione e preserva un prodotto di trasformazione deformato, mentre il rinvenimento, la ricottura e la distensione offrono gradi variabili di tempo per la ridistribuzione del carbonio, la riorganizzazione dei carburi, il recupero o l’ingrossamento.

Interpretazione di microstrutture miste in metallografia

Una sezione di acciaio trattata termicamente contiene raramente un unico costituente perfettamente uniforme. Un acciaio ipoeutettoide raffreddato continuamente a partire dall’austenite può presentare ferrite allotriomorfa ai bordi dei grani di austenite preesistente, perlite nelle regioni rimanenti e aree più piccole di bainite o martensite nei punti in cui le condizioni locali di raffreddamento erano diverse. La corretta interpretazione inizia dalla storia delle trasformazioni, non da un’etichetta di durezza. NPTEL afferma che i trattamenti termici modificano principalmente le proprietà meccaniche cambiando la microstruttura; la durezza è quindi il risultato della struttura, della composizione e della morfologia, piuttosto che il nome visivo di una fase.

Riconoscere insieme ferrite, perlite, bainite e martensite

Iniziare a basso ingrandimento. Registrare la distribuzione delle regioni prima di assegnare loro i singoli costituenti. Cercare una matrice continua, decorazioni dei bordi, colonie, pacchetti, aghi, listelli e particelle isolate. Aumentare quindi l’ingrandimento ed esaminare la struttura interna di ciascuna regione.

La ferrite è generalmente il costituente che viene attaccato meno intensamente in un campione di acciaio al carbonio preparato secondo procedure convenzionali. La ferrite allotriomorfa si forma comunemente per prima lungo i bordi dei grani di austenite preesistente nell’acciaio ipoeutettoide, producendo pellicole di bordo relativamente lisce, poligonali o irregolari. Può presentarsi anche sotto forma di regioni equiassiche più grandi. La ferrite di Widmanstätten ha un aspetto diverso: cresce sotto forma di piastre o piastre laterali dai bordi dei grani di austenite verso l’interno dei grani di austenite. Tuttavia, il solo aspetto piastriforme non dimostra che il costituente sia ferrite di Widmanstätten.

La perlite si riconosce dalle colonie contenenti ferrite e cementite alternate. A basso ingrandimento, una colonia può apparire come un’isola scura; a ingrandimento maggiore, si possono risolvere le lamelle opportunamente orientate. Altre colonie possono rimanere scure perché le loro lamelle sono quasi parallele alla direzione di osservazione oppure perché il contrasto prodotto dall’attacco è debole. La perlite grossolana indica generalmente una trasformazione a temperatura più elevata rispetto alla perlite fine. ScienceDirect descrive la perlite grossolana come relativamente tenera e la perlite fine come più resistente, ma il contrasto osservato dipende comunque dalla lucidatura, dall’attacco, dall’orientamento della sezione e dalla composizione della lega.

La bainite occupa una posizione interpretativa intermedia, perché la sua disposizione ferrite–cementite non è lamellare nel senso perlitico. La bainite superiore presenta comunemente gruppi di listelli o piastre di ferrite con cementite interposta, mentre la bainite inferiore contiene disposizioni più fini di carburi all’interno o in prossimità delle piastre di ferrite. Secondo il riferimento di ScienceDirect sui trattamenti termici degli acciai, la bainite inferiore è più dura di quella superiore. Non definire bainite ogni regione scura e aciculare: la martensite non rinvenuta, la bainite inferiore e la perlite fortemente attaccata possono avere aspetti sovrapponibili.

La martensite ha comunemente una morfologia a listelli in molti acciai a basso e medio tenore di carbonio e una morfologia a piastre in alcuni acciai a più alto tenore di carbonio o legati. Possono essere visibili pacchetti di listelli e regioni a blocchi, ma la microscopia ottica spesso non consente di stabilire con sicurezza questa distinzione. La martensite può inoltre essere mescolata con ferrite, bainite, carburi e austenite trattenuta, soprattutto quando la temprabilità, le dimensioni della sezione o il raffreddamento non sono uniformi. Un costituente scuro al bordo di un grano di austenite preesistente non è automaticamente martensite; ferrite di bordo e pellicole di carburi possono produrre un contrasto simile.

Per questo motivo, il Cambridge Phase Transformations Group descrive il raffreddamento continuo dell’acciaio ipoeutettoide come un processo che produce comunemente ferrite allotriomorfa più perlite, con miscele progressivamente diverse comprendenti perlite più fine, bainite, martensite e austenite trattenuta man mano che il raffreddamento diventa più rapido o aumenta la temprabilità. La sequenza è un quadro di riferimento utile, non un sostituto dell’esame metallografico.

Morfologia e identificazione delle fasi

La morfologia descrive la forma e la disposizione. L’identificazione della fase stabilisce la natura della regione. I due compiti sono collegati, ma non sono intercambiabili.

Utilizzare la morfologia per formulare un’ipotesi. Una pellicola di bordo suggerisce ferrite allotriomorfa; piastre parallele suggeriscono ferrite di Widmanstätten; le colonie suggeriscono perlite; gruppi di listelli suggeriscono bainite o martensite. Verificare poi tale ipotesi confrontandola con la composizione chimica e la cristallografia. L’attacco selettivo, la luce polarizzata quando appropriato, la microscopia elettronica a scansione, la diffrazione degli elettroni retrodiffusi, la microscopia elettronica a trasmissione o la diffrazione ai raggi X possono fornire evidenze che l’aspetto ottico non è in grado di offrire.

La preparazione può modificare la risposta apparente. Un attacco eccessivo allarga i bordi e scurisce i costituenti fini. Una lucidatura inadeguata può estrarre la cementite o lasciare deformazioni che ricordano la martensite. L’orientamento della sezione può nascondere le lamelle della perlite, mentre un taglio bidimensionale attraverso una struttura tridimensionale a listelli può far apparire granulare la bainite. Anche l’ingrandimento è importante: una regione che appare omogenea a 200× può risolversi in ferrite e cementite a 5.000×.

Un rapporto rigoroso dovrebbe quindi separare l’osservazione dall’interpretazione: “colonie scure con lamelle parzialmente risolte” è un’osservazione; “perlite” è un’interpretazione sostenuta da tale osservazione e, quando necessario, da evidenze ad alta risoluzione o analitiche. Il trattamento pubblicato da ASM International nel 2024 colloca austenite, ferrite, diffusione del carbonio, bainite, cementite, martensite, perlite e trasformazioni di fase nello stesso quadro interpretativo. Ciò ricorda che nessuna singola caratteristica visiva è sufficiente per una diagnosi completa.

Austenite trattenuta e morfologia della cementite

L’austenite trattenuta è l’austenite che rimane dopo il raffreddamento invece di trasformarsi completamente. In una struttura martensitica può presentarsi sotto forma di sottili pellicole tra i listelli, isole a blocchi tra i pacchetti o regioni irregolari in prossimità di aree arricchite di carbonio. Il contrasto varia notevolmente in funzione del reagente di attacco e della modalità di osservazione; pertanto, una regione chiara tra i listelli di martensite non dovrebbe essere identificata come austenite trattenuta basandosi soltanto sull’aspetto. Possono essere necessari la diffrazione ai raggi X, l’EBSD o metodi metallografici attentamente validati.

La cementite, Fe₃C, è altrettanto importante, perché la sua forma registra il modo in cui il carbonio è stato ridistribuito. Nella perlite forma lamelle insieme alla ferrite. Nella bainite è presente sotto forma di particelle discrete o pellicole associate alle piastre di ferrite, sebbene la disposizione differisca tra bainite superiore e bainite inferiore. Nell’acciaio sferoidizzato, le lamelle di cementite della perlite si sono trasformate in particelle arrotondate. Il Cambridge Phase Transformations Group ha dichiarato esplicitamente nel 2008 che la sferoidizzazione converte le lamelle di cementite perlitica in particelle.

Infine, mettere in relazione ogni costituente osservato con il percorso termico: condizioni di austenitizzazione, diffusione del carbonio, continuità del raffreddamento, interruzione della trasformazione ed eventuali rinvenimenti o ricotture successivi. Un’immagine mista non indica necessariamente un trattamento non riuscito. È la registrazione dei punti in cui le trasformazioni sono iniziate, si sono arrestate o sono procedute a velocità diverse.

Dalla microstruttura alle proprietà meccaniche

Resistenza, durezza e morfologia delle trasformazioni

Le proprietà meccaniche derivano dalla struttura prodotta durante la trasformazione, non dalla sola parola tempra. Nel 2024, NPTEL afferma che “i trattamenti termici modificano le proprietà meccaniche principalmente modificando la microstruttura”. La tempra modifica il percorso termico a partire dall’austenite, ma la durezza risultante dipende dalle trasformazioni che si verificano, dalla quantità di ciascun costituente che si forma e dal modo in cui tali costituenti sono disposti.

ASM International descrive le microstrutture degli acciai trattati termicamente come associazioni di ferro, carbonio ed elementi di lega che formano ferrite, bainite, cementite, martensite e perlite. L’austenite è la fase madre di molti trattamenti, mentre la diffusione del carbonio e la competizione tra i meccanismi di trasformazione determinano i prodotti che la sostituiscono. Un acciaio ipoeutettoide raffreddato lentamente o moderatamente può contenere ferrite allotriomorfa e perlite; un percorso più rapido può produrre perlite più fine, bainite, martensite o austenite trattenuta, a seconda della composizione e della temprabilità. Nel 2011, il Phase Transformations Group dell’Università di Cambridge ha descritto questa progressione per un acciaio ipoeutettoide raffreddato in modo continuo.

La morfologia è importante quanto il nome della fase. I grani di ferrite, le particelle di cementite, le colonie di perlite, le piastre di ferrite bainitica, i pacchetti di martensite e le regioni di austenite trattenuta non resistono alla deformazione né distribuiscono le tensioni nello stesso modo. Un acciaio contenente una piccola frazione di martensite in una matrice ferritica non è meccanicamente equivalente a uno costituito prevalentemente da martensite con ferrite isolata. Entrambi possono essere descritti come “acciaio martensitico”, ma la loro resistenza, durezza, duttilità e risposta alla frattura possono differire sostanzialmente.

La martensite aumenta comunemente la durezza perché, durante la trasformazione senza diffusione da austenite a martensite, il carbonio rimane intrappolato in un reticolo di ferro sovrasaturo e deformato. Questa descrizione non fornisce comunque un valore universale di durezza. Il tenore di carbonio, la dimensione dei grani di austenite preesistente, gli elementi di lega, l’intensità della tempra, la dimensione della sezione, il rinvenimento e l’austenite trattenuta influenzano tutti il risultato. Il rinvenimento modifica quindi la struttura martensitica consentendo la ridistribuzione del carbonio e la formazione di carburi; ciò riduce generalmente la durezza allo stato temprato, migliorando al contempo la stabilità dimensionale e la tenacità.

Anche l’austenite trattenuta complica una semplice classificazione della durezza. In molti acciai temprati è più tenera della martensite non rinvenuta, ma può trasformarsi durante l’esercizio o la prova, modificando le dimensioni e le tensioni locali. Anche la morfologia della cementite è importante. Il riferimento di Cambridge del 2008 afferma che la sferoidizzazione trasforma le lamelle di cementite perlitica in particelle. La disposizione ferrite–cementite risultante si deforma generalmente in modo diverso dalla perlite lamellare; pertanto, il termine “perlite” da solo non è una descrizione sufficiente della condizione meccanica.

Il ruolo della spaziatura della perlite e del tipo di bainite

La perlite è costituita da ferrite e cementite formatesi insieme, generalmente sotto forma di lamelle alternate. La sua resistenza è fortemente influenzata dalla spaziatura della perlite, ossia dalla distanza e dalla finezza di tali lamelle, nonché dalla dimensione delle colonie perlitiche. La panoramica di ScienceDirect del 2024 sui trattamenti termici degli acciai identifica la perlite grossolana, formata a temperature di trasformazione più elevate, come relativamente tenera, e la perlite più fine come più resistente. Lamelle di cementite ravvicinate ostacolano il movimento delle dislocazioni in modo più efficace rispetto a lamelle ampiamente distanziate, mentre le colonie fini riducono anche la distanza su cui la deformazione può concentrarsi.

Ciò non significa che ogni acciaio perlitico fine abbia la stessa resistenza. La composizione della ferrite, il tenore di carbonio, la dimensione delle colonie, la frazione di perlite e l’eventuale presenza di ferrite proeutettoide restano fattori importanti. Una struttura ipoeutettoide con abbondante ferrite e perlite fine può essere più debole di una struttura a maggiore tenore di carbonio contenente una frazione maggiore di perlite, anche quando entrambe contengono “perlite fine”. La distribuzione è decisiva: regioni continue di ferrite, costituenti disposti a bande e colonie isolate producono percorsi di deformazione differenti.[4][4] Steel Heat Treatment. ScienceDirect. ScienceDirect Topics, 2024.

Anche la bainite richiede la stessa attenzione. ScienceDirect descrive la bainite come una struttura non lamellare di ferrite–Fe3C e afferma che la bainite inferiore è più dura della bainite superiore. La bainite superiore contiene generalmente ferrite formata secondo una disposizione a fasci, con cementite tra le regioni ferritiche, mentre la bainite inferiore si forma a un intervallo di trasformazione più basso e presenta carburi fini all’interno delle piastre di ferrite o strettamente associati ad esse. La distribuzione più fine dei carburi rende la bainite inferiore più resistente al movimento delle dislocazioni.

Un’etichetta come “bainitico” lascia quindi non specificate informazioni essenziali. La distinzione tra bainite superiore e inferiore, la dimensione e la posizione dei carburi, la morfologia della ferrite, la frazione dei costituenti e la presenza di martensite o austenite trattenuta influenzano tutte le proprietà misurate. Le strutture miste sono comuni dopo il raffreddamento continuo, in particolare quando parti diverse di una sezione seguono storie termiche differenti. Una superficie può contenere martensite, mentre l’interno può contenere bainite, perlite o ferrite. La durezza varia quindi con la profondità, invece di assumere un unico valore per l’intero componente.

Perché la composizione e la temprabilità restano essenziali

La composizione controlla sia i prodotti di trasformazione disponibili sia le temperature e i tempi ai quali essi si formano. Il carbonio influisce sulla stabilità dell’austenite, sulla quantità di cementite che può svilupparsi e sul potenziale di durezza della martensite. Gli elementi di lega modificano la cinetica delle trasformazioni, la formazione dei carburi, la diffusione e la temprabilità. La temprabilità non coincide con la durezza: descrive la capacità di un acciaio di formare prodotti di trasformazione più duri attraverso una sezione, in condizioni di raffreddamento specificate.

La dimensione della sezione rende pratica questa distinzione. Una sezione piccola può raffreddarsi rapidamente in tutto il suo volume, mentre una sezione grande sviluppa un percorso di raffreddamento interno più lento. La stessa composizione e lo stesso ciclo del forno possono quindi produrre martensite in prossimità della superficie, ma perlite o bainite al centro. Il mezzo di tempra, l’agitazione, il trattamento di austenitizzazione, il tempo di trasferimento e il ciclo di rinvenimento aggiungono ulteriori variazioni.

Per questo motivo, non è possibile assegnare un valore universale a una proprietà di ferrite, perlite, bainite, martensite o a un trattamento termico denominato senza specificare la composizione, la dimensione della sezione, il ciclo di trattamento e il metodo di prova. La durezza misurata con i metodi Vickers, Brinell o Rockwell non è intercambiabile senza le dovute cautele, e un risultato di durezza non permette di prevedere pienamente la tenacità, la duttilità, il comportamento a fatica o la risposta alla frattura. Un’interpretazione difendibile inizia dalla microstruttura completa: frazioni dei costituenti, morfologia, scala, distribuzione e storia delle trasformazioni. La tempra è soltanto un evento di questa sequenza.

Una sequenza pratica di riferimento per l’analisi dei trattamenti termici dell’acciaio

Iniziare dalla composizione e dalla condizione iniziale dell’acciaio

Iniziare dall’identità del materiale, non dalla durezza misurata. Registrare la designazione del grado esattamente come fornita, la norma di riferimento e, quando noto, la colata o la forma del prodotto. Una descrizione come “AISI/SAE 1045, normalizzato” comunica più informazioni di “acciaio di durezza media”; una descrizione come “ASTM A36” identifica una specifica, ma non stabilisce di per sé la storia termica precedente né la microstruttura finale. L’analisi chimica dovrebbe includere carbonio, manganese, silicio, cromo, molibdeno, nichel, vanadio e le altre aggiunte intenzionali, oltre agli elementi residui quando possono influenzare la trasformazione.

Il contenuto di carbonio determina se un acciaio al carbonio semplice è ipoeutettoide, eutettoide o ipereutettoide rispetto alla composizione eutettoide. In un acciaio ipoeutettoide, il raffreddamento a partire dall’austenite consente comunemente la formazione di ferrite proeutettoide prima che l’austenite rimanente si trasformi in perlite. Questa distinzione è importante: ferrite più perlite non costituisce la stessa struttura della sola perlite, anche quando entrambi i campioni forniscono letture di durezza simili.

Anche la condizione iniziale deve essere registrata. Le condizioni di fornitura, laminazione a caldo, normalizzazione, ricottura, tempra e rinvenimento, cementazione e deformazione a freddo comportano diverse dimensioni dei grani, distribuzioni dei carburi, tensioni residue e storie dell’austenite preesistente. L’acciaio sferoidizzato è un caso particolarmente importante. Nel 2008, il Phase Transformations Group dell’University of Cambridge ha dichiarato che la sferoidizzazione converte le lamelle di cementite della perlite in particelle. I costituenti nominali restano ferrite e cementite, ma la loro geometria modifica la risposta ai successivi riscaldamento, deformazione e indurimento.

La dimensione dei grani e la segregazione meritano di essere riportate. Una struttura a grani grossolani dell’austenite preesistente può favorire morfologie di trasformazione diverse rispetto a una struttura a grani fini, mentre la bandatura può produrre distribuzioni di ferrite, perlite o martensite dipendenti dalla direzione. “Ferrite” è quindi un’osservazione incompleta se non vengono descritte anche la sua posizione e la sua forma.

Ricostruire il percorso di riscaldamento e raffreddamento

Successivamente, ricostruire il percorso termico come una sequenza, invece di assegnargli semplicemente il nome di un trattamento. Registrare la temperatura iniziale, la velocità di riscaldamento quando disponibile, la temperatura di austenitizzazione e il tempo di permanenza, le condizioni del forno o dell’atmosfera, il tempo di trasferimento, il mezzo di tempra, l’agitazione, le eventuali interruzioni del raffreddamento e ogni fase di riscaldamento successivo o di rinvenimento. “Temprato” descrive un’operazione; non dimostra che l’intera sezione sia diventata martensitica.

Chiedersi innanzitutto quali fasi fossero presenti durante il riscaldamento. La ricottura o la normalizzazione possono dissolvere una parte della cementite e produrre austenite, mentre un trattamento intercritico può lasciare ferrite non dissolta. La cementazione modifica il profilo del carbonio, perciò la superficie e il cuore seguono percorsi di trasformazione diversi durante il raffreddamento. La decarburazione può produrre un gradiente opposto. Un singolo valore di durezza può celare entrambe le condizioni.

Individuare quindi la probabile finestra di trasformazione. La diffusione del carbonio consente la ridistribuzione della ferrite e della cementite durante le trasformazioni diffusive. A temperature di trasformazione più elevate, la perlite presenta generalmente una spaziatura più grossolana; la panoramica del 2024 sui trattamenti termici degli acciai pubblicata da ScienceDirect descrive la perlite grossolana come relativamente tenera e la perlite più fine come più resistente. La stessa fonte definisce la bainite come una struttura non lamellare di ferrite–Fe3C e afferma che la bainite inferiore è più dura della bainite superiore. Si tratta di distinzioni morfologiche e trasformazionali, non semplicemente di punti su una scala di durezza.

La velocità di raffreddamento, lo spessore della sezione, gli elementi di lega e la dimensione dei grani dell’austenite preesistente determinano quali trasformazioni possano verificarsi prima che l’acciaio raggiunga temperature inferiori. Cromo, molibdeno, manganese e nichel possono modificare la diffusione, la tempistica della trasformazione e la temprabilità. Un raffreddamento più rapido può sopprimere la ferrite e la perlite diffusive e consentire la formazione di bainite o martensite, ma il risultato può rimanere misto perché il raffreddamento è raramente identico in tutta la componente. L’austenite trattenuta può persistere quando la trasformazione è incompleta.

Nel 2011, il Phase Transformations Group dell’University of Cambridge ha riferito che il raffreddamento continuo produce comunemente ferrite allotriomorfa più perlite negli acciai ipoeutettoidi. Con un raffreddamento più rapido o una maggiore temprabilità, la sequenza può spostarsi verso perlite più fine, bainite, martensite e austenite trattenuta. Questa sequenza costituisce un utile quadro interpretativo, ma non sostituisce il reale registro termico o l’analisi microscopica.

Descrivere con precisione i costituenti e la morfologia

Distinguere il nome del costituente dalla sua morfologia. Riportare “ferrite allotriomorfa proeutettoide”, “colonie di perlite con fine spaziatura interlamellare”, “bainite superiore”, “bainite inferiore”, “martensite a lath”, “martensite a placchette”, “austenite trattenuta” o “particelle di cementite sferoidizzata” quando le evidenze supportano tali descrizioni. Non classificare indistintamente tutte le regioni ad attacco scuro come “perlite” e non definire ogni regione aciculare come “martensite”.

La ferrite può presentarsi come grani allotriomorfi lungo i bordi dei grani dell’austenite preesistente oppure come placchette di Widmanstätten. La cementite può apparire come lamelle perlitiche, particelle bainitiche, particelle sferoidizzate o carburi non dissolti. La martensite può avere morfologia a lath o a placchette, e il suo aspetto può essere modificato dal rinvenimento. La bainite dovrebbe essere identificata in base alla sua disposizione ferrite–carburo e al contesto della trasformazione, non soltanto in base alla forma.

Utilizzare metodi di microscopia adeguati alla domanda. La microscopia ottica può rivelare la distribuzione dei costituenti e la struttura delle colonie di perlite; la microscopia elettronica a scansione può risolvere disposizioni più fini dei carburi; le prove di durezza e la diffrazione possono fornire un supporto, ma non sostituire, l’identificazione metallografica. Se si sospetta la presenza di austenite trattenuta, indicare come è stata valutata. Evitare di affermare la presenza di una singola fase quando l’immagine mostra una miscela di trasformazione.

Un flusso di lavoro ripetibile prevede quanto segue: stabilire la composizione e, quando pertinente, se l’acciaio è ipoeutettoide; documentare la condizione iniziale; ricostruire il riscaldamento, l’austenitizzazione, il raffreddamento, la tempra e il rinvenimento; considerare la diffusione, gli effetti degli elementi di lega, le dimensioni della sezione e la velocità di raffreddamento; identificare i costituenti risultanti; quindi descrivere separatamente la morfologia rispetto ai nomi nominali delle fasi. La descrizione del 2024 di ASM International fornisce la correzione corretta al ragionamento basato innanzitutto sulla durezza: le microstrutture degli acciai trattati termicamente sono associazioni di ferro, carbonio ed elementi di lega che formano ferrite, bainite, cementite, martensite e perlite. L’acciaio dopo il trattamento è generalmente una storia di trasformazione registrata in una microstruttura mista, non una singola categoria di durezza.

Riferimenti

1. [1]ASM International. Introduction to Steel Heat Treatment. ASM Handbook, 2024. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278662/Introduction-to-Steel-Heat-Treatment-1
2. [2]ScienceDirect. Steel Heat Treatment. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-heat-treatment
3. [3]University of Cambridge Phase Transformations Group. Steel Microstructure. Phase Transformations Group reference material, 2008. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2008/Steel_Microstructure/SM.html
4. [4]ScienceDirect. Steel Heat Treatment. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-heat-treatment