olte proprietà dell’acciaio dipendono dalla sua struttura cristallina. Un riscaldamento o un raffreddamento del metallo possono alterarne profondamente le caratteristiche, in conseguenza di piccoli cambiamenti nella struttura cristallina. Charles F. Walton, un ingegnere meccanico di Cleveland esperto in metallurgia, ha trovato un modo per dimostrare quanto profondamente cambiano con il riscaldamento le proprietà dell’acciaio comune, che è una lega binaria, formata cioè da due elementi.

Walton scalda e raffredda un pezzo di corda da pianoforte lungo circa un metro e mezzo. Sospende il filo orizzontalmente fra due morsetti sistemati su due blocchi di legno e lo collega ad un autotrasformatore variabile toroidale, il quale consente di regolare a piacere la corrente elettrica che attraversa il filo. Per brevi periodi di tempo è possibile erogare una quindicina di Ampère a circa 50 volt, una potenza ben superiore quella erogabile con continuità dal trasformatore. Ma un erogazione breve non danneggia l’apparecchio.

La corrente riscalda il filo tanto da farlo allungare e renderlo incandescente. Quando si toglie la corrente, il filo cessa di essere incandescente e torna ad accorciarsi. Durante questo processo accade il primo fatto strano. Per un istante il filo torna incandescente e si allunga, poi riprende a raffreddarsi. Per qualche motivo il metallo in corso di

raffreddamento libera

rapidamente un eccesso di energia.

Qual è la sua origine? Perché la liberazione di energia non è continua nel corso di raffreddamento, ma presenta un picco?

Il secondo problema ha a che fare con la velocità di raffreddamento del filo. Si riscalda ancora il filo, si toglie la corrente e, per qualche secondo, si avvolge una spugna umida intorno ad una parte del filo rovente. La sezione di filo bagnata si raffredda rapidamente, mentre quella esposta all’aria richiede un tempo più lungo. La parte raffreddata rapidamente diventa talmente fragile che si spezza con le mani, mentre la zona di frattura è talmente dura da incidere il vetro. La parte raffreddata lentamente, invece, si rompe con difficoltà e non incide il vetro. Come influisce la velocità di raffreddamento sulla duttilità e la durezza dell’acciaio?

Il terzo problema concerne la proprietà magnetica del filo. A temperatura ambiente esso viene attratto da un piccolo magnete posto vicino a esso. Quando invece il filo è incandescente non si osserva alcuna attrazione. Perché le proprietà magnetiche dipendono dalla temperatura? E, ancora, qual è la causa dell’attrazione magnetica nel filo freddo?

Walton consiglia di impiegare per gli esperimenti filo di diametro di 1,9 millimetri. Un filo più sottile si ossida eccessivamente quando viene scaldato e serve solo per pochi esperimenti. Occorre poi fare molta attenzione e non si deve toccare il filo sotto tensione.

La scarica può essere mortale.

I problemi posti da Walton si possono spiegare cominciando a studiare il comportamento del ferro, che è il componente principale dell’acciaio. Il ferro è una sostanza allotropica, può cioè resistere in svariate forme cristalline. I cristalli si possono descrivere in base alla struttura della più piccola unità ripetitiva di atomi che si può isolare entro di essi. Ogni cristallo è costituito dalla giustapposizione di un gran numero di tali “celle”. La cella elementare del ferro a temperatura ambiente è costituita da un cubo con otto atomi ai suoi vertici, più uno al centro. Questa struttura viene detta cubica a corpo centrato. Il ferro con cristalli aventi tale cella elementare è detto ferro alfa o ferrite.

Il ferro è costituito normalmente da moltissimi cristalli indipendenti, chiamati grani. All’interno di ogni grano le celle elementari sono orientate in maniera uniforme, ma l’orientamento dei singoli grani è casuale. I grani si formano quando il ferro si raffredda e i cristalli cominciano a crescere intorno ai loro centri di nucleazione. I cristalli continuano a crescere fino a quando vengono a contatto l’uno con l’altro, formando una matrice di grani. Quando il ferro viene riscaldato alla temperature di 910°C la struttura della cella cristallina cambia da cubica a corpo centrato a cubica a facce centrate, caratteristica del ferro gamma o austenite. Questa cella è costituita da un cubo con gli atomi disposti ai vertici e al centro delle sei facce. Si hanno ancora dei grani, ognuno dei quali è un cristallo con celle aventi orientamento uniforme.

La trasformazione da ferro alfa a ferro gamma richiede assorbimento di energia per la ridisposizione degli atomi nella cella elementare. Un’altra forma di ferro, il ferro delta, compare a temperature molto più elevate di quelle raggiungibili con l’esperimento di Walton. Se poi si scalda il ferro a temperatura ancora più elevata, il metallo fonde.

Quando si scalda il ferro alfa, inizialmente l’aggiunta di energia fa semplicemente innalzare la temperatura. Quando si raggiunge il punto di transizione, la temperatura deve rimanere costante fino a che si è fornita sufficiente energia per la trasformazione completa dei cristalli in ferro gamma. Solo a questo punto la temperatura può riprendere a salire, sempre che si continui a fornire calore.

La trasformazione inversa avviene in maniera simmetrica. Quando il ferro gamma viene raffreddato la sua tempera tura si abbassa fino al punto di transizione. Un'ulteriore sottrazione di calore provoca solamente la conversione a ferro alfa. Solo quando la conversione è completa la temperatura torna a diminuire.

La transizione tra ferro alfa e gamma è simile a quella tra ghiaccio e acqua. Riscaldando il ghiaccio, la temperatura aumenta fino al punto di fusione, dove rimane costante durante il completamento del processo. Raffreddando l'acqua, la sua temperatura si mantiene intorno al punto di congelamento fino a che la trasformazione in ghiaccio è completa. Solo allora può ricominciare a diminuire.

La corda da pianoforte è composta

principalmente da ferro alfa. Quando la si fa attraversare dalla corrente elettrica, le collisioni degli elettroni con la struttura cristallina del filo producono calore. A un certo punto si può avere la trasformazione in ferro gamma. Un ulteriore riscaldamento fa sì che il filo cominci a irraggiare nella zona rossa dello spettro visibile.

Quando si interrompe la corrente, il filo si raffredda e l'emissione nel rosso scompare. Alla temperatura di transizione, la riorganizzazione della struttura cristallina da cubica a facce centrate a cubica a corpo centrato comporta una liberazione di energia che, Momentaneamente, torna a innalzare la temperatura al punto di far riprendere l'emissione di luce e l'allungamento del filo. Il fenomeno è di breve durata perché l'energia liberata viene rapidamente dissipata per irraggiamento e per convezione da parte dell'aria circostante. Il breve lampo di luce rossa nell'esperimento di Walton è dovuto quindi all'energia liberata nella transizione da ferro gamma a ferro alfa.

Per risolvere un altro dei problemi posti dall'esperimento di Walton occorre considerare il contenuto in carbonio dell'acciaio. Naturalmente esistono moltissime leghe diverse note sotto il nome di acciaio. Qui ci riferiamo soltanto alla lega binaria costituita da ferro e carbonio. Il suo studio si basa su un diagramma di fase del tipo presentalo nella figura qui sotto. L'ordinata rappresenta la temperatura, mentre l'ascissa corrisponde al contenuto in carbonio della lega. Quando il metallo è liquido,il carbonio vi si discioglie rapidamente. Ma anche quando il metallo solidifica il carbonio si può mescolare ai cristalli di ferro formando quella che viene detta una soluzione solida. La solubilità del carbonio in tale matrice gioca un ruolo importante nell'esperimento di Walton.

Il secondo diagramma di fase, rappresentato nella figura in alto, mostra un punto in corrispondenza del quale il filo è nello stato di ferro gamma alla temperatura di 1200 °C, mentre il contenuto di carbonio è lo 0,4 per cento. Il carbonio è in soluzione all'interno del ferro gamma nel senso che è disperso uniformemente nella struttura cristallina. Gli atomi di carbonio possono infilarsi entro gli spigoli delle celle elementari dei cristalli. Dato che il contenuto in carbonio è piccolo, solo poche celle lo contengono.

Il raffreddamento di questo acciaio è rappresentato nella figura da una linea verticale che si estende dal punto iniziale fino a una linea chiamata A 3. Questa linea segna la transizione tra ferro gamma e alfa. Fino a che non si raggiunge il punto di transizione, la rimozione di energia comporta una riduzione della temperatura del ferro, ma non una variazione della sua struttura cristallina e della solubilità del carbonio entro di essa. Appena raggiunta A3 parte del ferro gamma (principalmente quello sulla superficie dei grani) si trasforma in ferro alfa.

A questo punto il carbonio è praticamente insolubile nel ferro alfa (il suo limite di solubilità è solo lo 0.025 per cento) e quindi la soluzione di carbonio nel ferro gamma si concentra. Nel diagramma di fase la traiettoria di raffreddamento segue la linea A3, muovendosi a destra verso il basso man mano che la formazione di ferro alfa fa aumentare la concentrazione del carbonio nel ferro gamma. Mentre nel ferro puro la transizione fra le strutture gamma e alfa avviene a una temperatura ben definita, l'intervallo di temperature viene ampli-ato in presenza di carbonio.

A un certo punto si raggiunge la fine di A3, alla temperatura di 723°C. Questo stato, detto eutettoide, corrisponde alla massima concentra-zione possibile del carbonio entro il ferro gamma (0,8 per cento). Una ulteriore rimozione di energia fa precipitare dalla soluzione strati alterni di ferro alfa e di aggregati di carburo di ferro (Fe₃C), noto sotto il nome di cementite. Questa miscela di ferro e cementite viene chiamata perlite. Dato che la continuazione del raffreddamento non altera questa miscela, l'acciaio a temperatura ambiente ha una struttura perlitica.

II riscaldamento dell'acciaio fa per-correre il medesimo cammino in senso inverso. La struttura perlitica persiste fino che si raggiunge l'eutettoide, poi la cementite viene gradualmente trasformata in una soluzione solida di ferro gamma e carbonio. Infine si ha la trasforma-zione del resto del ferro alfa in gamma. Il cammino nel diagramma di fase si muove verso sinistra e verso l'alto, lungo la linea A3.

Quando tutto il ferro alfa è stato trasformato, si lascia tale linea e si muove verso l'alto, verticalmente. In questa fase la struttura cristallina e la concentrazione del carbonio rimangono invariati.

Quando l'acciaio nello stato di ferro gamma ha un contenuto in carbonio inferiore allo 0,8 per cento dell'eutettoide. esso viene definito ipoeutettoide. L'acciaio pereutettoide, caratterizzalo da un contenuto in carbonio superiore allo 0,8 per cento, si raffredda in maniera simile a quella appena descritta, a parte il fatto che inizialmente precipita carburo di ferro anziché ferro alfa.

Poniamo di avere un acciaio con una struttura gamma contenente l'I.2 per cento di carbonio. Raffreddandosi man tiene costante il tenore di carbonio fino a che viene raggiunto un punto di transizione, che giace sulla linea indicata con Acm nel diagramma di fase in alto a destra nella pagina a fronte.

Raffreddando ulteriormente, non tutto il carbonio può rimanere in soluzione nel ferro gamma. II raffreddamento obbliga parte del carbonio, soprattutto ai margini dei grani di ferro gamma, a precipitare sotto forma di carburo di ferro. Sul diagramma di fase il cammino di raffreddamento segue la linea Acm muovendosi verso il punto eutettoide. Un ulteriore raffredda-mento produce la precipitazione di perlite. A temperatura ambiente l'acciaio contiene una notevole quantità di carburo di ferro mescolato a perlite.

La corda da pianoforte nella struttura di ferro gamma contiene circa lo 0.8 per cento di carbonio. Dopo essere stata riscaldata al calor rosso, si raffredda abbastanza rapidamente da scendere sotto la temperatura del punto eutettoide, fra i 350 e i 600 °C, senza che avvenga alcuna trasformazione. A questo punto si trasforma improvvisamente in perlite, liberando energia. Il filo manda un bagliore e si allunga momentaneamente. Parte dell'allungamento è dovuto all'espansione termica conseguente al riscaldamento durante la transizione strutturale; parte è dovuto all'espansione prodotta dalla riorganizzazione della cella cristallina.

La solubilità del carbonio nel ferro di pende principalmente dallo spazio disponibile per gli atomi di carbonio nella cella elementare del ferro. Nella disposizione cubica a corpo centrato del ferro alfa, un atomo di carbonio può disporsi lungo uno spigolo della cella o al centro di una faccia. Dato che in entrambe le posizioni lo spazio disponibile è più piccolo di un atomo di carbonio, questo deve spostare un atomo di ferro posto in un vertice della cella. Nella figura in basso a sinistra nella pagina a fronte vengono mostrate due posizioni possibili per un atomo di carbonio che occupi uno spigolo. Se esso si forma tra gli atomi di ferro A e B, quest'ultimo si sposta a destra. Se invece si dispone fra gli atomi B e C, B viene spostato verso l'alto. In entrambi i casi lo spostamento di B distorce la struttura del cristallo. Il carbonio è praticamente insolubile nel ferro alfa perché lo spazio libero è poco e il suo inserimento nel reticolo, lo distorce sensibilmente.

Nel ferro gamma il carbonio può inserirsi solo lungo gli spigoli della cella cristallina. Benché questa possieda meno punti di inserimento per gli atomi di carbonio di quanti siano presenti nella struttura alfa, i vuoti lungo gli spigoli sono più grandi. La presenza del carbonio provoca quindi una minore distorsione della struttura cristallina, consentendo una maggiore solubilità.

La presenza di carbonio negli acciai è dovuta principalmente alla sua capacità di renderli più resistenti. I grani di ferro contengono sempre delle dislocazioni che interrompono la struttura regolare dei cristalli ideali e quindi li indeboliscono. La presenza di carbonio è utile perché impedisce il propagarsi delle dislocazioni. Un'irregolarità molto comune è la dislocazione a spigolo. Consideriamo un cubo regolare di ferro alfa, con ogni cella circondata da celle identiche. Facciamo un taglio immaginario entro il cubo e forziamone le facce adiacenti a scorrere in direzioni opposte per un tratto uguale al lato di una cella elementare. Il cubo ora contiene una fila di atomi fuori allineamento con le celle circostanti.

Tale dislocazione indebolisce il grano. Se gli si applica una sollecitazione di taglio che tenda a far scorrere ulteriormente le due parti del cristallo, la linea di dislocazione si muove facilmente entro il grano. Normalmente i legami tra atomi adiacenti sono forti, ma gli atomi fuori allineamento non sono legati fortemente e possono venire spostati con sollecitazioni di taglio relativamente piccole.

Quando il carbonio disciolto nel ferro a temperatura elevata precipita sotto forma di cementite in seguito a raffreddamento, tende a raccogliersi negli spazi liberi in corrispondenza delle dislocazioni. In questo modo diminuisce la probabilità che uno sforzo applicato dall'esterno possa far scorrere le dislocazioni lungo il reticolo, con la conseguente frattura del grano. Quando il raffreddamento della corda da pianoforte è lento, gli atomi di carbonio hanno il tempo di diffondere per formare cementite in corrispondenza delle dislocazioni. Ciò rende il ferro abbastanza duttile da poterlo piegare senza romperlo.

Quando invece il raffreddamento viene accelerato applicando al filo caldo una spugna impregnata d'acqua, si blocca la formazione della cementite. Il raffreddamento procede con tale rapidità che il carbonio non ha il tempo di diffondere.

Inoltre solo parte del ferro può trasformarsi in ferro alfa. Tale trasformazione è inizialmente veloce, ma rallenta altrettanto in fretta. Quindi il tratto di filo di ferro raffreddato rapidamente è costituito da poco ferro alfa e molto ferro gamma. Quasi tutti gli atomi di carbonio sono bloccati sul posto. La miscela è una soluzione soprasatura di carbonio, perché la concentrazione di questo elemento nel ferro è maggiore di quella normalmente raggiungibile a temperatura ambiente.

La formazione di questa nuova struttura, chiamata martensite, non richiede ne diffusione ne nucleazione. Essa deriva da un cambiamento spontaneo della struttura cristallina del ferro gamma, con pochi atomi di carbonio disposti lungo gli spigoli della cella elementare. Questa cambia da cubica a facce centrate a tetragonale a corpo centrato. Gli atomi di carbonio presenti nel ferro gamma non hanno tempo sufficiente per diffondere e rimangono intrappolati dove si trovano. Essi deformano la struttura tetragonale della nuova cella elementare.

Questa deformazione produce notevoli tensioni interne nei grani di martensite. Essa è anche la causa della durezza di tale fase, perché impedisce lo scorrimento delle dislocazioni entro i singoli grani. Que- sto è il motivo per cui la martensite è sufficientemente dura da riuscire a incidere il vetro. Essa è anche fragile, a causa delle molte zone con elevata tensione interna presenti nei grani. Se si cerca di piegare il filo. questo si spezza, a causa delle sue tensioni interne.

Il carbonio non è intrappolato indefinitamente entro i grani di martensite. Esso però diffonde tanto lentamente entro i cristalli di ferro da poterlo considerare in pratica immobilizzato. Aumentando la temperatura della martensite. si fa crescere la velocità di diffusione del carbonio. consentendogli di raccogliersi in piccoli grani di cementite. Scaldandolo a sufficienza e per un tempo adeguato, il ferro può assumere le proprietà della perlite. Il terzo problema sollevato dall'esperimento di Walton concerne le proprietà magnetiche dei ferro. Si dice che il ferro è ferromagnetico. Una proprietà fondamentale di tale classe di materiali è che essi possiedono regioni, dette domini, dotate di campo magnetico. Il materiale nel suo complesso può apparire non magnetizzato perché, normalmente, i campi dei vari domini si annullano l'uno con l'altro.

Questo succede in una corda da pianoforte fino a che non si avvicina un magnete. Il campo che esso produce allinea i campi dei singoli domini in modo che la loro somma non sia più nulla.

Questo allineamento è dovuto principalmente a variazioni nelle dimensioni dei domini. Quelli con campo magnetico pressappoco parallelo a quello del magnete si ingrossano a spese di quelli il cui campo ha un orientamento diverso.

Il risultato di tale accrescimento è una forza attrattiva tra filo e magnete. Quando la corda da pianoforte è a temperatura ambiente, l'attrazione è sufficiente a farla muovere. A una temperatura caratteristica per il ferro gamma l'attrazione scompare.

Quando si scalda il ferro, l'aumento di temperatura è accompagnato da un aumento dell'agitazione degli atomi e delle molecole. Tale agitazione tende a cancellare l'organizzazione del campo magnetico dei domini. All'aumentare della temperatura, i campi magnetici dei singoli domini si indeboliscono. A un certo punto l'organizzazione dei domini scompare completamente. Tale evento si verifica alla temperatura che viene detta punto di Curie, dal nome di Pierre Curie, che, nel 1894, scoprì che il ferro perde le sue proprietà magnetiche quando viene scaldato oltre i 768 "C.

L'origine dei campo, magnetico in una sostanza ferromagnetica non è ancora ben compresa. Sembra che quando un atomo di ferro entra nel reticolo cristallino si ionizzi, ovvero perda uno o più elettroni dai suoi orbitali più esterni, in conseguenza della vicinanza di altri ioni ferro. Per quanto gli elettroni non siano completamente liberi, essi sono abbastanza mobili da poter saltare da uno ione all'altro.

Ogni elettrone possiede un suo campo magnetico. Per quanto l'origine di tale campo non sia nota. esso caratterizza l'elettrone quanto la sua carica elettrica. Quando gli elettroni saltano da uno ione ferro all'altro entro un cristallo di ferro, essi si influenzano reciprocamente tramite quella che viene detta un'interazione di scambio. I campi magnetici dei singoli elettroni si allineano nella medesima direzione. Per avere una diversa orientazione del suo campo magnetico, un elettrone dovrebbe possedere un sovrappiù di energia. Quindi l'organizzazione dei campi dei diversi elettroni entro un domi-nio, che produce un campo magnetico risultante non nullo del dominio stesso, è dovuta alla necessità di minimizzare l'energia associata con l'interazione di scambio.

Aumentando la temperatura, l'agitazione termica distrugge il comportamento cooperativo degli elettroni fino a quando, al di sopra della temperatura di Curie, la struttura dei domini viene svuotata. In corrispondenza di tale temperatura, i singoli elettroni possiedono ancora i loro campi magnetici, ma questi non sono più organizzati. Se si avvicina un magnete a un filo di ferro scaldato al di sopra della temperatura di Curie, l'attrazione è molto debole. Il campo del magnete riesce ancora ad allineare i campi di alcuni elettroni, ma tale allineamento non comporta risultati macroscopici significativi, a causa dell'agitazione termica.

La perdita delle proprietà magnetiche può venire seguita in un diagramma di fase. Consideriamo la periite di un acciaio a basso tenore di carbonio. Quando viene scaldato al punto eutettoide e comincia a ristrutturarsi m ferro gamma e carbonio,il ferro perde le sue proprietà ferromagnetiche. Continuando a riscaldare lungo la linea A3, il ferro alfa rimanente conserva le sue proprietà magnetiche fino alla temperatura di Curie. A temperature maggiori nessuna fase del ferro rimane ferromagnetica.

Si potrebbero fare altre interessanti osservazioni a proposito dell' influenza della temperatura sulla struttura cristallina dell'acciaio. Mediante l'analisi microscopica di campioni attaccati con mezzi chimici è possibile studiare la precipitazione del carburo di ferro. Quando il ferro contiene più carbonio di quanto sia stato preso in considerazione in questo articolo compaiono nuove strutture.

Lascio a voi il compito di studiarle.