Diagrammi TTT: tempo, temperatura e trasformazione

Perché lo stesso acciaio, raffreddato in modi diversi, può diventare morbido o durissimo, tenace o fragile? La risposta sta in un grafico dalla forma inconfondibile, a curva di C: il diagramma TTT, che mette in relazione tempo, temperatura e la microstruttura che ne risulta. È la mappa che traduce un raffreddamento in una struttura, e una struttura in proprietà.

Vediamo che cosa rappresenta un diagramma TTT, perché ha la forma a C, quali microstrutture nascono a diverse temperature (perlite, bainite, martensite) e come la velocità di raffreddamento decide il risultato finale.

Che cos’è un diagramma TTT

La sigla TTT sta per Tempo-Temperatura-Trasformazione. Il diagramma descrive, per un dato acciaio, quanto tempo impiega a trasformarsi la fase di partenza ad alta temperatura (l’austenite) se la si raffredda bruscamente fino a una certa temperatura e poi la si mantiene costante: si parla per questo di trasformazioni isotermiche. Sul grafico, in ascissa c’è il tempo (in scala logaritmica), in ordinata la temperatura. Le curve segnano l’inizio e la fine della trasformazione a ciascuna temperatura di mantenimento.

La forma a C e il «naso»

Le curve di un diagramma TTT hanno la tipica forma a C, con una sporgenza verso sinistra detta naso, cioè il punto in cui la trasformazione è più rapida. La ragione è una competizione: la trasformazione richiede sia una forza motrice (tanto maggiore quanto più ci si allontana dalla temperatura di equilibrio, cioè scendendo di temperatura) sia la diffusione degli atomi (tanto più rapida quanto più la temperatura è alta). I due effetti tirano in direzioni opposte, e il loro compromesso dà un massimo di velocità a una temperatura intermedia: ecco il naso della curva.

velocità di trasformazione  ≡  forza motrice × mobilità diffusiva

Perlite, bainite, martensite

A seconda della temperatura a cui si mantiene l’acciaio, l’austenite si trasforma in microstrutture diverse, con proprietà molto diverse:

La perlite è un intimo intreccio lamellare di ferrite e cementite, di aspetto simile a un’impronta digitale; si forma per diffusione alle temperature più alte ed è la struttura più morbida. La bainite nasce a temperature intermedie, ha morfologia più fine e aghiforme (piumosa a temperature più alte, più aciculare a quelle più basse) ed è più dura della perlite. La martensite è il caso speciale.

La martensite e la trasformazione senza diffusione

Se si raffredda l’austenite tanto in fretta da scendere sotto una temperatura di inizio caratteristica prima che la diffusione possa formare perlite o bainite, avviene una trasformazione completamente diversa: la formazione della martensite. Il carbonio non ha tempo di migrare e resta intrappolato in soluzione, distorcendo il reticolo del ferro in una struttura tetragonale a corpo centrato. La trasformazione avviene per puro scorrimento del reticolo, senza diffusione, in modo quasi istantaneo. Il risultato è una fase estremamente dura ma fragile, che di norma va poi rinvenuta (riscaldata a temperatura moderata) per recuperare un po’ di tenacità.

Trasformazioni isotermiche e raffreddamento continuo

Il diagramma TTT in senso stretto descrive trasformazioni a temperatura costante. Nella pratica industriale, però, i pezzi vengono spesso raffreddati con continuità, e si usa allora il diagramma di raffreddamento continuo (CCT), strettamente imparentato con il TTT ma con le curve un po’ spostate. In entrambi i casi il principio è lo stesso: sovrapponendo la curva di raffreddamento al diagramma si prevede quale microstruttura si otterrà. I trattamenti termici specifici dell’acciaio — ricottura, normalizzazione, tempra e rinvenimento — si progettano proprio leggendo questi diagrammi.

Perché conta nella pratica

Il diagramma TTT è lo strumento con cui si progettano i trattamenti termici degli acciai: permette di scegliere la velocità di raffreddamento giusta per ottenere la microstruttura, e quindi le proprietà, desiderate. Capire la forma a C, il significato del naso e la velocità critica spiega perché serve l’olio o l’acqua per temprare, perché certi acciai legati si temprano anche in aria e perché un pezzo grosso può restare molle al cuore. È la base per dialogare con un trattamentista, interpretare un capitolato e diagnosticare durezze fuori specifica.

Domande frequenti

Che cosa rappresenta un diagramma TTT?

Rappresenta, per un dato acciaio, il tempo necessario perché l’austenite si trasformi mantenendola a una temperatura costante: per questo descrive trasformazioni isotermiche. In ascissa c’è il tempo (in scala logaritmica), in ordinata la temperatura, e le curve segnano inizio e fine della trasformazione. Permette di prevedere quale microstruttura — perlite, bainite o martensite — si ottiene a ciascuna temperatura.

Perché le curve TTT hanno la forma a C?

Perché la velocità di trasformazione dipende da due fattori opposti: la forza motrice, che cresce scendendo di temperatura, e la mobilità diffusiva degli atomi, che cresce salendo di temperatura. Il loro compromesso dà un massimo di velocità a una temperatura intermedia, il «naso» della curva. Sopra e sotto quel punto la trasformazione è più lenta, da cui la caratteristica forma a C.

Quali microstrutture si ottengono a diverse temperature?

Alle temperature più alte (fino a circa 723 °C per l’acciaio eutettoide) si forma la perlite, lamellare e relativamente morbida. A temperature intermedie, indicativamente tra 250 e 550 °C, nasce la bainite, fine e aghiforme, più dura e tenace. Sotto una soglia critica, con raffreddamento rapido, si forma la martensite, durissima e fragile. La temperatura di mantenimento decide il risultato.

Come si forma la martensite?

Si forma raffreddando l’austenite tanto rapidamente da scendere sotto una temperatura di inizio caratteristica prima che la diffusione possa produrre perlite o bainite. Il carbonio resta intrappolato in soluzione, distorcendo il reticolo del ferro in una struttura tetragonale a corpo centrato. La trasformazione avviene per scorrimento del reticolo, senza diffusione, in modo quasi istantaneo, dando una fase durissima e fragile.

Che cos’è la velocità critica di raffreddamento?

È la velocità minima di raffreddamento necessaria perché la curva «manchi il naso» della trasformazione perlitica e si arrivi alla martensite. Determina la temprabilità di un acciaio: se si raffredda più lentamente si forma perlite, più velocemente martensite. Gli elementi di lega spostano le curve TTT verso destra, rallentando la trasformazione e rendendo più facile ottenere martensite anche con raffreddamenti meno drastici.