Presenza fissa di ogni laboratorio che si rispetti, il diagramma ferro- carbonio è un altro degli argomenti propedeutici allo studio dei metalli e delle loro proprietà, indispensabile per la comprensione e l’analisi dei cambiamenti di stato delle leghe metalliche.
Il grafico rappresenta le strutture di equilibrio delle leghe ferro – carbonio appartenenti alle famiglie di acciaio e ghisa. Gli acciai, infatti, sono leghe formate da ferro e carbonio (anche se spesso intervengono altri elementi di lega in quantità molto variabili) ed è proprio la percentuale di carbonio a determinare una prima classificazione degli stessi. Distinguiamo infatti:
- Acciai ipoeutettoidi: con tenore di carbonio < 0,77%.
- Acciai eutettoidi con tenore di carbonio = 0,77%.
- Acciai ipereutettoidi: con tenore di carbonio > 0,77%, fino a un massimo del 2,11% (oltrepassato questo limite si parla di ghisa).
Ecco però che entrano in ballo le eccezioni. In condizioni normali, quindi in assenza di riscaldamenti prolungati, di raffreddamenti considerevoli e di elementi grafitizzanti (quali il silicio, l’alluminio, zirconio e titanio che in lega favoriscono la formazione di carbonio grafitico) ferro e carbonio si combinano dando luogo alla cementite Fe3C ed è per questo motivo che si può trovare anche nella definizione ferro cementite. La cementite è però un composto metastabile che tende a trasformarsi in ferro e grafite e quindi se si parla di equilibrio termodinamico sarebbe corretto parlare di diagramma ferro-grafite.
Altro aspetto da sottolineare è che il contenuto stechiometrico* del carbonio della cementite non supera il 6,69% in peso, quindi la graduazione nell’asse delle ascisse si ferma in corrispondenza di questo valore, mentre l’asse delle ordinate ha come riferimento la temperatura.
Nel diagramma ferro carbonio sono rappresentate le varie fasi delle leghe. Infatti il ferro puro in natura non esiste, ma allo stato solido si presenta in tre distinte forme allotropiche, ad ognuna delle quali corrisponde, per l’appunto, una fase:
- Fase α: ferrite
- Fase γ: austenite
- Fase δ: ferrite delta
Nella porzione di diagramma superiore, oltre la fase delta, è rappresentata la fase liquida del metallo, la parte intermedia è la quella del metallo liquido in equilibrio con il solido, mentre la sezione inferiore illustra il comportamento del metallo solido al variare della temperatura.
Il diagramma ferro carbonio conta anche degli “assenti illustri”: mancano infatti alcune strutture cristalline che si possono formare in un acciaio, come la martensite, la bainite superiore e inferiore, la sorbite e la troostite.
*La stechiometria è un ramo della chimica che si occupa delle relazioni quantitative tra le sostanze nelle reazioni chimiche. Il valore stechiometrico è un coefficiente che consente di individuare le quantità di reagenti e prodotti coinvolti in una reazione chimica.
