Austenite

L’austenite è una soluzione solida di carbonio nel ferro γ che si forma in condizioni termiche specifiche.  Infatti l’austenite è stabile alle temperature comprese tra 723 °C e 1495 °C sebbene negli acciai austenitici la presenza di nichel che stabilizza è stabile a temperatura ambiente.

Il nome austenite è stato dato in onore del metallurgista inglese noto per le sue ricerche sulle proprietà fisiche dei metalli e delle loro leghe Sir William Chandler Roberts-Austen. Con il termine austenite si intende il ferro con una struttura cristallina cubica a facce centrate si verifica nel sistema Fe–C al di sopra della temperatura eutettoide di 723 °C.

Il ferro, infatti, presenta la proprietà di esistere in due o più forme distinte che sono chimicamente identiche ma hanno proprietà fisiche diverse ovvero di presentarsi sotto diverse forme allotropiche. La struttura cristallina del ferro a temperatura ambiente è cubica a corpo centrato mentre quando è riscaldato oltre i 910 °C diventa cubica a facce centrate e, in questa forma, è chiamato ferro gamma (γ-Fe) o austenite.

Austenite e diagrammi di fase

Per il trattamento termico degli acciai si utilizza il diagramma di fase di equilibrio ferro-cementite, che mostra le fasi di equilibrio nelle leghe ferro-carbonio per una data temperatura e composizione oltre che le trasformazioni che si verificano durante il raffreddamento o il riscaldamento.

Nel diagramma di fase, spesso indicato come Fe-Fe₃C, vi sono segmenti che attraversano orizzontalmente il grafico, che rappresentano una fase diversa nel cambiamento della microstruttura ferro-carbonio. In esso un dato fondamentale è la temperatura di 723℃, che è considerata la temperatura critica, il che significa che qualsiasi austenite nel ferro si trasformerà nella perlite eutettoide e raddoppierà la quantità di ferrite nella sua struttura

Le fasi che si presentano nel diagramma ferro-carbonio sono:

Ferrite costituita da una soluzione solida interstiziale di carbonio nella forma di ferro α che ha una struttura cristallina cubica a corpo centrato con costante di cella 2.86 Å, stabile fino a 911 °C. La massima solubilità del carbonio nella ferrite è dello 0.02% in peso a 727°C e la solubilità minima è dello 0.00005% in peso a 20°C. La ferrite è ferromagnetica fino a 768°C diventa paramagnetica al di sopra di questa temperatura.

Austenite: è una soluzione solida interstiziale di carbonio in γ -Fe (FCC) che ha una struttura cristallina CFC con costante di cella 3.65 Å, stabile tra 911 °C e 1392 °C. La massima solubilità del carbonio è del 2.1% in peso a 1146°C che diminuisce allo 0,77% in peso a 727°C.

L’austenite è morbida, duttile, malleabile, tenace e non magnetica. È stabile sopra i 727°C in acciai al carbonio semplici ma può essere ottenuta anche a temperatura ambiente aggiungendo elementi come Ni o Mn negli acciai. L’austenite non esiste al di sotto dei 723 °C e la concentrazione massima di carbonio a questa temperatura è dello 0.83%.

δ – ferrite: è una soluzione solida interstiziale di carbonio in δ -Fe che ha una struttura cristallina cubica a corpo centrato con costante di cella 2.93 Å, stabile tra 1392 °C e 1536 °C La massima solubilità del carbonio è dello 0.09% in peso a 1495°C ed ha la proprietà di essere paramagnetica.

La formazione di δ -ferrite ad alta temperatura dall’austenite durante il riscaldamento è spesso ignorata negli studi sulla trasformazione di fase degli acciai debolmente legati, poiché si trasforma di nuovo in austenite durante il raffreddamento. Tuttavia, la formazione di δ -ferrite è un fenomeno importante durante la saldatura dell’acciaio al 9% in peso di cromo.

Cementite: è un composto intermetallico interstiziale di carburo di ferro con un contenuto di carbonio fisso del 6.67% in peso, avente formula Fe₃C. La cementite è una sostanza dura e fragile che influenza le proprietà degli acciai e delle ghise.

Ha una struttura ortorombica complessa, con 12 atomi di Fe e 4 atomi di C per cella unitaria. Presenta elevata durezza, fragilità, bassissima resistenza alla trazione e elevata resistenza alla compressione ed è la fase più dura che appare sul diagramma di fase. Questo composto intermetallico è metastabile e si decompone molto lentamente, generalmente in diversi anni in α-Fe e grafite a 650 – 700 °C

Ledeburite: è una miscela eutettica di austenite e cementite in equilibrio metastabile, formata tramite raffreddamento relativamente rapido durante la reazione eutettica in leghe di ferro e carbonio contenenti più del 2.14% ma meno del 6.67% di carbonio.

Perlite: è una miscela eutettoide di ferrite e cementite contenente lo 0,8% in peso di carbonio e si forma a 727°C. È una miscela molto fine, a forma di piastra o lamellare. La perlite è probabilmente la caratteristica microstrutturale più nota nell’intera scienza della metallografia. Fu scoperta da Henry Sorby oltre 100 anni fa, che correttamente ipotizzò che si trattasse di una miscela lamellare di ferro e carburo di ferro.

La perlite è un costituente molto comune di un’ampia varietà di acciai, a cui fornisce un contributo sostanziale alla resistenza. Le strutture eutettoidi lamellari di questo tipo sono diffuse in metallurgia e spesso la perlite è usata come termine generico per descriverle.

Proprietà dell’austenite

L’austenite è morbida, duttile, malleabile, tenace e non magnetica. È stabile sopra i 727°C in acciai al carbonio semplici ma può essere ottenuta anche a temperatura ambiente aggiungendo elementi come nichel o manganese negli acciai. L’austenite non esiste al di sotto dei 723 °C e la concentrazione massima di carbonio a questa temperatura è dello 0.83%.

Il campo di fase molto più ampio del ferro γ (austenite) rispetto a quello del ferro α (ferrite) riflette la solubilità molto maggiore del carbonio nel ferro γ, con un valore massimo di poco superiore al 2% in peso a 1147°C. Questa elevata solubilità del carbonio nell’austenite è di estrema importanza nel trattamento termico, quando il trattamento di soluzione nella regione, seguito da rapido raffreddamento a temperatura ambiente consente la formazione di una soluzione solida sovrasatura di carbonio nel ferro.

L’austenite ha un’elevata solubilità per il carbonio e nell’intervallo di temperatura in cui è stabile come unica fase, tutto il contenuto di carbonio dell’acciaio è disciolto nell’austenite. Pertanto, se il contenuto di carbonio dell’acciaio, e quindi dell’austenite, supera quello della ferrite, nominalmente 0.02  % in peso alla temperatura più bassa di stabilità dell’austenite, cementite o carburo di ferro devono formarsi insieme alla ferrite durante il raffreddamento.

La martensite si forma quando l’austenite viene rapidamente raffreddata a temperatura ambiente. L’austenite è instabile al di sotto di 723 °C e dovrebbe decomporsi in condizioni di equilibrio in una miscela di α-Fe e cementite. Durante la tempra dell’austenite, la reazione di decomposizione eutettoide viene soppressa e, al suo posto, l’austenite cubica sottoraffreddata si trasforma in una martensite in fase tetragonale metastabile.

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