Il diagramma ferro-carbonio: fasi e microstrutture

Il diagramma ferro-carbonio è la mappa che governa quasi tutto l’acciaio prodotto al mondo: dice quali fasi compaiono a ogni temperatura e a ogni tenore di carbonio, e quindi quali microstrutture — e quali proprietà meccaniche — si possono ottenere. Saperlo leggere significa capire perché un acciaio dolce è tenero e duttile mentre uno ricco di carbonio è duro e fragile, e perché un raffreddamento controllato cambia tutto.

Vediamo come è costruito il diagramma, quali sono le fasi in gioco, che cosa succede al punto eutettoide e come si usa la regola della leva per leggerlo.

Che cos’è il diagramma ferro-carbonio

È un diagramma di stato che riporta in ascissa il tenore di carbonio (di solito fino a circa il 6,7%, che corrisponde alla cementite pura Fe₃C) e in ordinata la temperatura. A rigore non è un diagramma di equilibrio vero: la cementite è una fase metastabile che, dato tempo sufficiente, tenderebbe a decomporsi in ferro e grafite. In pratica però la decomposizione è lentissima, e per la stragrande maggioranza degli acciai la cementite si comporta come una fase stabile a tutti gli effetti. Per questo si parla di sistema ferro–cementite (Fe–Fe₃C).

Il ferro è allotropico

La ricchezza del diagramma nasce da una proprietà del ferro puro: è un metallo allotropico, cioè cambia struttura cristallina con la temperatura. A temperatura ambiente è ferro α (ferrite), con reticolo cubico a corpo centrato (bcc). Sopra circa 912°C diventa ferro γ (austenite), con reticolo cubico a facce centrate (fcc), più compatto. A temperatura ancora più alta riappare una forma cubica a corpo centrato, il ferro δ, stabile fino alla fusione. È questo balletto di strutture che permette al carbonio di sciogliersi in misura molto diversa nelle varie fasi.

Le fasi del sistema

Sul diagramma compaiono poche fasi fondamentali, ciascuna con caratteristiche meccaniche ben definite.

Il dato chiave è la diversa solubilità del carbonio: l’austenite fcc ne scioglie fino al 2,1%, mentre la ferrite bcc ne accoglie a malapena lo 0,025% a caldo e appena lo 0,008% a temperatura ambiente. Questa differenza enorme — quasi cento volte — è la chiave di tutta la metallurgia dell’acciaio.

Perché l’austenite scioglie tanto più carbonio

La spiegazione sta negli spazi interstiziali fra gli atomi di ferro. Nel reticolo fcc dell’austenite, pur essendo molto compatto (fattore di impacchettamento 0,74), gli atomi di carbonio si infilano nelle cavità ottaedriche, che qui sono relativamente ampie: il rapporto fra il raggio del carbonio (circa 77 pm) e quello del ferro è dell’ordine di 0,6, e la distorsione introdotta è tollerabile. Nel reticolo bcc della ferrite, invece, le stesse cavità sono più piccole e mal proporzionate: ospitare un atomo di carbonio costringe a deformare fortemente il reticolo, con un costo energetico tale che il carbonio quasi non vi entra. Da qui la solubilità così bassa nella ferrite.

Il punto eutettoide

Il punto più importante del diagramma è l’eutettoide, a un tenore di carbonio dello 0,77% e a una temperatura di 727°C. Qui l’austenite, raffreddando, si trasforma simultaneamente in due fasi solide: ferrite e cementite, intimamente alternate in sottili lamelle. Questa miscela lamellare prende il nome di perlite, per via dell’iridescenza madreperlacea che mostra al microscopio. La perlite è un compromesso eccellente fra durezza (dovuta alla cementite) e tenacità (dovuta alla ferrite).

austenite (0,77% C)  →  ferrite (α) + cementite (Fe₃C)  a 727°C

Rispetto a questo punto, gli acciai si dividono in due famiglie. Gli acciai ipoeutettoidi (meno dello 0,77% C) sviluppano prima ferrite ai bordi dei grani e poi perlite; gli acciai ipereutettoidi (più dello 0,77% C, fino al 2,1%) sviluppano invece cementite ai bordi dei grani e perlite all’interno. La proporzione fra perlite e fase di bordo determina durezza e duttilità del prodotto finale.

Leggere il diagramma con la regola della leva

In una zona bifasica del diagramma, le quantità relative delle due fasi presenti si calcolano con la regola della leva: tracciata l’orizzontale alla temperatura di interesse, la frazione di ciascuna fase è proporzionale al segmento opposto rispetto al punto della composizione globale. È uno strumento quantitativo semplice ma potentissimo, perché traduce un punto sul diagramma nella composizione effettiva del materiale.

frazione di fase = distanza dal lato oppostoampiezza del campo bifasico  (regola della leva)

Conoscere il diagramma e questa regola permette di prevedere la microstruttura — e quindi le proprietà — di un acciaio a partire dalla sua composizione e dalla sua storia termica. È il presupposto dei trattamenti termici, trattati nell’articolo dedicato.

Perché conta nella pratica

Per chi sceglie o specifica un acciaio, il diagramma ferro-carbonio è lo strumento concettuale di base: spiega perché un acciaio da costruzione a basso carbonio è duttile e saldabile, perché un acciaio per utensili ad alto carbonio è duro e tagliente, e perché lo stesso acciaio cambia completamente comportamento a seconda di come lo si raffredda. Saperlo leggere — individuare le fasi, riconoscere l’eutettoide, applicare la regola della leva — è la competenza che permette di collegare composizione, microstruttura e prestazioni, e di dialogare con chi esegue i trattamenti termici.

Domande frequenti

Che cos’è il diagramma ferro-carbonio?

È un diagramma di stato che riporta le fasi presenti in una lega ferro-carbonio al variare del tenore di carbonio e della temperatura. Permette di prevedere quale microstruttura si formerà — ferrite, austenite, cementite, perlite — e quindi le proprietà meccaniche dell’acciaio. Si parla più precisamente di sistema ferro–cementite, perché la cementite è una fase metastabile che si comporta come stabile.

Che cos’è il punto eutettoide?

È il punto del diagramma, a 0,77% di carbonio e 727°C, in cui l’austenite raffreddando si trasforma simultaneamente in ferrite e cementite, formando la perlite. È il punto di riferimento che divide gli acciai in ipoeutettoidi (meno carbonio) e ipereutettoidi (più carbonio), con microstrutture e proprietà diverse.

Perché l’austenite scioglie più carbonio della ferrite?

Perché la sua struttura cubica a facce centrate (fcc) ha cavità interstiziali più ampie, in cui gli atomi di carbonio si inseriscono con minore distorsione del reticolo. La ferrite, cubica a corpo centrato (bcc), ha cavità più piccole e mal proporzionate, per cui ospitare carbonio costa molta energia: la solubilità crolla a circa lo 0,025% a caldo e allo 0,008% a temperatura ambiente.

Che cos’è la perlite?

È la microstruttura che si forma all’eutettoide: una miscela lamellare di ferrite e cementite alternate, con tenore complessivo dello 0,77% di carbonio. Deve il nome all’aspetto madreperlaceo al microscopio. Combina la durezza della cementite con la duttilità della ferrite, offrendo un buon compromesso di resistenza meccanica.

A che cosa serve la regola della leva?

Serve a calcolare le quantità relative delle due fasi presenti in una zona bifasica del diagramma. Tracciata l’orizzontale alla temperatura di interesse, la frazione di ciascuna fase è proporzionale al segmento opposto rispetto alla composizione globale. È uno strumento quantitativo che traduce un punto del diagramma nella composizione effettiva del materiale.