Ingegneria caratteristiche materiali metallici

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 delle strutture (problemi di funzionalità)
• SCARSA RESISTENZA AL FUOCO
• GRANDE CONSUMO D I   ENERGIA per produzione e trasporto( maggiore di calcestruzzo, laterizio e legno)
• VULNERABILITÁ ALLA CORROSIONE ATMOSFERICA