I MATERIALI METALLICI sono costituiti da metalli o da loro leghe, e

I MATERIALI METALLICI sono costituiti da metalli o da loro leghe, e
vengono ricavati dalla lavorazione di minerali attraverso vari processi
metallurgici. Sono caratterizzati da una struttura cristallina compatta e
omogenea, che li assimila a corpi isotropi, cioè a corpi che hanno le
stesse caratteristiche fisiche in tutte le dimensioni dello spazio.
Le proprietà si dividono in: chimico – strutturali, fisiche, meccaniche e
tecnologiche.
PROPRIETÁ CHIMICO-STRUTTURALI
Riguardano la composizione chimica dei metalli e la loro struttura
interna dalla quale derivano tutte le proprietà meccaniche e
tecnologiche (il reticolo cristallino).
PROPRIETÁ FISICHE
Massa volumica
È il rapporto tra la massa e il volume.
Densità relativa
È il rapporto tra la massa volumica di una sostanza e quella di
riferimento (solitamente l’acqua).
Dilatazione termica
È il fenomeno fisico che accade quando in un corpo si verifica un
aumento di volume all’aumentare della temperatura.
Temperatura di fusione
È la temperatura alla quale un materiale passa dallo stato solido a
quello liquido.
Calore specifico
È la quantità di calore fornita a una certa sostanza per elevare la
temperatura di 1°C.
Calore latente di fusione
Evidenzia la differenza fisica fra temperatura e calore
Conduttività termica ed elettrica
La conducibilità termica è una misura dell'attitudine di una sostanza a
trasmettere il calore. Essa dipende solo dalla natura del materiale, non
dalla sua forma.
La conducibilità elettrica è l'espressione quantitativa dell'attitudine di
un conduttore ad essere percorso dalla corrente elettrica . La
conduttività nei metalli varia in funzione della temperatura e un
aumento di questa, porta ad una diminuzione della conducibilità
perché i portatori di carica (gli elettroni) risentono di una diminuzione
della mobilità a causa dell'aumento di vibrazioni reticolari all'interno
del materiale. Quello che ha la più alta conducibilità è l‘argento .
PROPRIETÁ MECCANICHE
Forze statiche
Sono quelle la cui applicazione è graduale e continua. Il
comportamento del materiale a queste sollecitazioni viene definito
come resistenza alle deformazioni. In base alla direzione di
applicazione, queste forze possono indurre a sollecitazioni di :
compressione , trazione , flessione, torsione e taglio.
Forze dinamiche
Sono quelle che vengono applicate per periodi brevissimi, dell’ordine
di grandezza del decimo di secondo. La resistenza dei materiali alle
forze dinamiche, dette anche urti, viene definita resilienza .
Forze periodiche
Sono quelle che agiscono in modo discontinuo, con frequenza
costante o irregolare. Il comportamento del materiale a queste
sollecitazioni, viene definito come resistenza a fatica.
Forze concentrate
Sono quelle forze che vengono applicate in zone ristrette dell’oggetto.
La resistenza che i materiali appongono a questo tipo di forze
applicate in zone ristrette o puntiformi, è detta durezza.
Forze di attrito
Sono quelle forze che si manifestano tra due superfici a contatto in
movimento reciproco. Se il moto reciproco è di scorrimento, l’attrito si
chiama radente, se invece è di rotazione, l’attrito è volvente. Il
comportamento del materiale a queste sollecitazioni, viene definito
come resistenza all’usura.
PROVE TECNICHE DEI MATERIALI METALLICI
TRAZIONE, COMPRESSIONE, FLESSIONE, TAGLIO E DUREZZA.
PROPRIETÁ TECNOLOGICHE
Malleabilità
È l’attitudine del materiale ad essere trasformato in lamine mediante
lavorazioni a caldo o a freddo, senza che avvengano screpolature o
rotture.
Duttilità
È l’attitudine dei materiali ad essere trasformati, tramite il processo di
trafilatura in fili. Questi materiali vengono tirati attraverso un foro
calibrato, in tal modo da ottenere fili di vari diametri.
Imbutibilità
È l’attitudine di un materiale a essere deformato a freddo attraverso
uno stampaggio profondo, senza screpolarsi o rompersi. I materiali
imbutibili, sono anche malleabili, e caratterizzati da elevato
allungamento.
Estrudibilità
È l’attitudine di un materiale che tende ad acquisire determinate
forme, quando viene spinto attraverso un foro sagomato.
Piegabilità
É l’attitudine dei materiali a subire notevoli deformazioni tramite
piegatura, senza che essi manifestino screpolature o cedimenti. I
materiali piegabili sono in genere quelli che sono anche malleabili .
Fusibilità
È l’attitudine di un materiale a prendere una forma ben precisa,
mediante fusione, ottenendo un prodotto chiamato getto. Un
materiale ben fusibile riesce, allo stato liquido, a riempire tutte le
cavità dello stampo e deve avere un basso ritiro nel passaggio dallo
stato liquido a quello solido, affinché non si verifichino le soffiature.
Saldabilità
È l’attitudine di un materiale a unirsi per fusione con un altro materiale.
Il materiale per essere ben saldabile, è necessario che passi dallo stato
solido allo stato liquido in modo graduale, attraverso uno stato
pastoso. Generalmente questi materiali non sono colabili.
Truciolabilità
È l’attitudine del materiale a subire lavorazioni, lasciandosi tagliare per
asportazione di truciolo alle macchine utensili. L’asportazione del
materiale avviene per mezzo di un utensile appositamente affilato,
costituito da materiale che presente elevata durezza.
Temprabilità
È l’attitudine di un materiale a modificare la propria struttura interna
con un trattamento termico, composto da cicli di riscaldamento e
raffreddamento opportuni . Quanto più facilmente la tempre si spinge
sino al nucleo centrale del materiale, tanto più si dice che il materiale
è temprabile .
CLASSIFICAZIONE
IL FERRO
Il ferro è uno dei metalli più diffusi e abbondanti in natura ed è il più
importante nell’industria. Si trova raramente allo stato libero, perciò
viene estratto dai suoi minerali con processi metallurgici. Allo stato
puro
non è praticamente utilizzato, mentre sono largamente
impiegate le sue leghe di ferro e carbonio.
L’ACCIAO
L’acciaio è una lega di ferro e carbonio, ha una buona resistenza
meccanica a tutte le sollecitazioni (trazione, compressione); è
facilmente lavorabile, perché duttile e malleabile; è facilmente
saldabile. Ci sono però degli aspetti negativi: la fusibilità talvolta
problematica e la scarsa resistenza alla corrosione. Esistono molti tipi di
acciaio, che si possono dividere in comuni e speciali. Acciai speciali
contengono, oltre al ferro e al carbonio, altri elementi di lega che
forniscono nuove proprietà.
L’ALLUMINIO
L'alluminio , dopo l'ossigeno ed il silicio, è l'elemento più diffuso in
natura. Si trova nei minerali. L'alluminio in combinazione con silicio,
magnesio, rame, zinco e manganese forma numerose leghe, dette
leghe leggere, che trovano largo impiego nella tecnica moderna.
L'alluminio puro è invece utilizzato come conduttore nelle linee ad alta
tensione. Offre una eccellente barriera alla luce, non è permeabile e
non altera il gusto al contenuto e, nella prospettiva del riciclaggio, può
essere utilizzato all'infinito senza perdere le sue qualità originali.
IL RAME
Il rame è stato il primo metallo usato dall’uomo; nell’industria moderna
è, dopo le leghe ferrose e l’alluminio, il metallo di maggiore
importanza. Il rame può essere recuperato dai rottami provenienti da
demolizioni di vecchie linee elettriche o di vecchi impianti:
rifondendolo si ottiene rame secondario. Il rame è un ottimo
conduttore di calore e di elettricità; è assai malleabile e duttile; è
difficilmente fusibile; ha buone caratteristiche di resistenza alla
corrosione. In edilizia viene utilizzato per realizzare:
 Laminati , usati per canali di gronda, rivestimenti di tetti e
facciate;
 Tubi, per impianti termici, idrosanitari e per gas;
 Fili, per la fabbricazione di conduttori elettrici e di dispositivi
elettromeccanici per i relativi impianti.
IL MAGNESIO
Il magnesio è il più leggero fra tutti i metalli impiegati nell’industria, è
duttile e malleabile. Come metallo puro è pochissimo impiegato:
assume però una grande importanza sia perché entra nella
composizione di molte leghe leggere, sia perché è l’elemento base
delle leghe ultra- leggere.
LO STAGNO
Lo stagno ha una elevata resistenza alla corrosione, è molto duttile e
malleabile: in fogli sottili forma la cosiddetta stagnola. Ha una bassa
resistenza meccanica e una durezza mediocre. L’importanza dello
stagno è dovuta alla sua presenza in molte leghe. Si trova in
commercio sotto forma di verghe e lastre e il suo impiego più comune
è quello della produzione della lamiera stagnata.
IL PIOMBO
Fra i metalli comuni è il più pesante, è tenero e si lascia scalfire
facilmente; ha una bassa resistenza meccanica; è malleabile ma
poco duttile; conduce poco il calore e l’elettricità. Una sua
caratteristica è la resistenza ad alcuni acidi. Si trova in commercio
sotto forma di lastre , tubi e fili. È altamente nocivo.
IL NICHEL
Il nichel si trova insieme col ferro allo stato nativo nelle meteoriti è
inalterabile all’aria; è molto duttile e malleabile. Allo stato puro viene
usato per rivestimenti protettivi. Si trova in commercio sotto forma di
lastre, tondini, dadi, granuli e polveri di colore nero.
IL CROMO
Il cromo è durissimo, ha largo impiego nella siderurgia perché è
presente nelle leghe di acciai speciali, rapidi e inossidabili. Partecipa
anche alla formazione di leghe d’alluminio, rame e nichel. Viene
impiegato come rivestimento protettivo delle superfici metalliche, che
acquistano splendore e resistenza alla corrosione. Si trova in
commercio sotto forma di fili e tubi.
IL TITANIO
È leggero, con buone caratteristiche meccaniche, resistente alla
corrosione e alle temperature molto elevate. È un metallo piuttosto
costoso perché di difficile preparazione. Le leghe di titanio vengono
usate nell’industria aerospaziale per le strutture e i motori. La lega
titanio- tungsteno è adoperata per i filamenti delle lampadine
elettriche. Si trova in commercio sotto forma di verghe e billette e si è
affermato anche come materiale da costruzione, nel rivestimento e
nella copertura di edifici di pregio.
IL MERCURIO
È il solo metallo che sia liquido a temperatura ambiente. È capace di
sciogliere molti metalli (oro, argento, piombo) formando speciali leghe
dette amalgame. Trova impiego nella costruzione di apparecchi
scientifici (termometri, barometri), lampade a vapori di mercurio,
valvole di regolazione ecc.
L’ORO
Si trova libero in rocce quarzifere, in depositi alluvionali ed è presente
nelle sabbie di molti fiumi e torrenti; si può presentare sotto forma di
pagliuzze o pepite. È un metallo molto duttile e malleabile, non si
ossida all’aria, ha un’ottima conducibilità elettrica.
I METALLI PESANTI
I metalli pesanti non possono essere distrutti ma solo convertiti da un
composto chimico all’altro. Incenerendoli o scaricandoli in mare si
provoca inquinamento, ed è anche difficile riciclarli. Tendono a
depositarsi nel suolo e nei corsi d’acqua e sono tossici. Sono contenuti
in molti prodotti di uso comune. I metalli pesanti sono: mercurio,
piombo, cadmio. Possono contaminare anche gli alimenti; si trovano
anche nei fertilizzanti e nei pesticidi o sono dispersi nell’aria dai veicoli
e dalle industrie e arrivano al terreno con le piogge. Per questo motivo
gli alimenti coltivati in zone altamente industrializzate o vicino alle
autostrade contengono metalli pesanti. Anche i metalli pesanti
comportano rischi per la salute.
LE LEGHE
Sono i materiali composti da un metallo base (in percentuale elevata)
unito intimamente a due o più elementi chimici (alliganti) nella
maggior parte dei casi anch'essi metallici (un'importante eccezione è
l'acciaio, costituito da un elemento metallico, il ferro, legato con un
elemento non metallico, il carbonio).
Le leghe inoltre possono essere modificate anche da trattamenti
termici.
 Leghe ferro-carbonio: acciai e ghise
 Leghe di alluminio: costituite da Alluminio con rame (Cu),
Magnesio (Mg), Manganese (Mn), silicio (Si), nichel (Ni), zinco
(Zn), titanio (Ti)
 Leghe di rame: ottoni (in combinazione con lo zinco) bronzi (in
combinazione con lo stagno)
 Leghe di titanio: elevata resistenza meccanica in rapporto al
peso e alla resistenza alla corrosione.
 Le leghe di ferro si dividono in acciai e ghise in base al tenore
di carbonio (maggiore o minore del 2,06%). In realtà, negli acciai
e nelle ghise sono sempre presenti altri elementi di lega.
PRODUZIONE DELLA GHISA
L’altoforno viene caricato dall’alto con una miscela di Coke, minerali
di Ferro e Calcare. Il calore sviluppato dalla combustione del coke,
favorita dall’alta temperatura (fino a 870°) di un getto d’aria calda
che investa dal basso e attraversa la carica, innesca una reazione
chimica fra il carbonio del coke e l’ossigeno degli ossidi di ferro che
costituiscono i minerali.
Il ferro liberato dai minerali, si lega con una parte di carbonio e forma
la ghisa fusa che cola verso il basso. Periodicamente la ghisa viene
estratta dal fondo, mentre un diverso canale di scolo permette di
recuperare le scorie per avviarle a fasi successive del ciclo siderurgico.
PRODUZIONE DELL’ACCIAIO
Nella produzione tradizionale, l’acciaio si ottiene dalla ghisa liquida
proveniente da un altoforno, cui vengono aggiunti materiali (CALCE e
CALCARE) che servono a far addensare le impurità sotto forma di
scorie, e o renderle facilmente asportabili. Le apparecchiature
utilizzate possono essere Forni di Martin - Siemens, convertitori o forni
elettrici. Qualunque procedimento di produzione di acciaio da ghisa
d’altoforno consiste nell’asportare dalla ghisa il carbonio in eccesso e
le altre impurità presenti.
VANTAGGI DEL COSTRUIRE IN ACCIAIO
 ELEVATO RENDIMENTO derivante dal rapporto tra resistenza
meccanica unitaria e peso specifico
 GRANDE ELASTICITÁ quindi capacità di sopportare grandi
sollecitazioni sismiche
 POSSIBILITÁ D I VARIARE LE CARATTERISTICHE DEL MATERIALE
adattandolo alle esigenze strutturali
 POSSIBILITÁ D I TRASFORMAZIONI E RIPARAZIONI parziali della
struttura dovuta alle connessioni reversibili
 VELOCITÁ E PRECISIONE del montaggio in cantiere
 CARATTERISTICHE CERTIFICATE
 SOSTENIBILITÁ AMBIENTALE
LIMITI DEL COSTRUIRE IN ACCIAIO
 PARTICOLARE SENSIBILITÁ AI FENOMENI D I INSTABILITÁ (snellezza)
 ECCESSIVA DEFORMABILITÁ
funzionalità)
 SCARSA RESISTENZA AL FUOCO
delle
strutture
(problemi
di
 GRANDE CONSUMO D I ENERGIA per produzione e trasporto(
maggiore di calcestruzzo, laterizio e legno)
 VULNERABILITÁ ALLA CORROSIONE ATMOSFERICA