L’austenite rappresenta una soluzione solida di carbonio nel ferro γ, formata sotto specifiche condizioni termiche. Questo stato è stabile in un intervallo di temperature che va da 723 °C a 1495 °C. Negli acciai austenitici, la presenza di nichel contribuisce a stabilizzare la struttura anche a temperatura ambiente.
Origini del termine “austenite”
Il termine “austenite” è stato scelto in onore del metallurgista inglese Sir William Chandler Roberts-Austen, noto per i suoi studi sulle caratteristiche fisiche dei metalli e delle loro leghe. Con questo termine si fa riferimento al ferro che assume una configurazione cristallina cubica a facce centrate, che si verifica nel sistema Fe–C superando la temperatura eutettoide di 723 °C.
La sorprendente versatilità del ferro si traduce nella sua capacità di esistere in diverse forme allotropiche, tutte chimicamente identiche, ma con differenti proprietà fisiche. A temperatura ambiente, il ferro presenta una struttura cristallina cubica a corpo centrato. Tuttavia, al di sopra dei 910 °C, assume una forma cubica a facce centrate, nota come ferro gamma (γ-Fe) o austenite.
Diagrammi di fase e trattamenti termici
Nel processo di trattamento termico degli acciai, viene utilizzato il diagramma di fase di equilibrio ferro-cementite. Questo diagramma illustra le fasi di equilibrio delle leghe ferro-carbonio a differenti temperature e concentrazioni, evidenziando le trasformazioni che avvengono durante il raffreddamento e il riscaldamento.
Nel diagramma di fase, spesso identificato come Fe-Fe3C, sono visibili segmenti orizzontali che rappresentano le diverse fasi nel cambiamento della microstruttura ferro-carbonio. Un punto cruciale in questo contesto è la temperatura di 723 °C, considerata temperatura critica: a questa temperatura, l’austenite presente nel ferro si trasforma in perlite eutettoide, aumentando la quantità di ferrite nella sua microstruttura.
diagramma ferro carbonio
Le fasi che emergono nel diagramma di fase ferro-carbonio comprendono:
- Ferrite: una soluzione solida interstiziale di carbonio nella forma di ferro α, con struttura cristallina cubica a corpo centrato. Essa rimane stabile fino a 911 °C e presenta una massima solubilità di carbonio dello 0.02% in peso a 727 °C.
- Austenite: una soluzione solida interstiziale di carbonio in γ-Fe, avente una struttura cristallina CFC e una stabilità compresa tra 911 °C e 1392 °C. La massima solubilità di carbonio si attesta al 2.1% in peso a 1146 °C.
- δ-ferrite: soluzione solida di carbonio in δ-Fe, stabile tra 1392 °C e 1536 °C, con una massima solubilità del carbonio dello 0.09% in peso a 1495 °C.
La formazione della δ-ferrite ad alta temperatura dall’austenite durante il riscaldamento è un aspetto di particolare rilievo, soprattutto nei processi di saldatura degli acciai ad alta lega, sebbene venga spesso trascurato negli studi sulla trasformazione di fase.
cementite
Cementite: questo composto intermetallico interstiziale presenta un contenuto fisso di carbonio del 6.67% in peso, con formula Fe3C. La cementite, caratterizzata da elevata durezza e fragilità, ha un ruolo fondamentale nella definizione delle proprietà degli acciai e delle ghise.
Essa si distingue per la sua struttura ortorombica complessa e presenta un’elevata resistenza alla compressione, benché la sua resistenza alla trazione sia molto bassa. Con il tempo, la cementite può decomporsi lentamente in α-Fe e grafite se sottoposta a temperature comprese tra 650 e 700 °C.
Ledeburite: si tratta di una miscela eutettica di austenite e cementite. Questa fase viene formata in equilibrio metastabile, mediante un raffreddamento rapido durante la reazione eutettica in leghe di ferro-carbonio che contengono una percentuale di carbonio compresa tra il 2.14% e il 6.67%.
Perlite: costituisce una miscela eutettoide di ferrite e cementite, avente uno 0.8% in peso di carbonio. Si forma a 727 °C e presenta un aspetto lamellare finissimo. Questo costituente è riconosciuto in metallografia e contribuisce significativamente alla resistenza di una vasta gamma di acciai, rendendo la perlite un termine comunemente utilizzato per definirne le strutture.
Caratteristiche e stabilità dell’austenite
L’austenite si distingue per la sua morbidezza, duttilità, malleabilità, tenacità e assenza di magnetismo. Sebbene sia stabile sopra i 727 °C, può essere ottenuta anche a temperatura ambiente attraverso l’aggiunta di elementi come nichel o manganese negli acciai. Nonostante la sua stabilità, l’austenite non esiste al di sotto dei 723 °C, momento in cui la sua concentrazione massima di carbonio è dello 0.83%.
comportamento dell’austenite
Il vasto campo di fase dell’austenite rispetto alla ferrite evidenzia la sua elevata solubilità per il carbonio, superiore al 2% in peso a 1147 °C. Questa caratteristica risulta essenziale nel trattamento termico, dove il processo di soluzione a temperature elevate, seguito da un rapido raffreddamento, consente la formazione di una soluzione solida sovrasatura di carbonio.
Quando il contenuto di carbonio nell’acciaio supera la solubilità della ferrite, la cementite e il carburo di ferro si formano durante il raffreddamento. La martensite si sviluppa quando l’austenite è sottoposta a un rapido raffreddamento. Poiché l’austenite è instabile sotto i 723 °C, si decompone in una miscela di α-Fe e cementite. Durante la tempra, la reazione di decomposizione eutettoide è soppressa, dando luogo alla trasformazione dell’austenite cubica sottoraffreddata in martensite tetragonale metastabile.
