Temperature e fasi della trasformazione dell’acciaio

Che cosa significano realmente le temperature di trasformazione

Una temperatura di trasformazione dell’acciaio non è un numero universale riportato accanto a una qualità. È un limite o un evento osservato che dipende dalla composizione, dalla storia termica, dalle dimensioni del provino, dalla velocità di riscaldamento o raffreddamento e dal meccanismo mediante il quale una struttura si trasforma in un’altra. La temperatura indicata può descrivere l’equilibrio, l’inizio di una reazione durante il riscaldamento, l’inizio di una reazione durante il raffreddamento oppure il punto in cui una determinata misurazione rileva un cambiamento. Si tratta di valori correlati, ma non intercambiabili.

Una fase è una struttura fisicamente distinta, con una disposizione cristallina definita e un intervallo di composizione determinato. Nell’acciaio, l’austenite (γ) è cubica a facce centrate, la ferrite (α) è cubica a corpo centrato e la cementite è ortorombica Fe₃C, come descritto dall’University of Cambridge in Interpretation of the Microstructure of Steels (2008). Un costituente è un raggruppamento microstrutturale che può contenere più di una fase. La perlite, per esempio, è un costituente formato da ferrite e cementite. Un prodotto di trasformazione è la struttura formata a partire dalla fase madre: perlite, bainite, martensite, ferrite proeutettoide e cementite proeutettoide sono i principali prodotti individuati nella trattazione di ASM sulle trasformazioni dell’austenite.

Temperatura (°C)

La distinzione è importante perché una temperatura può segnare la scomparsa di una fase senza identificare il costituente finale. A circa 0,8% in peso di carbonio e a 723 °C, l’austenite subisce la reazione eutettoide γ → α + Fe₃C, secondo il materiale Fe–C dell’University of Cambridge del 2002. Tale equazione indica i prodotti di equilibrio, ferrite e cementite. Non significa che ogni acciaio contenente circa lo 0,8% in peso di carbonio formi la stessa struttura esattamente a 723 °C durante un effettivo ciclo in forno.

Limiti di equilibrio e temperature critiche pratiche

La notazione di equilibrio descrive ciò che è termodinamicamente stabile quando il sistema dispone di tempo sufficiente per avvicinarsi all’equilibrio. Ae1 è la temperatura eutettoide di equilibrio: il limite al quale, per la composizione e la pressione specificate, possono coesistere l’austenite e la miscela ferrite-cementite. Ae3 è il limite superiore di equilibrio dell’austenite negli acciai ipoeutettoidi e separa l’austenite dal campo austenite più ferrite. Aecm è il corrispondente limite superiore per gli acciai ipereutettoidi e separa l’austenite dal campo austenite più cementite. Il pedice «e» indica l’equilibrio.

Per il raffreddamento lento, le temperature critiche durante il riscaldamento possono essere circa 33 °C più elevate dei valori durante il raffreddamento. Strong evidence

Le temperature operative sono normalmente indicate con una notazione diversa. Ac1 e Ac3 si riferiscono alle temperature di trasformazione osservate durante il riscaldamento; Ar1 e Ar3 si riferiscono a quelle osservate durante il raffreddamento. Le lettere «c» e «r» indicano rispettivamente condizioni di riscaldamento e raffreddamento, non nuove fasi di equilibrio. Durante il riscaldamento, l’austenite può iniziare a formarsi solo quando il materiale supera Ae1, poiché la nucleazione e la diffusione richiedono tempo. Durante il raffreddamento, ferrite, perlite o cementite possono non comparire finché l’acciaio non si trova al di sotto del limite di equilibrio, poiché la reazione richiede sottoraffreddamento. ASM International riferisce che, per un raffreddamento lento, le temperature critiche di riscaldamento possono essere superiori di circa 33 °C rispetto ai valori di raffreddamento (2024). Questa differenza è isteresi, non un errore nel diagramma di fase.

Anche la composizione sposta questi limiti. Il carbonio modifica la stabilità dell’austenite e le temperature alle quali possono formarsi ferrite, perlite, cementite e martensite. Gli elementi di lega spostano i limiti e modificano la velocità delle reazioni; il silicio, per esempio, aumenta l’intervallo delle temperature di trasformazione, riduce la solubilità del carbonio nell’austenite e tende a dissociare il carburo di ferro. Anche il riferimento costituito dal ferro puro dipende già dalla temperatura: Cambridge colloca l’austenite cubica a facce centrate approssimativamente tra 910 e 1400 °C e la temperatura di fusione approssimativamente a 1539 °C (2005). Una qualità di acciaio non può quindi ereditare dal ferro puro un’unica «temperatura di austenitizzazione» fissa.

Riscaldamento, raffreddamento, mantenimento isotermico e raffreddamento continuo

Riscaldamento, raffreddamento e mantenimento pongono domande diverse. Durante il riscaldamento, la questione è stabilire quando ferrite e cementite si dissolvano in misura sufficiente a consentire la formazione di austenite. L’inerzia termica fa sì che la temperatura del forno, quella della superficie e quella del cuore di un componente spesso possano differire notevolmente. La lettura di un pirometro può superare Ac1 mentre il centro del componente non lo ha ancora fatto. Le dimensioni della sezione modificano quindi il percorso termico effettivo anche quando il ciclo nominale del forno è identico.

Durante il raffreddamento, il percorso della reazione determina il prodotto di trasformazione. Un raffreddamento lento produce prodotti ricostruttivi controllati dalla diffusione, come ferrite proeutettoide e perlite, consentendo agli atomi di carbonio e di ferro di ridistribuirsi. Un raffreddamento più rapido inibisce tali reazioni e può produrre bainite o martensite. Cambridge descrive la crescita della bainite come priva di diffusione rispetto al reticolo del ferro e termodinamicamente possibile al di sotto della temperatura T₀, alla quale la bainite possiede un’energia libera inferiore rispetto all’austenite di composizione identica. La martensite è una trasformazione dislocativa, essenzialmente priva di diffusione: la sua formazione non richiede che il carbonio percorra lunghe distanze, sebbene il contenuto di carbonio influenzi fortemente la sua temperatura di inizio.

Una trasformazione isotermica mantiene l’austenite a una temperatura scelta dopo un rapido raffreddamento fino a tale temperatura. Un diagramma TTT — diagramma tempo-temperatura-trasformazione — mostra quando i prodotti iniziano e terminano di formarsi in tali condizioni di mantenimento. Le sue curve a C rappresentano reazioni dipendenti dal tempo, come quelle della perlite e della bainite, mentre la temperatura di inizio della martensite, Ms, indica una trasformazione atermica regolata principalmente dalla temperatura raggiunta e non da un tempo di incubazione. Mf è la temperatura di fine della martensite, sebbene il raffreddamento possa arrestarsi al di sopra di Mf lasciando austenite residua. Cambridge riferisce che il carbonio influenza Ms, Mf e la frazione di austenite residua (2012).

Un diagramma CCT registra invece la trasformazione durante il raffreddamento continuo. La velocità di raffreddamento determina quali curve di inizio vengono intersecate e per quanto tempo l’acciaio rimane in ciascun intervallo di reazione. Il documento NIST Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) mostra che un diagramma CCT può stimare la temprabilità e prevedere la microstruttura a temperatura ambiente, la resistenza, la durezza, la lavorabilità e le proprietà a fatica. Per questo motivo, un valore CCT non sostituisce un valore Ae. I limiti di equilibrio descrivono la stabilità di fase consentita; i diagrammi TTT e CCT descrivono quando compaiono prodotti di trasformazione reali lungo specifici percorsi termici.

Il quadro ferro–carbonio: fasi, strutture cristalline e campi

Il diagramma ferro–carbonio è una mappa di equilibrio, non una tabella per la consultazione delle temperature. I suoi campi identificano quali fasi sono termodinamicamente stabili per una determinata composizione e temperatura, assumendo un tempo sufficiente per la diffusione. L’acciaio reale segue spesso un percorso diverso: le velocità di riscaldamento e raffreddamento spostano le temperature di trasformazione, gli elementi di lega modificano la stabilità delle fasi e un raffreddamento rapido può sopprimere i prodotti controllati dalla diffusione. Lo stesso grado nominale può quindi contenere ferrite, perlite, bainite, martensite, austenite trattenuta o miscele di queste fasi, a seconda della sua storia termica.

Il diagramma distingue inoltre una fase da un costituente microstrutturale e da un prodotto di trasformazione. Ferrite, austenite e cementite sono fasi. La perlite è un costituente bifasico. Bainite e martensite sono prodotti di trasformazione la cui struttura e composizione dipendono dal modo in cui l’austenite si decompone.

Ferrite, austenite e cementite

La ferrite, convenzionalmente indicata con α in questo contesto, è una soluzione solida ricca di ferro con una struttura cristallina cubica a corpo centrato (BCC). Il carbonio ha una solubilità molto bassa nella ferrite BCC perché i siti interstiziali disponibili sono piccoli e poco adatti al carbonio. Alle temperature ordinarie, gli acciai a basso tenore di carbonio contengono comunemente ferrite come fase continua o matrice. Il suo tenore di carbonio relativamente basso e il reticolo BCC contribuiscono a spiegare la sua durezza inferiore rispetto alla martensite.

L’austenite, indicata con γ, ha una struttura cristallina cubica a facce centrate (FCC). Il reticolo FCC offre siti interstiziali più grandi e favorevoli, per cui dissolve una quantità di carbonio sostanzialmente maggiore rispetto alla ferrite. Questa capacità di incorporare carbonio è fondamentale per il trattamento termico degli acciai: l’austenitizzazione mira a introdurre il carbonio nella fase γ prima che il raffreddamento determini la formazione di perlite, bainite, martensite o un’altra miscela.

Nel ferro puro, il materiale del 2005 dell’University of Cambridge, Stainless Steels: Phase Equilibria, colloca l’austenite FCC approssimativamente tra 910 e 1400 °C. Tale intervallo è specifico del ferro puro e non costituisce un intervallo universale per gli acciai. Il ferro puro fonde a circa 1539 °C, mentre il carbonio e le aggiunte di lega spostano i confini di fase e le temperature di trasformazione.

La cementite, Fe₃C, è un carburo di ferro con struttura cristallina ortorombica. È una fase composta contenente circa il 6,67% in peso di carbonio, una quantità molto superiore a quella complessivamente presente nei comuni acciai strutturali. La cementite è dura e fragile, e la sua quantità, forma, spaziatura e continuità influenzano fortemente il comportamento meccanico. La fonte Cambridge Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) identifica direttamente le tre strutture: l’austenite è FCC, la ferrite è BCC e la cementite è Fe₃C ortorombico.

Queste denominazioni descrivono le strutture cristalline, non semplicemente l’aspetto osservato al microscopio. Un grano di ferrite costituisce una singola fase anche se contiene difetti o piccole concentrazioni di soluti. Le particelle di cementite all’interno della ferrite rimangono una fase distinta perché differiscono per composizione e struttura cristallina.

La composizione eutettoide e la reazione[1][1] Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2002.

Un utile esempio di riferimento è il punto eutettoide. Il materiale del 2002 dell’University of Cambridge, Materials Science & Metallurgy, indica approssimativamente 0,8% in peso di carbonio e 723 °C per la reazione

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}.$$

Entrambi i valori sono approssimativi e specifici della fonte. I diagrammi pubblicati possono riportare valori leggermente diversi a causa degli stati di riferimento, dei dati sperimentali, delle ipotesi sulla lega o della convenzione utilizzata per definire una temperatura critica. La notazione è più importante che considerare 0,8% in peso e 723 °C come costanti esatte.

Alla composizione eutettoide, l’austenite si trasforma in ferrite e cementite quando la temperatura scende attraverso la temperatura eutettoide di equilibrio. In condizioni di raffreddamento adeguate, queste fasi si dispongono in piastre o lamelle alternate chiamate perlite. La perlite non è una terza struttura cristallina né una singola fase. Ogni lamella di ferrite è BCC; ogni lamella di cementite è Fe₃C ortorombico. Il motivo osservabile a livello della colonia è un prodotto di trasformazione o un costituente microstrutturale generato dalla crescita cooperativa di due fasi.

La velocità di raffreddamento modifica la spaziatura e talvolta anche il prodotto stesso. Un raffreddamento lento consente al carbonio di diffondere su distanze maggiori e tende a produrre una perlite relativamente grossolana. Un raffreddamento più rapido può produrre perlite più fine, bainite oppure, se la diffusione viene in gran parte impedita, martensite. ASM International annovera perlite, bainite, martensite, ferrite proeutettoide e cementite proeutettoide tra i principali prodotti formati dall’austenite.[2][2] Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. National Institute of Standards and Technology. NIST Interagency Report, 1990.

Per questo, l’espressione “la temperatura di trasformazione dell’acciaio” è incompleta. Un diagramma di equilibrio fornisce valori come Ae₁, la temperatura eutettoide di equilibrio, mentre il riscaldamento e il raffreddamento producono temperature Ac e Ar che possono differire. Critical Temperature Ranges di ASM (2024) osserva che, in condizioni di raffreddamento lento, le temperature critiche di riscaldamento possono essere circa 33 °C più elevate rispetto ai valori di raffreddamento. I diagrammi di trasformazione isotermica descrivono un mantenimento a una temperatura selezionata; i diagrammi di trasformazione in raffreddamento continuo (CCT) descrivono un raffreddamento ininterrotto. Lo studio del NIST del 1990, Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel, mostra come un diagramma CCT possa stimare la temprabilità e prevedere la microstruttura a temperatura ambiente, la resistenza, la durezza, la lavorabilità e le proprietà a fatica.

Il silicio costituisce un ulteriore avvertimento contro l’uso di valori fissi. ASM riferisce che il silicio innalza l’intervallo delle temperature di trasformazione, riduce la solubilità del carbonio nell’austenite e tende a dissociare il carburo di ferro. La composizione modifica i campi ancora prima che inizi il ciclo nel forno.

Ferrite proeutettoide e cementite proeutettoide

Gli acciai con un tenore di carbonio inferiore alla composizione eutettoide sono acciai ipoeutettoidi. Durante il raffreddamento dall’austenite, la ferrite si forma per prima, prima che l’austenite residua raggiunga la composizione eutettoide. Questa ferrite iniziale è chiamata ferrite proeutettoide. Alla temperatura eutettoide, l’austenite residua si trasforma quindi in perlite. Una struttura ipoeutettoide finale contiene pertanto comunemente ferrite proeutettoide e perlite, sebbene la velocità di raffreddamento e gli elementi di lega possano introdurre bainite o martensite.

Gli acciai con un tenore di carbonio superiore alla composizione eutettoide sono acciai ipereutettoidi. La cementite si forma per prima dall’austenite, generalmente lungo i bordi dei grani di austenite preesistenti o in altri siti favorevoli. Questa è la cementite proeutettoide. L’austenite residua assume una composizione eutettoide e si trasforma in perlite durante il successivo raffreddamento. La struttura risultante contiene comunemente cementite proeutettoide e perlite.

Il termine “proeutettoide” significa “formato prima della reazione eutettoide”, non “formato prima che esista l’austenite”. Entrambi i prodotti si formano dall’austenite durante il raffreddamento. Le loro quantità dipendono dalla composizione e dal percorso attraverso i campi di fase, mentre la loro morfologia dipende dalla nucleazione, dalla diffusione, dalla dimensione dei grani e dalla velocità di raffreddamento. Se il raffreddamento è sufficientemente rapido, la decomposizione eutettoide può essere evitata. Il materiale Cambridge del 2008 sulla microstruttura degli acciai distingue queste reazioni ricostruttive controllate dalla diffusione dalle trasformazioni displacive; la martensite può formarsi senza la diffusione chimica a lungo raggio necessaria per formare la perlite. Il carbonio influenza inoltre le temperature di inizio e fine della martensite e la frazione di austenite trattenuta, come riportato nel Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel di Cambridge (2012).

Formazione dell’austenite durante il riscaldamento

L’austenite non compare a un’unica temperatura universale. La sua formazione dipende dal contenuto di carbonio, dalle aggiunte di elementi di lega, dalla velocità di riscaldamento, dal tempo di permanenza e dalla struttura ferrite–perlite o rinvenuta presente prima del riscaldamento. La fase stessa è costituita da ferro γ cubico a facce centrate; la ferrite è ferro α cubico a corpo centrato, mentre la cementite è Fe₃C ortorombico, come descritto nel testo Interpretazione della microstruttura degli acciai dell’Università di Cambridge (2008). Il riscaldamento modifica sia la struttura cristallina sia la distribuzione del carbonio tra queste fasi.

I simboli Ac1, Ac3 e Accm descrivono temperature critiche pratiche misurate o osservate durante il riscaldamento. La “c” indica il riscaldamento, mentre “1” contrassegna l’inizio della formazione dell’austenite. Ac1 è quindi la temperatura alla quale l’austenite si forma per la prima volta a partire da ferrite e perlite, oppure da perlite e cementite in un acciaio ipereutettoide. Ac3 è la temperatura alla quale scompare l’ultima ferrite proeutettoide in un acciaio ipoeutettoide. Accm è il corrispondente limite superiore per un acciaio ipereutettoide: al di sopra di essa, la cementite è entrata in soluzione e la struttura è completamente austenitica, fatta eccezione per gli eventuali carburi di lega non disciolti.

Questi valori non coincidono con Ae1, Ae3 e Aecm. La notazione Ae si riferisce a condizioni di equilibrio, nelle quali le proporzioni delle fasi possono adeguarsi per diffusione a una composizione e a una temperatura definite. I valori Ac descrivono un reale percorso di riscaldamento e variano quindi in funzione della velocità di riscaldamento, delle dimensioni del provino, della condizione iniziale e del metodo di misurazione. ASM International afferma che, in condizioni di raffreddamento lento, le temperature critiche di riscaldamento possono essere circa 33 °C più elevate dei valori rilevati durante il raffreddamento (Intervalli delle temperature critiche, 2024). Un valore pubblicato di Ac1 o Ac3 deve pertanto essere associato alla composizione dell’acciaio e alle condizioni di prova.

Attraversamento di Ac1, Ac3 e Accm

In un acciaio ipoeutettoide, come un tipico acciaio strutturale a basso tenore di carbonio, la struttura iniziale contiene comunemente ferrite e perlite. In prossimità della composizione eutettoide, le colonie di perlite iniziano a trasformarsi ad Ac1. A circa 0,8% in peso di carbonio e 723 °C, la reazione eutettoide di equilibrio è γ → α + Fe₃C, secondo il materiale Scienza dei materiali e metallurgia dell’Università di Cambridge (2002). Il riscaldamento inverte tale reazione: la ferrite e la cementite presenti nella perlite vengono consumate per formare austenite.

La trasformazione non avviene come un fronte perfettamente netto. L’austenite nuclea alle interfacce ferrite–cementite, ai bordi delle colonie di perlite e in altri siti ad alta energia. Successivamente cresce nella ferrite circostante. Poiché il carbonio diffonde attraverso l’austenite molto più rapidamente rispetto agli elementi di lega sostituzionali, nella fase iniziale la concentrazione di carbonio diventa disomogenea. La ferrite residua si dissolve soltanto quando la temperatura sale verso Ac3. Al di sotto di Ac3, la miscela è costituita da austenite e ferrite proeutettoide; al di sopra di Ac3, la matrice è austenitica.

Un acciaio ipereutettoide segue un percorso diverso. La perlite si trasforma dopo Ac1, ma la cementite proeutettoide rimane attorno ai precedenti bordi dei grani di austenite o all’interno della struttura. L’austenite non è completamente costituita finché la temperatura non supera Accm e la cementite non si è dissolta in misura sufficiente. Un riscaldamento appena al di sopra di Ac1 può quindi lasciare austenite con una frazione sostanziale di cementite. Definire questa condizione come “completamente austenitizzata” è errato.

Per il ferro puro, i dati di equilibrio delle fasi di Cambridge collocano l’austenite cubica a facce centrate tra circa 910 e 1400 °C, con fusione intorno a 1539 °C. L’acciaio non segue questi limiti del ferro puro: il carbonio e gli elementi di lega spostano i confini, e il riscaldamento industriale avviene spesso in condizioni lontane dall’equilibrio. La questione pratica non è semplicemente se un forno abbia raggiunto una temperatura indicata in una tabella. Occorre stabilire se le fasi richieste abbiano avuto il tempo di trasformarsi in tutta la sezione.

Dissoluzione del carbonio e ridistribuzione dei carburi

Il carbonio deve allontanarsi dalla cementite e diffondere attraverso l’austenite in crescita. Una struttura perlitica fine si trasforma generalmente più rapidamente della perlite grossolana perché offre una maggiore area di interfaccia ferrite–cementite e distanze di diffusione più brevi. Anche la deformazione plastica a freddo precedente, la dimensione dei grani, la segregazione e un precedente trattamento di rinvenimento modificano i siti di nucleazione e le velocità di dissoluzione.

Dopo Ac1, l’austenite appena formata può contenere meno carbonio del valore di equilibrio a quella temperatura, mentre le regioni vicine alla cementite in dissoluzione ne contengono di più. Il mantenimento consente la ridistribuzione del carbonio. Un tempo insufficiente può lasciare cementite non disciolta, austenite povera di carbonio o gradienti locali di composizione. Una temperatura o un tempo di mantenimento eccessivi possono ingrossare i grani preesistenti di austenite anche quando la dissoluzione è già completa.

I carburi di lega rendono il processo più lento. I carburi contenenti cromo, molibdeno, vanadio, niobio e titanio possono rimanere stabili ben al di sopra della temperatura necessaria per dissolvere la normale Fe₃C. La loro persistenza può essere intenzionale, ma ciò significa che una nominale “temperatura di austenitizzazione” non garantisce che ogni particella contenente carbonio sia entrata in soluzione. Anche il carbonio e gli atomi sostituzionali segregano durante la colata e le lavorazioni precedenti; di conseguenza, le temperature di trasformazione locali possono differire all’interno di uno stesso componente.

Effetto del silicio e delle aggiunte di elementi di lega

Il silicio è un chiaro esempio del motivo per cui la composizione deve accompagnare qualsiasi temperatura di trasformazione. ASM International riferisce che il silicio innalza l’intervallo delle temperature di trasformazione, riduce la solubilità del carbonio nell’austenite e tende a dissociare il carburo di ferro. Negli acciai legati con silicio, la stabilità della cementite e la ripartizione del carbonio differiscono quindi da quelle degli acciai al carbonio non legati. Il risultato può essere un limite pratico di riscaldamento più elevato, una dissoluzione dei carburi modificata e una maggiore tendenza del carbonio a rimanere distribuito tra l’austenite e altri costituenti durante il ciclo termico.

Il manganese abbassa generalmente le temperature critiche di trasformazione e aumenta la temprabilità, mentre il nichel stabilizza l’austenite; cromo, molibdeno, vanadio, niobio e titanio possono formare carburi o nitruri stabili. L’effetto combinato non può essere dedotto considerando un singolo elemento isolatamente. Anche la velocità di riscaldamento è importante: un riscaldamento rapido può produrre valori Ac osservati più elevati, poiché la diffusione e la nucleazione sono in ritardo rispetto alla temperatura del forno.

L’austenite risultante controlla la trasformazione successiva. Durante il raffreddamento, essa può formare perlite, bainite, ferrite proeutettoide, cementite proeutettoide o martensite, a seconda della composizione e del percorso di raffreddamento. Il rapporto NIST Caratteristiche della trasformazione a raffreddamento continuo dell’acciaio SAE 1141 (1990) mostra perché si utilizzi un diagramma CCT per stimare la temprabilità e prevedere la microstruttura a temperatura ambiente, la resistenza, la durezza, la lavorabilità e le proprietà a fatica. La formazione dell’austenite è la condizione iniziale, non una garanzia di una particolare struttura finale.

Prodotti del raffreddamento: perlite, bainite, martensite e fasi proeutettoidi

L’austenite non ha un unico prodotto inevitabile del raffreddamento. Il risultato dipende dal contenuto di carbonio e di elementi di lega, dalla dimensione dei grani di austenite preesistenti, dalle condizioni di riscaldamento, dalla velocità di raffreddamento e dal tempo trascorso a ciascuna temperatura. ASM International identifica perlite, bainite, martensite, ferrite proeutettoide e cementite proeutettoide come prodotti principali della trasformazione dell’austenite. Questi nomi non descrivono tutti lo stesso tipo di entità: ferrite e cementite sono fasi, perlite e bainite sono prodotti di trasformazione contenenti più di una fase, mentre la martensite è una fase sovrasatura formata attraverso un meccanismo diverso.

La familiare reazione eutettoide illustra questa distinzione. L’Università di Cambridge, Materials Science & Metallurgy (2002), colloca la reazione a circa 0,8% in peso di carbonio e a 723 °C:

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}$$

Qui, γ è l’austenite cubica a facce centrate, α è la ferrite cubica a corpo centrato e Fe₃C è la cementite ortorombica, come descritto in Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) di Cambridge. La temperatura è un riferimento di equilibrio, non un punto universale di transizione. La trasformazione effettiva può iniziare al di sotto o al di sopra di tale valore, a seconda del percorso termico e della composizione.

La perlite come prodotto ricostruttivo controllato dalla diffusione

La perlite si forma quando l’austenite si decompone in modo cooperativo in ferrite e cementite alternate. Il carbonio deve ridistribuirsi: la ferrite può dissolvere solo una piccola quantità di carbonio, mentre la cementite ne può accogliere una quantità molto maggiore. Anche il reticolo del ferro si ricostruisce, passando dalla disposizione cubica a facce centrate dell’austenite alla struttura cubica a corpo centrato della ferrite. Si tratta quindi di una trasformazione ricostruttiva, controllata dalla diffusione, e non di un semplice cambiamento di forma del reticolo esistente.

Il carattere cooperativo è importante. La formazione della ferrite respinge il carbonio nell’austenite vicina, aumentando la concentrazione locale di carbonio e favorendo la formazione della cementite accanto a essa. A sua volta, la formazione della cementite crea condizioni che consentono la crescita della ferrite adiacente. Le colonie risultanti contengono lamelle la cui spaziatura dipende fortemente dalla temperatura di trasformazione. Temperature di trasformazione più elevate producono generalmente perlite più grossolana; temperature più basse producono perlite più fine, perché la distanza disponibile per la diffusione è minore. La velocità di raffreddamento modifica non solo la temperatura di inizio, ma anche la spaziatura, la frazione e la morfologia del prodotto.

Negli acciai ipoeutettoidi, la ferrite proeutettoide si forma prima che l’austenite rimanente raggiunga la composizione eutettoide. Essa cresce preferenzialmente lungo i bordi dei grani di austenite preesistenti e sottrae carbonio all’austenite non trasformata, rendendo quest’ultima progressivamente più ricca di carbonio. Negli acciai ipereutettoidi, invece, si forma la cementite proeutettoide, comunemente lungo i bordi dei grani di austenite, mentre l’austenite rimanente diventa relativamente meno ricca di carbonio rispetto alla lega originaria, prima di trasformarsi in perlite. La struttura finale può quindi contenere ferrite più perlite, oppure cementite più perlite, anziché soltanto perlite.

I termini Ae1, Ae3 e Aecm descrivono confini di equilibrio: Ae1 è il confine eutettoide, Ae3 separa l’austenite dall’austenite più ferrite proeutettoide nelle composizioni appropriate, mentre Aecm indica il corrispondente confine della cementite. Le temperature critiche di riscaldamento e raffreddamento non devono necessariamente coincidere. Critical Temperature Ranges (2024) di ASM International afferma che, per un raffreddamento lento, le temperature critiche di riscaldamento possono essere circa 33 °C più alte dei valori relativi al raffreddamento. La cinetica e l’isteresi termica non sono errori nel diagramma di fase; fanno parte della trasformazione.

La bainite e la condizione T₀

La bainite occupa quella regione intermedia che spesso viene oscurata dai diagrammi semplificati. La sua crescita è priva di diffusione per quanto riguarda il reticolo del ferro: gli atomi di ferro si muovono in modo coordinato e displacivo, invece di diffondere individualmente su lunghe distanze. Tuttavia, il carbonio non diventa irrilevante. La ferrite sovrasatura formata durante il cambiamento iniziale del reticolo deve ridistribuire il carbonio, generalmente nell’austenite o in un carburo, a seconda della composizione dell’acciaio e delle condizioni di trasformazione. Di conseguenza, la bainite non è né una perlite con spaziatura più fine né una martensite formata a temperatura più elevata.

Temperatura T₀Temperatura T₀ La temperatura alla quale l'austenite e la ferrite bainitica di composizione identica hanno la stessa energia libera; al di sotto di essa, la trasformazione bainitica specificata è termodinamicamente possibile.

L’Università di Cambridge, The Bainite Reaction (2024), descrive la crescita della bainite come priva di diffusione per quanto riguarda il reticolo del ferro e termodinamicamente possibile al di sotto della temperatura T₀. T₀ è la temperatura alla quale l’austenite e la ferrite bainitica di identica composizione chimica hanno la stessa energia libera. Al di sotto di T₀, la ferrite bainitica con quella composizione invariata ha un’energia libera inferiore a quella dell’austenite, per cui il passaggio displacivo è termodinamicamente consentito. Al di sopra di T₀, la trasformazione con la stessa composizione non dispone di tale forza motrice.

Questa condizione non significa che ogni lega si trasformi in bainite non appena attraversa T₀. Le barriere di nucleazione, la ripartizione del carbonio, la precipitazione dei carburi, le aggiunte di elementi di lega, i difetti e il tempo disponibile influenzano tutti la reazione. La struttura bainitica finale può includere ferrite e carburi, e il suo aspetto dipende dal fatto che la formazione dei carburi avvenga tra le piastre di ferrite o venga ostacolata dalla composizione e dal processo. Il silicio, per esempio, aumenta l’intervallo di temperatura della trasformazione, riduce la solubilità del carbonio nell’austenite e tende a dissociare il carburo di ferro; tali effetti modificano il percorso e il prodotto, anziché limitarsi a spostare una singola temperatura fissa.

Un diagramma tempo-temperatura-trasformazione mostra questi limiti cinetici attraverso curve a C. Un diagramma di trasformazione a raffreddamento continuo fornisce una risposta diversa, perché il provino attraversa l’intervallo di temperatura mentre la trasformazione procede. NIST, in Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990), osserva che un diagramma CCT può stimare la temprabilità e prevedere la microstruttura a temperatura ambiente, la resistenza, la durezza, la lavorabilità e le proprietà a fatica. È proprio questo uso previsionale che impedisce di sostituire una velocità di raffreddamento con una singola “temperatura della bainite”.

La martensite come trasformazione displaciva atérmica

La martensite si forma attraverso un taglio e uno spostamento coordinati del reticolo dell’austenite. È displaciva: gli atomi di ferro si muovono su piccole distanze, senza la diffusione chimica a lungo raggio necessaria per la perlite. Il carbonio rimane intrappolato nel reticolo trasformato, producendo sovrasaturazione e distorsione. Negli acciai al carbonio, la martensite risultante viene comunemente descritta come una struttura tetragonale a corpo centrato, sebbene la sua tetragonalità vari con il contenuto di carbonio e con il rinvenimento.

La martensite inizia a formarsi alla temperatura di inizio della martensite, Ms, quando il percorso di raffreddamento fornisce una forza motrice sufficiente per la nucleazione. La trasformazione è definita atérmica perché la quantità formata dipende principalmente dalla temperatura raggiunta, non dal tempo di mantenimento a una temperatura fissa. Ms è quindi una temperatura di trasformazione, non una garanzia che tutta l’austenite si sia trasformata. Un ulteriore raffreddamento genera generalmente una maggiore quantità di martensite, ma una parte dell’austenite può rimanere a temperatura ambiente.[3][3] Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2012.

Mf, la temperatura di fine trasformazione della martensite, presenta la stessa limitazione. Essa indica un intervallo estrapolato o misurato di completamento della reazione martensitica in condizioni specificate, non una promessa assoluta dell’assenza di austenite trattenuta. Il testo Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012) di Cambridge mostra specificamente che il carbonio influenza Ms, Mf e le frazioni di austenite trattenuta. Anche gli elementi di lega e le trasformazioni precedenti spostano il risultato.

Un raffreddamento rapido può sopprimere i prodotti ricostruttivi e consentire la formazione della martensite, ma il significato di “rapido” dipende dal grado di acciaio. Il diagramma CCT di un acciaio può mostrare perlite o bainite prima di Ms a una determinata velocità di raffreddamento e martensite a un’altra. La selezione delle fasi segue quindi l’intera storia termica: le temperature di equilibrio identificano gli stati possibili, i diagrammi TTT descrivono la cinetica isotermica e i diagrammi CCT descrivono il raffreddamento continuo effettivo. La temperatura, da sola, non racconta mai l’intera storia microstrutturale.

Diagrammi TTT: cosa possono e non possono mostrare i dati della trasformazione isotermica

Un diagramma tempo-temperatura-trasformazione (TTT) registra ciò che accade quando l’austenite viene portata a una temperatura selezionata e mantenuta a tale temperatura. Non è una tabella universale di temperature di trasformazione fisse. Le curve si applicano a una composizione dell’acciaio, a un trattamento di austenitizzazione, a una dimensione dei grani preesistenti e a una definizione sperimentale dell’inizio e della fine della trasformazione specifici.

Per costruire il diagramma, un provino viene dapprima riscaldato sufficientemente all’interno del campo dell’austenite per produrre la struttura γ richiesta. Viene quindi raffreddato rapidamente fino a una temperatura di mantenimento scelta. Il raffreddamento deve evitare che si verifichi una trasformazione durante la diminuzione della temperatura. Alla temperatura di mantenimento, il provino viene mantenuto isotermicamente mentre la sua struttura in evoluzione viene rilevata mediante dilatometria, metallografia, risposta magnetica o un’altra tecnica di misurazione. Il momento in cui la trasformazione diventa rilevabile viene tracciato come punto d’inizio; il momento in cui la frazione selezionata viene considerata completa viene tracciato come punto di fine. Ripetendo la procedura a molte temperature si ottengono le curve caratteristiche.

Il risultato distingue i prodotti di trasformazione, le fasi e le temperature. L’austenite è una fase: ferro γ cubico a facce centrate contenente carbonio ed elementi di lega. La perlite e la bainite sono prodotti di trasformazione, normalmente costituiti da ferrite e carburo in disposizioni differenti. Anche la martensite è un prodotto di trasformazione, formato dall’austenite mediante una variazione displaciva del reticolo. Nella reazione eutettoidica, in prossimità di 0,8% in peso di carbonio e di 723 °C, l’austenite si trasforma secondo γ → α + Fe₃C, come descritto dall’University of Cambridge (2002). Cambridge identifica la ferrite come cubica a corpo centrato e la cementite come Fe₃C ortorombico.

Lettura delle curve a C

La temperatura è riportata sull’asse verticale e il tempo, generalmente in scala logaritmica, su quello orizzontale. Un acciaio viene austenitizzato, raffreddato rapidamente fino a un punto del diagramma e quindi mantenuto orizzontalmente. Se tale linea orizzontale interseca per la prima volta una curva d’inizio della trasformazione a 650 °C, il tempo trascorso fino a quell’intersezione è il periodo d’incubazione precedente alla trasformazione rilevabile. Il mantenimento prolungato porta la struttura verso la corrispondente curva di fine trasformazione. La regione compresa tra le due curve rappresenta una miscela di austenite non trasformata e prodotto di trasformazione, non una singola fase con una temperatura definita con precisione.

Le curve comunemente si incurvano verso tempi brevi a una temperatura intermedia, formando un “naso”. La trasformazione è più rapida in prossimità di questo naso perché la forza motrice è considerevole, mentre il movimento atomico rimane sufficientemente rapido. A temperature più elevate, la ridotta forza motrice rallenta la nucleazione; a temperature più basse, la diffusione ridotta rallenta il processo di accrescimento. Il naso indica quindi una condizione tempo-temperatura, non una singola temperatura critica.

Un mantenimento orizzontale al di sopra dell’intervallo pertinente può produrre perlite grossolana; un mantenimento a temperatura inferiore può produrre perlite più fine o bainite, a seconda della composizione e del diagramma. I limiti esatti variano in funzione di carbonio, manganese, cromo, molibdeno, silicio, dimensione dei grani di austenite preesistenti e pratica di austenitizzazione. Il silicio, per esempio, innalza l’intervallo delle temperature di trasformazione, riduce la solubilità del carbonio nell’austenite e tende a dissociare il carburo di ferro. Inoltre, le temperature critiche di riscaldamento e raffreddamento non devono necessariamente coincidere: ASM International (2024) riferisce che, in condizioni di raffreddamento lento, le temperature critiche di riscaldamento possono essere circa 33 °C superiori ai valori di raffreddamento.

Una curva TTT non può essere trasferita direttamente a un componente che si raffredda in modo continuo. Un forno, un bagno d’olio, una saldatura o una sezione spessa seguono un percorso temperatura-tempo inclinato anziché un mantenimento orizzontale. Durante tale percorso, il materiale può attraversare temperature alle quali inizia la trasformazione, ma il tempo disponibile cambia continuamente. Un diagramma di trasformazione in raffreddamento continuo (CCT) è lo strumento appropriato per questo problema. Lo studio NIST (1990) sull’acciaio SAE 1141 utilizza dati CCT per stimare la temprabilità e prevedere la microstruttura a temperatura ambiente, la resistenza, la durezza, la lavorabilità e le proprietà di resistenza a fatica. Un diagramma TTT può comunque fornire indicazioni, ma la sua applicazione al raffreddamento continuo richiede una qualificazione, spesso mediante curve di raffreddamento calcolate o dati CCT determinati sperimentalmente.

Regioni delle trasformazioni ricostruttive e displacive

Le curve a C separate presenti in molti diagrammi degli acciai riflettono meccanismi differenti, non semplicemente nomi diversi per lo stesso fenomeno. Le trasformazioni ricostruttive richiedono che gli atomi attraversino interfacce e si riordinino mediante processi che implicano la diffusione. La perlite è l’esempio tipico: la ferrite e la cementite si formano mentre il carbonio si ripartisce e il reticolo del ferro cambia da regioni austenitiche a regioni ferritiche. Anche la ferrite proeutettoidica o la cementite proeutettoidica appartengono a questa famiglia controllata dalla diffusione quando si formano prima della reazione eutettoidica.

La bainite occupa una regione diversa. The Bainite Reaction di Cambridge (2024) afferma che la crescita della bainite è priva di diffusione per quanto riguarda il reticolo del ferro ed è termodinamicamente possibile al di sotto della temperatura T₀, alla quale la bainite della stessa composizione presenta un’energia libera inferiore rispetto all’austenite. La trasformazione combina quindi una variazione displaciva del reticolo del ferro con processi di redistribuzione o precipitazione del carbonio che determinano la struttura bainitica finale. Non deve essere considerata semplicemente come una “perlite fine”.

La martensite si forma quando l’austenite viene raffreddata abbastanza rapidamente da sopprimere le trasformazioni ricostruttive. Il reticolo cambia mediante uno spostamento coordinato, con una diffusione a lungo raggio essenzialmente assente durante la formazione. La regione della martensite è pertanto rappresentata mediante temperature, anziché mediante normali curve dipendenti dal tempo.

Ms, Mf e austenite trattenuta

Ms, la temperatura d’inizio della martensite, viene raggiunta quando il raffreddamento dell’austenite consente l’inizio della formazione della martensite. Nell’intervallo pertinente, la trasformazione è atermica: la quantità formata dipende principalmente dalla temperatura raggiunta, non dal tempo di mantenimento a temperatura costante. Mf, la temperatura di fine della martensite, è la temperatura nominale alla quale la trasformazione martensitica definita è completa.

Mf può trovarsi al di sotto della temperatura ambiente. In tal caso, il raffreddamento fino alla temperatura ambiente lascia una parte dell’austenite non trasformata. Si tratta di austenite trattenuta, non di una fase di equilibrio distinta selezionata mediante una semplice consultazione della temperatura. È una conseguenza della composizione e del percorso di raffreddamento, e la sua quantità può cambiare durante il successivo rinvenimento, durante l’esercizio o a seguito di deformazione.

Il carbonio esercita un forte effetto su tutte e tre le grandezze. Il materiale TTT dell’University of Cambridge (2012) mostra che il carbonio influisce su Ms, Mf e sulla frazione di austenite trattenuta: l’aumento del carbonio abbassa generalmente Ms e Mf e aumenta la frazione di austenite residua dopo un determinato trattamento di raffreddamento. Anche gli elementi di lega e la lavorazione precedente modificano il risultato. Pertanto, una linea contrassegnata con Ms in un diagramma appartiene a quell’acciaio e alle sue condizioni di prova; non può essere copiata acriticamente su un altro grado di acciaio o componente.

Diagrammi CCT e realtà dei percorsi di raffreddamento industriale

Raffreddamento continuo attraverso gli intervalli di trasformazione

Un diagramma tempo-temperatura-trasformazione (TTT) descrive ciò che accade quando l’austenite viene mantenuta a una temperatura selezionata. Questa condizione è utile per studiare le reazioni isotermiche, ma non rappresenta la consueta storia termica di un componente in acciaio. I pezzi forgiati escono dallo stampo e perdono calore continuamente. I prodotti laminati si raffreddano attraversando un campo di temperatura variabile. Gli acciai normalizzati e ricotti attraversano gli intervalli di trasformazione durante il raffreddamento in forno o in aria, mentre i pezzi temprati spesso attraversano rapidamente tali intervalli prima di raggiungere la temperatura di inizio della martensite, Ms.

Un diagramma di trasformazione a raffreddamento continuo (CCT) costituisce quindi spesso la mappa più pratica. I suoi limiti di inizio e fine trasformazione sono tracciati rispetto a una temperatura in continuo diminuzione. Una curva di raffreddamento sovrapposta al diagramma mostra quando, e per quanto tempo, l’austenite occupa l’intervallo di temperatura nel quale può formarsi un determinato prodotto. La curva può entrare in una regione di inizio della ferrite, proseguire nella formazione della perlite, attraversare la bainite e infine superare Ms, cosicché l’austenite rimanente si trasformi in martensite. La struttura finale può quindi essere una miscela, anziché una singola fase o un singolo prodotto di trasformazione.

La distinzione è importante perché ferrite, perlite, bainite e martensite non si formano attraverso lo stesso meccanismo. La ferrite o la cementite proeutettoide possono formarsi prima della reazione eutettoide negli acciai ipoeutettoidi o ipereutettoidi. In prossimità della composizione eutettoide, pari a circa 0,8% in peso di carbonio e 723 °C, l’austenite subisce la trasformazione γ → α + Fe₃C, secondo il materiale Materials Science & Metallurgy dell’Università di Cambridge (2002). Qui α è la ferrite e Fe₃C è la cementite. Interpretation of the Microstructure of Steels di Cambridge (2008) identifica l’austenite come cubica a facce centrate, la ferrite come cubica a corpo centrato e la cementite come Fe₃C ortorombico.

A temperature inferiori, può formarsi la bainite attraverso una trasformazione che, rispetto al reticolo del ferro, è priva di diffusione, sebbene la ridistribuzione del carbonio resti importante per la reazione e per i suoi prodotti. The Bainite Reaction di Cambridge (2024) afferma che la crescita della bainite è termodinamicamente possibile al di sotto della temperatura T₀, dove la bainite possiede un’energia libera inferiore rispetto all’austenite di composizione identica. Se il raffreddamento è sufficientemente rapido, i prodotti controllati dalla diffusione possono essere evitati. Il reticolo dell’austenite cambia allora per via displaciva in martensite, a partire da Ms; la formazione della martensite è atermica, pertanto la quantità formata dipende principalmente da quanto la temperatura scende al di sotto di Ms, più che dal tempo di mantenimento a una determinata temperatura.

Nemmeno una curva CCT è una proprietà universale dell’“acciaio”. La temperatura di austenitizzazione, il tempo di mantenimento, la struttura preesistente di ferrite-perlite o bainitica, la dimensione dei grani, il contenuto di elementi di lega e il mezzo di raffreddamento influenzano tutti il risultato. Il silicio, per esempio, aumenta l’intervallo delle temperature di trasformazione, riduce la solubilità del carbonio nell’austenite e tende a dissociare il carburo di ferro. Inoltre, le temperature critiche misurate durante il riscaldamento e il raffreddamento non devono necessariamente coincidere: Critical Temperature Ranges di ASM International (2024) riporta che, in condizioni di raffreddamento lento, le temperature critiche di riscaldamento possono essere circa 33 °C più elevate dei valori relativi al raffreddamento.

L’esempio dell’SAE 1141

Il rapporto del National Institute of Standards and Technology Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) fornisce un utile esempio applicato. L’SAE 1141 è un acciaio al carbonio medio risolforato, comunemente designato mediante la classificazione SAE/AISI 1141. L’aggiunta di zolfo ne migliora la lavorabilità, ma la qualità resta comunque influenzata dalla piena interazione tra contenuto di carbonio, stato dell’austenite, velocità di raffreddamento e geometria della sezione.

Nel lavoro del NIST, i dati CCT vengono utilizzati per collegare i percorsi di raffreddamento dell’austenite alla struttura a temperatura ambiente, anziché assegnare alla qualità una singola temperatura di trasformazione. Un percorso relativamente lento può intersecare le regioni della ferrite e della perlite prima di raggiungere temperature inferiori. Un percorso più rapido può sopprimere alcune o tutte queste reazioni, entrare in una regione di bainite oppure evitare la trasformazione diffusiva fino a superare Ms e formare martensite. Se la curva di raffreddamento interseca più di una regione di inizio trasformazione, l’acciaio risultante può contenere ferrite proeutettoide più perlite, perlite più bainite, bainite più martensite oppure diversi prodotti insieme. L’austenite che rimane non trasformata al termine del raffreddamento può persistere come austenite trattenuta.

Quest’ultima frazione non è un dettaglio secondario. Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel di Cambridge (2012) identifica specificamente il carbonio come elemento che influenza Ms, la temperatura di fine trasformazione della martensite, Mf, e la frazione di austenite trattenuta. Se l’acciaio viene raffreddato soltanto fino a una temperatura superiore a Mf, una parte dell’austenite può rimanere. In seguito può trasformarsi durante l’esercizio, la lavorazione meccanica o un successivo trattamento termico, modificando le dimensioni e le tensioni.

Lo studio NIST sull’SAE 1141 evidenzia direttamente il punto pratico: un diagramma CCT dell’acciaio può essere utilizzato per stimare la temprabilità e prevedere la microstruttura a temperatura ambiente, la resistenza, la durezza, la lavorabilità e le proprietà a fatica. Tali previsioni sono stime e non sostituiscono la verifica dell’effettivo ciclo termico e della sezione. Una curva di raffreddamento superficiale può passare molto a sinistra dei limiti di trasformazione, mentre il centro si raffredda più lentamente e forma ferrite e perlite. Lo stesso pezzo può quindi presentare uno strato superficiale martensitico duro e un nucleo misto più tenero.

Temprabilità, dimensione della sezione e previsione delle proprietà

La temprabilità viene spesso confusa con la durezza. Si tratta di due grandezze diverse. La durezza descrive la resistenza alla penetrazione o alla deformazione in una determinata condizione. La temprabilità descrive la capacità di un acciaio di formare martensite, nonché la profondità fino alla quale può farlo, in condizioni specificate di austenitizzazione e raffreddamento. A un acciaio con elevata temprabilità non viene assegnato un unico valore universale di durezza. La sua durezza dipende comunque dal contenuto di carbonio, dalla frazione di martensite, dal rinvenimento e dalla velocità di raffreddamento locale.

La dimensione della sezione modifica tale velocità di raffreddamento. Una barra sottile può raffreddarsi abbastanza rapidamente in tutta la propria sezione trasversale da evitare la formazione di ferrite e perlite. In un pezzo forgiato di grandi dimensioni, il calore immagazzinato nel centro rallenta la curva di raffreddamento, consentendo alla curva di entrare in regioni di inizio trasformazione che la superficie evita. Il centro può quindi contenere bainite o perlite, mentre la superficie contiene martensite. Questo gradiente termico crea inoltre differenze nella variazione di volume e nella tensione di trasformazione, che possono contribuire a deformazioni, cricche da tempra e tensioni residue.

L’interpretazione dei diagrammi CCT deve quindi iniziare dal processo effettivo: temperatura e tempo di austenitizzazione, contatto con il forno o con lo stampo, ritardo nel trasferimento, mezzo di raffreddamento, agitazione, orientamento del pezzo e spessore locale della sezione. I prodotti previsti forniscono quindi un percorso per determinare le proprietà. La ferrite e la perlite grossolana riducono generalmente la resistenza e la durezza, migliorando al contempo la lavorabilità rispetto alla martensite non rinvenuta; la bainite occupa una posizione intermedia e fortemente dipendente dalle condizioni; la martensite aumenta durezza e resistenza, ma può ridurre la tenacità se non viene rinvenuta. Anche le miscele e i gradienti influenzano la fatica, poiché la durezza locale, la tensione residua, le inclusioni e l’austenite trattenuta modificano l’innesco e la propagazione delle cricche. Una semplice consultazione della temperatura non può cogliere questi effetti. Un percorso di raffreddamento sì.

Perché le temperature di trasformazione variano tra gli acciai e i processi

Una temperatura di trasformazione non è un valore universale da consultare alla voce “acciaio”. Essa identifica una condizione nella quale una determinata trasformazione di fase diventa possibile o rilevabile per una composizione e un percorso termico specifici. Il risultato dipende inoltre dal fatto che il diagramma descriva l’equilibrio, un mantenimento isotermico o un raffreddamento continuo. Perlite, bainite, martensite, ferrite proeutettoide e cementite proeutettoide sono prodotti di trasformazione diversi, non nomi intercambiabili per un’unica temperatura.

Tenore di carbonio e composizione della lega

Il carbonio modifica sia i limiti di equilibrio sia i prodotti che si formano durante il raffreddamento. Nel sistema ferro–carbonio, la reazione eutettoidica avviene a circa 0,8% in peso di carbonio e a 723 °C:

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}$$

L’opera Scienza dei Materiali e Metallurgia dell’Università di Cambridge (2002) riporta questa reazione per la trasformazione dell’austenite in ferrite e cementite. L’austenite ha struttura cubica a facce centrate, la ferrite ha struttura cubica a corpo centrato e la cementite è Fe₃C ortorombico, come descritto nell’opera di Cambridge Interpretazione della Microstruttura degli Acciai (2008). La variazione del tenore di carbonio sposta la composizione e la temperatura eutettoidiche e modifica la fase che compare prima della reazione eutettoidica. Gli acciai ipoeutettoidici possono formare ferrite proeutettoide; gli acciai ipereutettoidici possono formare cementite proeutettoide.

Il carbonio modifica anche la temperatura alla quale inizia la formazione della martensite, Ms, e quella alla quale la trasformazione martensitica è sostanzialmente completata, Mf. Il diagramma Cambridge Diagramma Tempo-Temperatura-Trasformazione dell’Acciaio (2012) identifica specificamente il carbonio come un elemento che influenza Ms, Mf e la frazione di austenite trattenuta. L’aumento del tenore di carbonio abbassa generalmente Ms e Mf. Se Mf scende al di sotto della temperatura ambiente, una parte dell’austenite può rimanere non trasformata. Questa austenite trattenuta non dimostra che l’acciaio non abbia raggiunto una singola e fissa “temperatura di tempra”; riflette piuttosto la composizione e il limite inferiore del raffreddamento.

Il meccanismo è determinante. La perlite e i prodotti proeutettoidi richiedono una redistribuzione del carbonio e sono controllati dalla diffusione. La martensite si forma mediante una rapida trasformazione displaciva, che consente al reticolo del ferro di trasformarsi senza la diffusione del carbonio a lungo raggio necessaria per la formazione della cementite. La bainite occupa una posizione intermedia: l’opera di Cambridge La Reazione Bainitica (2024) afferma che la sua crescita è priva di diffusione rispetto al reticolo del ferro ed è termodinamicamente possibile al di sotto della temperatura T₀, alla quale la bainite della stessa composizione ha un’energia libera inferiore a quella dell’austenite.

Gli elementi di lega possono modificare queste relazioni, ma i loro effetti non devono essere considerati identici. Il silicio fornisce un esempio documentato. ASM International afferma che il silicio innalza l’intervallo delle temperature di trasformazione, riduce la solubilità del carbonio nell’austenite e tende a dissociare il carburo di ferro. Di conseguenza, gli acciai contenenti silicio non possono essere interpretati mediante un diagramma ferro–carbonio non modificato per acciai al carbonio semplici. Ciò non giustifica l’applicazione di una singola correzione a ogni elemento di lega: ciascun elemento modifica la stabilità delle fasi, la diffusione, la chimica dei carburi oppure una combinazione di questi fattori.

Isteresi durante il riscaldamento e il raffreddamento

La temperatura registrata durante il riscaldamento non deve necessariamente coincidere con quella registrata durante il raffreddamento. Durante il riscaldamento, la ferrite e la cementite devono dissolversi e l’austenite deve nucleare e accrescersi; ciò richiede attivazione termica e tempo. Durante il raffreddamento, l’austenite si decompone attraverso un processo diverso di nucleazione e accrescimento. La trasformazione presenta quindi isteresi, anche quando il forno varia lentamente la temperatura.

L’opera di ASM International Intervalli delle Temperature Critiche (2024) afferma che, in condizioni di raffreddamento lento, le temperature critiche durante il riscaldamento possono essere superiori di circa 33 °C rispetto ai valori durante il raffreddamento. Si tratta di un dato quantitativo riportato dalla fonte, non di una correzione universale applicabile a ogni ciclo del forno o a ogni lega. Un riscaldamento più rapido può aumentare il sovraelongamento apparente, poiché la diffusione e la nucleazione rimangono indietro rispetto alla temperatura misurata. Una tempra rapida può sopprimere la formazione di perlite e bainite abbastanza a lungo da consentire la formazione di martensite, mentre un mantenimento isotermico può produrre una trasformazione a una temperatura che non corrisponderebbe al punto di inizio in un diagramma di raffreddamento continuo.

Questa distinzione separa le temperature di equilibrio, come Ae1, Ae3 e Aecm, dalle temperature pratiche Ac e Ar misurate durante il riscaldamento e il raffreddamento. Un diagramma TTT descrive la trasformazione durante un mantenimento isotermico dopo l’austenitizzazione. Un diagramma CCT segue una temperatura in continua variazione. Lo studio NIST Caratteristiche della Trasformazione con Raffreddamento Continuo dell’Acciaio SAE 1141 (1990) utilizza dati CCT per stimare la temprabilità e prevedere la microstruttura a temperatura ambiente, la resistenza, la durezza, la lavorabilità e le proprietà a fatica. Una curva CCT è quindi una mappa del processo, non un sostituto dei dati di equilibrio delle fasi.

Dimensione del grano austenitico preesistente, tempo e gradienti termici

Il tempo di austenitizzazione modifica più di quanto suggerisca la lettura del termometro. Un mantenimento sufficientemente lungo può dissolvere i carburi, omogeneizzare il carbonio e consentire la crescita dei grani austenitici. Un tempo insufficiente può lasciare carburi non disciolti oppure regioni ricche e povere di carbonio; di conseguenza, parti diverse dello stesso componente iniziano il raffreddamento con diverse tendenze alla trasformazione. Un tempo eccessivo produce comunemente grani austenitici preesistenti più grossolani, riducendo l’area totale dei bordi di grano disponibile per la nucleazione e spesso ritardando le trasformazioni diffusionali.

La dimensione del grano austenitico preesistente modifica quindi la cinetica, anziché creare una nuova composizione di equilibrio. I grani fini offrono più siti di nucleazione e possono favorire la formazione anticipata di ferrite o perlite durante il raffreddamento. I grani grossolani possono aumentare la temprabilità ritardando i prodotti nucleati ai bordi di grano e consentendo a una frazione maggiore di austenite di raggiungere condizioni bainitiche o martensitiche. Lo spostamento preciso dipende dal tenore di carbonio, dalla composizione della lega, dalle condizioni dei bordi di grano e dalla velocità di raffreddamento.

I componenti reali seguono raramente in modo uniforme il ciclo termico del forno. Una sezione spessa perde calore dalla superficie mentre il nucleo rimane caldo, producendo diverse velocità di raffreddamento attraverso la sezione. L’uniformità della temperatura del forno, la disposizione del carico, il contatto con gli elementi di supporto e l’ossidazione superficiale influenzano ulteriormente la storia termica effettiva. La superficie può attraversare una regione di perlite o bainite mentre il nucleo si trova ancora al di sopra di essa; successivamente, il nucleo può trasformarsi a una velocità di raffreddamento inferiore rispetto alla superficie. Pertanto, un unico trattamento termico nominale può produrre ferrite, perlite, bainite, martensite e austenite trattenuta in posizioni diverse. La temperatura è importante, ma è il percorso seguito attraverso le temperature a determinare quale prodotto di trasformazione compare.

Standard di lettura, designazioni dei gradi e terminologia delle trasformazioni

SAE 1141 e i limiti dei diagrammi specifici per grado

Un diagramma di trasformazione è una registrazione relativa a una composizione e a un determinato percorso termico, non una tabella universale delle temperature. Un diagramma CCT identificato come SAE 1141 si applica alla composizione chimica, al trattamento di austenitizzazione, alle dimensioni del provino e al metodo di prova utilizzati per produrre quel diagramma. Non dovrebbe essere rietichettato come “il diagramma degli acciai al carbonio”, né tantomeno essere applicato senza precisazioni agli acciai bassolegati, inossidabili o per utensili.

La distinzione è importante perché gli elementi di lega modificano la stabilità delle fasi, le velocità di diffusione, la formazione dei carburi e la cinetica delle trasformazioni. Il carbonio modifica l’intervallo austenite–martensite e la frazione di austenite trattenuta; il Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel del 2012 dell’Università di Cambridge identifica specificamente gli effetti su Ms, Mf e sulle frazioni di austenite trattenuta. Secondo i Critical Temperature Ranges del 2024 di ASM International, il silicio innalza l’intervallo delle temperature di trasformazione, riduce la solubilità del carbonio nell’austenite e tende a dissociare il carburo di ferro. Nichel, cromo, molibdeno e manganese possono spostare le curve di trasformazione e ritardare la formazione dei prodotti diffusivi. Un grado di acciaio inossidabile può inoltre contenere campi di fase ferritici, austenitici o intermetallici assenti in un diagramma di un acciaio semplice al carbonio, mentre gli acciai per utensili possono formare carburi di lega che modificano sia i prodotti di trasformazione all’equilibrio sia quelli osservati.

Anche il noto riferimento basato esclusivamente sul ferro è specifico per composizione. Stainless Steels: Phase Equilibria del 2005 dell’Università di Cambridge colloca l’austenite cubica a facce centrate nel ferro puro a circa 910–1400 °C e indica una temperatura di fusione di circa 1539 °C. Questi valori non definiscono le temperature critiche dell’SAE 1141. Il documento Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel del 1990 del NIST mostra l’uso corretto di un diagramma CCT specifico per grado: stimare la temprabilità e prevedere la microstruttura a temperatura ambiente, la resistenza, la durezza, la lavorabilità e le proprietà a fatica in determinate condizioni di raffreddamento.

Una temperatura citata deve quindi essere accompagnata dalle relative evidenze. Occorre riportare la designazione del grado e la norma, la base composizionale — nominale, analisi di colata o composizione misurata — nonché la microstruttura iniziale, la temperatura di austenitizzazione e il tempo di mantenimento, la velocità di riscaldamento o raffreddamento, la geometria del provino, il tipo di diagramma e il metodo di misurazione. La dilatometria, l’analisi termica differenziale, la misurazione della resistenza elettrica e l’interruzione metallografica possono produrre temperature apparenti di inizio e di fine differenti.

Notazione Ae, Ac, Ar, Ms, Mf e Aecm

Il prefisso Ae indica una temperatura di trasformazione all’equilibrio. Pertanto, Ae1 è il limite eutettoidico in condizioni di equilibrio, mentre Ae3 è il limite superiore associato alla formazione di ferrite dall’austenite negli acciai ipoeutettoidici. Aecm identifica il limite di equilibrio austenite–cementite sul lato ricco di carbonio. Il pedice “cm” si riferisce alla cementite, Fe₃C.

La composizione approssimativamente eutettoidica è pari allo 0,8% in peso di carbonio. A circa 723 °C, il materiale Materials Science & Metallurgy del 2002 dell’Università di Cambridge riporta la reazione γ → α + Fe₃C. In questo caso γ è l’austenite e α è la ferrite. Tale equazione descrive le fasi all’equilibrio; non afferma che ogni acciaio raffreddato attraverso 723 °C formerà perlite.

Il prefisso Ac si riferisce a una temperatura critica misurata durante il riscaldamento, mentre Ar si riferisce a una misurata durante il raffreddamento. Ac1 e Ar1 possono differire perché nucleazione, dissoluzione, diffusione e inerzia termica dipendono dalla velocità e dalla struttura precedente. ASM International riporta che, in condizioni di raffreddamento lento, le temperature critiche di riscaldamento possono essere circa 33 °C più elevate dei valori relativi al raffreddamento. Ms è la temperatura di inizio della martensite durante il raffreddamento, mentre Mf è la temperatura di fine della martensite. La martensite è un prodotto displacivo e in larga misura privo di diffusione; un raffreddamento insufficiente al di sotto di Mf può lasciare austenite trattenuta. I diagrammi TTT indicano comunemente Ms, mentre i diagrammi CCT mostrano il modo in cui il raffreddamento continuo interseca le regioni della perlite, della bainite e della martensite.

Fasi, costituenti e descrizione della microstruttura

Una fase è una parte di un materiale fisicamente e chimicamente distinta, dotata di una struttura definita e di un determinato intervallo di composizione. Interpretation of the Microstructure of Steels del 2008 dell’Università di Cambridge identifica l’austenite come cubica a facce centrate, la ferrite come cubica a corpo centrato e la cementite come Fe₃C ortorombico. Un campo di fase in un diagramma di equilibrio prevede quali fasi siano stabili a una determinata composizione e temperatura. Non è una fotografia e non specifica la dimensione delle particelle, la spaziatura, la morfologia o la velocità di trasformazione.

Un costituente è un prodotto o aggregato microstrutturale osservato. La perlite è comunemente un aggregato ferrite–cementite; la bainite contiene regioni ferritiche e disposizioni di carburi prodotte da un meccanismo di trasformazione distinto; la martensite è ferrite trasformata sovrasatura, con una morfologia e uno stato del carbonio caratteristici. ASM International considera la perlite, la bainite, la martensite, la ferrite proeutettoidica e la cementite proeutettoidica come i principali prodotti della trasformazione dell’austenite, sia in condizioni isotermiche sia di raffreddamento continuo. The Bainite Reaction del 2024 dell’Università di Cambridge afferma che la crescita della bainite è priva di diffusione rispetto al reticolo del ferro ed è termodinamicamente possibile al di sotto di T₀, dove la bainite presenta un’energia libera inferiore a quella dell’austenite di composizione identica.

Le relazioni dovrebbero quindi distinguere i campi di fase calcolati dai costituenti misurati. Occorre indicare se la fonte è un diagramma di equilibrio Fe–C o Fe–Fe₃C, un diagramma TTT oppure un diagramma CCT, quindi specificare come è stata rilevata la trasformazione e come è stata esaminata la struttura finale. Un’immagine di una superficie lucidata e attaccata metallograficamente, un risultato di diffrazione a raggi X, una curva dilatometrica e un profilo di durezza rispondono a domande differenti. Una temperatura priva di questo contesto costituisce una designazione incompleta.

Dal diagramma alla microstruttura: un metodo disciplinato di interpretazione

Un diagramma di trasformazione non è una tabella per la consultazione delle temperature. È una mappa riferita a una composizione specifica, a una determinata condizione del provino, a un ciclo di riscaldamento o raffreddamento e a un metodo sperimentale. La domanda disciplinata non è quindi «Quale fase si forma a 700 °C?», bensì «Quale materiale è presente, quale percorso ha seguito e quali meccanismi di trasformazione hanno avuto il tempo di operare?»

Iniziare dalla composizione e dal percorso termico previsto

Iniziare registrando la designazione dell’acciaio e la sua composizione chimica. «Acciaio al carbonio» è una definizione troppo ampia per consentire una previsione affidabile. Un acciaio eutettoide al carbonio semplice si comporta in modo diverso dall’SAE 1141, e entrambi differiscono dagli acciai legati contenenti cromo, molibdeno, nichel, manganese o silicio. Registrare i tenori di carbonio e degli elementi di lega, la condizione iniziale, la dimensione dei grani, se nota, lo spessore della sezione, la temperatura di austenitizzazione, il tempo di mantenimento e le velocità di riscaldamento e raffreddamento.

La designazione dovrebbe essere verificata confrontandola con l’analisi effettiva della colata quando le decisioni dipendono dal risultato. Piccole variazioni nella composizione chimica possono spostare le temperature di trasformazione e modificare le frazioni dei prodotti di trasformazione. Il silicio, per esempio, innalza l’intervallo delle temperature di trasformazione, riduce la solubilità del carbonio nell’austenite e tende a dissociare il carburo di ferro. Anche la direzione dell’escursione termica è importante: ASM International riferisce che, in condizioni di raffreddamento lento, le temperature critiche di riscaldamento possono essere di circa 33 °C superiori ai valori relativi al raffreddamento.

Successivamente, classificare il processo termico. Un calcolo di equilibrio presuppone variazioni estremamente lente e un tempo sufficiente affinché le fasi si avvicinino alle rispettive composizioni di equilibrio. Un trattamento isotermico porta rapidamente l’acciaio a una temperatura selezionata e lo mantiene a tale temperatura; questa è la condizione rappresentata da un diagramma TTT. Un trattamento a raffreddamento continuo segue una temperatura variabile ed è rappresentato da un diagramma CCT. Il raffreddamento in forno, in aria, in olio e in acqua sono percorsi continui, non mantenimenti isotermici, anche se le loro temperature finali sono simili.

Il noto diagramma Fe–C fornisce limiti utili, ma non predice ogni microstruttura industriale. Nel ferro puro, l’austenite cubica a facce centrate è stabile approssimativamente da 910 a 1400 °C, mentre il ferro puro fonde a circa 1539 °C, secondo Acciai inossidabili: equilibri di fase dell’Università di Cambridge (2005). Questi valori non si applicano senza modifiche all’acciaio legato. A circa 0,8% in peso di carbonio e 723 °C, la reazione eutettoide è γ → α + Fe₃C, ma un acciaio reale può contenere ferrite o cementite proeutettoide prima della formazione del costituente eutettoide.

Seguire il percorso attraverso i dati TTT o CCT

Selezionare il diagramma che corrisponde al processo. In un diagramma TTT, individuare la condizione di austenitizzazione, spostarsi rapidamente alla temperatura di mantenimento e quindi leggere l’inizio e la fine della trasformazione durante il mantenimento. In un diagramma CCT, tracciare o selezionare la curva di raffreddamento effettiva e identificare ciascuna regione attraversata. Non trasferire direttamente un tempo di inizio ricavato da un diagramma TTT a un trattamento CCT: durante lo svolgimento della trasformazione, l’acciaio attraversa un intervallo di temperature.

Descrivere esplicitamente la sequenza. Un acciaio ipoeutettoide può formare inizialmente ferrite proeutettoide a partire dall’austenite, seguita da perlite. Un acciaio ipereutettoide può formare cementite proeutettoide prima della perlite. Una curva di raffreddamento che evita la regione della perlite può entrare nell’intervallo della bainite e attraversare quindi Ms, la temperatura di inizio della formazione della martensite. La struttura finale può pertanto contenere ferrite, perlite, bainite, martensite e austenite trattenuta in proporzioni diverse.

Questi nomi descrivono inoltre tipi diversi di entità. Ferrite, austenite e cementite sono fasi: Interpretazione della microstruttura degli acciai dell’Università di Cambridge (2008) le identifica rispettivamente come ferrite cubica a corpo centrato, austenite cubica a facce centrate e Fe₃C ortorombico. Perlite e bainite sono prodotti di trasformazione caratterizzati da specifiche disposizioni di fasi, mentre la martensite è un prodotto di trasformazione displaciva. Una temperatura di trasformazione indica un limite o un evento, non un costituente finale garantito.

Il meccanismo è importante. Le trasformazioni ricostruttive richiedono la diffusione atomica e possono produrre ferrite, perlite o cementite quando il percorso fornisce tempo sufficiente per la ridistribuzione del carbonio. La martensite si forma senza la diffusione chimica a lungo raggio richiesta da tali reazioni. La bainite presenta una diversa combinazione di cambiamento del reticolo e ridistribuzione del carbonio; La reazione bainitica dell’Università di Cambridge (2024) afferma che la crescita della bainite è priva di diffusione rispetto al reticolo del ferro ed è termodinamicamente possibile al di sotto della temperatura T₀.

La martensite non è automaticamente l’ultimo prodotto. Se Ms è inferiore alla temperatura ambiente, oppure se il raffreddamento si arresta prima che l’austenite sia esaurita, può rimanere austenite trattenuta. Il materiale TTT di Cambridge (2012) identifica specificamente il carbonio come fattore che influenza Ms, la temperatura di fine della martensite Mf e le frazioni di austenite trattenuta. Pertanto, «acciaio temprato» può indicare una struttura mista anziché martensite al 100%.

Validare le previsioni mediante microscopia e prove sulle proprietà

Considerare il risultato del diagramma come una previsione. Confermarlo preparando un provino rappresentativo, lucidandolo e attaccandolo con un metodo adatto all’acciaio, quindi esaminando la struttura mediante microscopia ottica, microscopia elettronica a scansione o un’altra tecnica appropriata. La metallografia può evidenziare la morfologia della ferrite, la spaziatura della perlite, i fasci bainitici, le regioni martensitiche, le reti di carburi, la decarburazione e la segregazione, sebbene alcuni costituenti richiedano un’interpretazione attenta, poiché il contrasto prodotto dall’attacco metallografico non costituisce un’etichetta diretta della fase.

Misurare la durezza in posizioni definite e riportare la scala, il carico e il piano di campionamento. Aggiungere prove di trazione, resilienza, fatica, dimensionali o misure dell’austenite trattenuta quando l’applicazione lo richiede. La sola durezza non consente di distinguere ogni miscela né di stabilire la tenacità.

Un diagramma CCT dell'acciaio può essere utilizzato per stimare la temprabilità e prevedere la microstruttura a temperatura ambiente, la resistenza, la durezza, la lavorabilità e le proprietà a fatica. Limited evidence

Il rapporto NIST Caratteristiche delle trasformazioni a raffreddamento continuo dell’acciaio SAE 1141 (1990) dimostra lo scopo pratico dei dati CCT: un simile diagramma può stimare la temprabilità e predire la microstruttura a temperatura ambiente, la resistenza, la durezza, la lavorabilità e le proprietà a fatica. «Predire» resta la parola operativa. Un insieme di dati diagrammatici si riferisce a una composizione, a una condizione dei grani, a una dimensione del provino e a una procedura di prova specifiche. Quando le conseguenze dell’errore sono rilevanti, seguire il percorso termico, registrare la sequenza prevista e confrontarla con la microscopia e con le proprietà misurate prima di accettare il modello di trasformazione.

Riferimenti

1. [1]University of Cambridge. Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge phase-trans materials, 2002. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2002/MP10-6.pdf
2. [2]National Institute of Standards and Technology. Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. NIST Interagency Report, 1990. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nistir3964.pdf
3. [3]University of Cambridge. Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge phase-trans materials, 2012. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2012/Manna/Part2.pdf