Perché alcuni acciai si piegano e altri si rompono? Il segreto sta nella loro struttura cristallina. Questo articolo esplora le affascinanti differenze tra acciai austenitici, ferritici, cementiti e martensitici. Scoprirete come le loro disposizioni atomiche uniche influenzano la loro resistenza, flessibilità e durezza, offrendovi spunti che potrebbero trasformare la vostra comprensione della scienza e dell'ingegneria dei materiali. Preparatevi ad addentrarvi nel mondo microscopico che dà forma agli strumenti e alle strutture su cui facciamo affidamento ogni giorno.
La materia solida in natura può essere classificata in due categorie: cristallina e amorfa.
Un cristallo è un solido di forma geometrica regolare che si forma attraverso il processo di cristallizzazione. In un cristallo, gli atomi o le molecole sono disposti periodicamente e ripetutamente nello spazio secondo una certa regola.
Un solido amorfo, invece, corrisponde a un cristallo con atomi o molecole disposti in modo irregolare, senza periodicità o simmetria. Il vetro è un esempio di solido amorfo.
I metalli solidi e le leghe sono per lo più cristalli. La struttura cristallina dei metalli e delle leghe è uno dei fattori fondamentali che ne determinano le proprietà fisiche, chimiche e meccaniche.
Il ferro e l'acciaio sono sistemi di leghe con ferro e carbonio come elementi di base.
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All'interno del sistema Fe-C, quando il contenuto di carbonio è inferiore a 0,02%, il materiale è classificato come ferro puro. Se il contenuto di carbonio supera i 2,0%, si parla di ghisa, mentre l'intervallo tra questi due limiti è classificato come acciaio.
Il ferro puro, o ferro battuto, è caratterizzato da quattro strutture cristalline: α, β, γ e δ. Tre di queste strutture, ovvero α, β e δ, presentano strutture a centro cubico, mentre la quarta, c, ha una struttura a centro cubico a facce.
Il ferro elementare puro cristallizza a 1538 ℃ formando una struttura cubica centrale nota come ferro δ. Raffreddandosi a 1394 ℃, si trasforma in una struttura cubica a facce centrate chiamata ferro γ. Un ulteriore raffreddamento a 912 ℃ porta alla formazione di una struttura cubica a nucleo nota come ferro α.
L'acciaio presenta quattro fasi principali: austeniteferrite, cementite e martensite.
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Austenite è un composto interstiziale di carbonio nel γ-Fe. Il rapporto tra atomi di Fe e atomi di C è 27:1, il che significa che solo un atomo di C è presente in ogni 6-7 celle cubiche centrate sulla faccia. La concentrazione di carbonio disciolto nel γ-Fe è di 2,11% a 1148℃ e 0,77% a 727℃.
Le caratteristiche dell'austenite sono forza e durezza sono più elevati rispetto alla ferrite, mentre la plasticità e la tenacità sono migliori. Inoltre, la sua grana ha una forma poligonale e il confine della grana è più rettilineo rispetto alla ferrite.
La ferrite è una soluzione solida di carbonio in α-Fe, con un contenuto di carbonio vicino al ferro puro, circa 0,02%.
La ferrite possiede caratteristiche simili al ferro puro, tra cui bassa resistenza e durezza, buona plasticità e tenacità. La sua microstruttura è caratterizzata da grani poligonali brillanti.
La cementite è un composto composto da ferro e carbonio in rapporto 3:1, noto come Fe3C. Appartiene al sistema cristallino ortogonale e ha una struttura cristallina complessa. Ogni cella della cementite è costituita da 12 atomi di Fe e 4 atomi di C.
Le caratteristiche della cementite includono elevata durezza, scarsa plasticità e tenacità. I valori di δ e Akk sono prossimi allo zero e la cementite presenta una grande fragilità.
Quando l'acciaio austenitico viene temprato a una temperatura inferiore a 150°C, si trasforma in martensiteche è estremamente dura. La martensite può essere considerata come una soluzione solida supersatura costituita da 1,6% di carbonio in α-Fe, con una struttura cristallina tetragonale.
Esistono due tipi di martensite: martensite ad alto tenore di carbonio (martensite a listelli) e martensite a basso tenore di carbonio (martensite lamellare).
La martensite è caratterizzata da durezza e fragilità, scarsa tenacità, grande stress internoe di essere incline alla fessurazione.
La stabilità delle quattro fasi varia. La ferrite e la cementite sono forme cristalline stabili a temperatura ambiente, mentre l'austenite è stabile alle alte temperature.
Quando l'acciaio al carbonio viene temprato, ottiene principalmente martensite, che è una forma cristallina instabile. Gli acciai legati con composizioni diverse, come Mn, Ni e Cr, possono essere prodotti per scopi diversi.
I non ricercatori dell'industria dell'acciaio inossidabile sono esposti principalmente ad austenite, ferrite e martensite, mentre la cementite è meno comunemente incontrata.
L'acciaio inossidabile è una tipica lega con proprietà speciali che si ottengono aggiungendo componenti di lega alla fase di base.
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