CLASSIFICAZIONE
I materiali si possono dividere in metallici, compositi, non metallici.
Metallici: hanno un elevato carico di rottura, buona lavorabilità per deformazione plastica, buona conducibilità elettrica e termica. Con il termine metallici si intendono anche le leghe e i metalli puri.(l’acciaio e la ghisa)
Compositi: sono costituiti da più materiali appartenenti anche a classi diverse (metalli sintetici, materie plastiche rinforzate).
Non metallici: possono essere naturali o artificiali. Al gruppo degli artificiali appartengono le materie plastiche e le ceramiche.
Nei solidi gli atomi possono disporsi in modo preciso e ordinato oppure in modo più o meno irregolare e disordinato. Una struttura ordinata è chiamata reticolo cristallino costituita da celle reticolari. Le forme di cella elementare che si presentano più frequentemente nei metalli sono:
Cella cubica a corpo centrato, Cella cubica a facce centrate e la cella esagonale.
Nei metalli la struttura regolare non è estesa uniformemente, ma riguarda solo piccole zone delimitate, dette grani.
L’atomo è costituito da un nucleo, che contiene neutroni e protoni, circondato da elettroni. L’atomo è elettricamente neutro perché il numero dei protoni e dei neutroni è uguale quindi la carica complessiva è nulla. Se un atomo ha acquistato elettroni si dice ione negativo o anione, se invece ha perso degli elettroni si dice ione positivo o catione. La forza di attrazione elettrostatica che si viene a stabilire tra ioni positivi e gli elettroni è la causa della coesione che tiene assieme la struttura cristallina dei metalli. Questa coesione è detta Legame metallico.
Nel raffreddamento di un metallo fuso, quando la temperatura raggiunge il punto di solidificazione, inizia il processo di cristallizzazione. Esso comincia in più punti detti centri di cristallizzazione perché ognuno di essi dà inizio a un singolo cristallo. Un raffreddamento veloce porta alla formazione di grani piccoli, un raffreddamento lento porta alla formazione di grani grossi. I metalli con grani piccoli hanno caratteristiche migliori: hanno migliore formabilità e un carico di rottura più elevato.
La forma dei grani dipende sia da processi tecnologici sia dalla forma della cella elementare.
La scelta di un materiale dipende dalle sue proprietà fisiche, tecnologiche e chimiche.
Le proprietà fisiche si differiscono da: proprietà meccaniche, elasticità, plasticità e durezza.
PROPRIETA’ MECCANICHE
Riguardano il comportamento che essi manifestano sotto l’azione di forze esterne, le principali sono le seguenti:
-resistenza a trazione (il materiale viene allungato)
-resistenza a compressione (il materiale viene accorciato)
-resistenza a flessione (il materiale viene piegato)
-resistenza a taglio (il materiale viene tagliato)
-resistenza a torsione (il materiale viene contorto)
-resistenza a carico di punta (il materiale viene inflesso)
Sigma: è il carico sopportato dal materiale sul mm
E’ la capacità di un materiale di riprendere la forma originale quando cessa l’azione delle forze esterne applicate.
L’elasticità è determinata con la prova di trazione. Si dice che il provino sottoposto a trazione si trova in campo elastico quando, tolto il carico, esso ritorna alla lunghezza iniziale. In campo elastico vale la seguente legge di Hooke:
L’allungamento è direttamente proporzionale alla forza applicata.
E’ la capacità di un materiale di subire deformazioni permanenti senza che si formino cricche e senza rotture.
Le principali prove per determinare l’attitudine alla deformazione plastica dei materiali sono:
-prova di piegamento
-prova di ricalcatura
-prova di allargatura
-prova di imbutitura (è la lavorazione di deformazione plastica a caldo o a freddo per ottenere una lamiera piana)
È’ la proprietà di un materiale di rompersi facilmente in seguito a urti, senza prima deformarsi.
Resilienza: è la proprietà di resistenza agli urti.
DUREZZA
E’ la capacità di un materiale di resistere alla penetrazione da parte di un altro materiale.
Per i minerali si utilizzano prove di scalfittura, basate sul fatto che i minerali di durezza superiore scalfiscono i minerali di durezza inferiore. Tenendo conto di ciò, Mohs ha elaborato una scala empirica delle durezze costituita da 10 gradi.
Le misure di durezza più usate in campo tecnologico si ottengono con le prove di:
-Brinell
-Vickers
-Rockwell (sfera)
-Rockwell (cono).
Hanno durezza elevata l’acciaio temprato, la ghisa bianca, I bronzi e I metalli per la costruzione degli utensili. Il tagliente di un utensile deve essere sempre più duro del materiale da lavorare.
Le proprietà tecnologiche sono quelle che riguardano le lavorazioni dei pezzi, le più importanti sono:
-colabilità
-formabilità
-truciolabilità
È l’attitudine di un metallo a riempire bene la forma in cui è versato, producendo getti privi di difetti. Sono difficilmente colabili la ghisa, lo zinco, il piombo e le leghe. Sono poco colabili il rame molto puro e l’acciaio poco legato.
È l’attitudine di un materiale di lasciarsi lavorare per deformazione plastica. Sono facilmente formabili l’acciaio, l’alluminio, il piombo, il rame e le leghe. È poco formabile lo zinco, non è formabile la ghisa.
TRUCIOLABILITA’
È l’attitudine di un materiale a lasciarsi tagliare da un utensile. La truciolabilità è importante nelle lavorazioni di tornitura, fresatura e di trapanatura.
Una buona truciolabilità richiede:
-la formazione di trucioli corti
-la generazione di una superficie liscia
-buona conducibilità termica
Le proprietà chimiche dei materiali riguardano il comportamento dei metalli e delle leghe al contatto con l’aria, l’acqua, con gli acidi e con gli organismi viventi. Le proprietà chimiche comprendono: la resistenza alla corrosione e la tossicità.
È la capacità che ha un materiale di non dar luogo a reazioni chimiche a contatto con gli elementi presenti nell’ambiente. La resistenza alla corrosione è dovuta ad un sottilissimo strato di ossido che protegge il materiale sottostante da ulteriori attacchi.
La tossicità di un metallo dipende dalla possibilità che esso ha di formare prodotti nocivi quando reagisce con l’aria o con l’acqua. Il piombo è particolarmente nocivo per la salute, gli ossidi di piombo, se ingeriti, possono provocare gravi danni.
PRODUZIONE DELL’ACCIAIO
L’acciaio è una lega di ferro e di carbonio con percentuale di carbonio inferiore al 2.06%. In natura il ferro si trova nei minerali di ferro, cioè in composti chimici nei quali esso è in combinazione con l’ossigeno, lo zolfo, il fosforo,… La separazione del ferro dal minerale si ha nell’altoforno, da cui esce la lega del ferro detta ghisa d’altoforno o ghisa greggia. L’altoforno viene alimentato con strati alternati di minerale di ferro, carbonato di calcio e carbon coke (è un combustibile, ha lo scopo di produrre energia e di cedere carbonio). Durante il processo una certa quantità di carbonio si combina con il ferro formando la ghisa. Le ghise d’altoforno contengono il 3.5%- 4.5% di carbonio. A seconda della composizione del bagno fuso e della velocità di raffreddamento si possono ottenere ghise bianche e ghise grigie.
Ghise bianche: sono dure e fragili e hanno aspetto biancastro, sono il materiale di partenza per la produzione dell’acciaio.
Ghise grigie: sono tenaci e lavorabili, alla rottura presentano grana grossa e aspetto scuro. Sono il materiale di partenza per la produzione delle ghise di impiego industriale. L’acciaio si può ottenere dalla ghisa abbassando il contenuto di carbonio ed eliminando i compagni nocivi del ferro, questo processo si chiama decarburazione. Gli apparecchi per decarburare il ferro si chiamano convertitori.
La ghisa è una lega di ferro e di carbonio con percentuale di carbonio attorno al 4.7%. Le ghise che escono dall’altoforno, prima di essere impiegate, devono essere fuse una seconda volta e trattate. Nella seconda fusione presentano una struttura contenente grafite, a seconda di come si presentano i grani di grafite, si distinguono in:
-la ghisa a grafite lamellare (ghisa grigia)
-la ghisa a grafite globulare(ghisa sferoidale)
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