Cementite

Struttura ortorombica della cementite. Si notino i quattro atomi di C circondati dai 12 di Fe.

La cementite è un composto intermetallico duro e fragile, costituito da ferro (93,3% in peso) e carbonio (6,67% in peso). Dal punto di vista chimico si tratta, quindi, di un carburo di ferro indicato con il simbolo Fe₃C poiché ogni cella elementare è formata da 4 atomi di C ogni 12 atomi di Fe (struttura ortorombica).

La cementite è uno dei costituenti degli acciai. Generalmente si considerano gli acciai come leghe ferro-carbonio, ma più correttamente andrebbero definiti come leghe "metastabili" ferro-cementite; la cementite infatti può decomporsi, sotto certe condizioni, nelle fasi più stabili di ferro e grafite, ma per la maggior parte delle condizioni pratiche il Fe₃C è molto stabile.

La presenza negli acciai di cementite promuove un aumento delle proprietà meccaniche di durezza e resistenza, ma di contro favorisce un comportamento fragile della lega.

Cementite primaria, secondaria e terziaria

Diagramma ferro-carbonio. Sono indicati i campi di esistenza della cementite primaria (cm_I), secondaria (cm_II) e terziaria (cm_III).

A seconda della percentuale di carbonio solubilizzato, durante un raffreddamento da elevate temperature, si parla di:

• Cementite primaria: cementite formatasi a partire dal liquido, in una ghisa ipereutettica (C > 4,3%), tramite la reazione eutettica:
  $$liquido\longrightarrow \gamma +Fe_{3}C;$$
• Cementite secondaria: cementite formatasi grazie alla diminuzione di solubilità del carbonio nel ferro gamma, per leghe con tenore di carbonio maggiore dello 0,8% (altrimenti si rientra nel limite di solubilità). Diminuendo la temperatura, diminuiscono i valori dei parametri reticolari del ferro gamma, il quale, non può più accettare la stessa quantità di carbonio. Si osserva il fenomeno della migrazione del carbonio a bordo grano, questo poi potrà, o legarsi con atomi di ferro liberi a formare nuova cementite (secondaria appunto, o d ingrossare le lamelle di cementite presenti nell'eutettico ledeburite o nell'eutettoidico perlite, in base alla percentuale di carbonio presente;
• cementite terziaria: cementite formatasi grazie alla diminuzione di solubilità del carbonio nel ferro alfa. Tale fenomeno interessa qualunque lega ferro-carbonio. Infatti, a temperatura ambiente, la solubilità del carbonio nel ferro alfa è nulla, quindi, raffreddando fino a basse temperature, a qualunque percentuale di carbonio in lega, si osserva tale struttura.

La cementite negli acciai eutettoidici

Si consideri un campione di acciaio al carbonio con lo 0,81% di carbonio (acciaio eutettoidico) a 750 °C: il pezzo avrà una struttura austenitica omogenea. Raffreddiamo fino ad una temperatura appena sopra quella eutettoidica (di 723 °C): l'acciaio avrà ancora una struttura austenitica; riducendo ulteriormente la temperatura, l'intera struttura da austenitica diventerà lamellare, con laminette alternate di ferrite-α e cementite; tale struttura prende il nome di perlite. Continuando a raffreddare, la struttura rimarrà praticamente inalterata fino a temperatura ambiente.

La cementite negli acciai ipoeutettoidici

Partendo invece da un campione di acciaio con tenore di carbonio più basso dello 0,81% - ad esempio con lo 0,4% di C - ad una temperatura di 900 °C, si avrà sempre austenite omogenea. Raffreddando lentamente comincerà - nell'esempio a 775 °C circa - a nuclearsi, principalmente lungo i bordi dei grani austenitici, della ferrite proeutettoidica. Continuando a raffreddare, la quantità di ferrite aumenterà mentre il tenore di carbonio aumenterà dallo 0,4% fino allo 0,81%, alla temperatura di 723 °C. A questa temperatura si ha la trasformazione eutettoidica:

austenite → ferrite + cementite

La cementite negli acciai ipereutettoidici

Partendo invece da un acciaio con tenore di carbonio all'1,2% - o qualsiasi altro valore compreso tra 0,81% e 2,2% - si ha infine, il terzo caso possibile, quello degli acciai ipereutettoidici. Partendo da un pezzo a 950 °C con struttura austenitica, si comincia a raffreddare fino alla comparsa di cementite secondaria, che cresce al bordo dei grani. Continuando a raffreddare fino a 723 °C la quantità di cementite aumenterà e il tenore complessivo di carbonio dell'austenite si ridurrà fino allo 0,81%. Con un ulteriore raffreddamento oltre tale temperatura, l'austenite rimasta si trasformerà in perlite (trasformazione eutettoidica).

Note

Bibliografia

• William F. Smith, Scienza e tecnologia dei materiali, 2ª ed., McGraw-Hill, 1995, ISBN 88-386-0709-5.
• Gilberto Rinaldi, "Materiali per l'ingegneria - Ingegneria Aerospaziale", Ed. Scient. Siderea, Roma, 2006.

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