Riassunto esame Tecnologia dei materiali, Prof. Passerini Lucio, libro consigliato Materiali per il design casa Ambrosiana, Barbara del Culto

I

Le anomalie che influiscono negativamente sul comportamento del

legno vengono chiamate “difetti” e possono riguardare lo sviluppo del

tronco (ad esempio il fusto incurvato, le fessurazioni) o essere causate

da agenti atmosferici, da insetti e funghi o da incendi. Vengono

considerati tali anche i nodi, che si formano in corrispondenza ai rami,

sebbene la loro presenza sia una naturale conseguenza della crescita

dell’albero.

Proprietà del legno

Il legno è un materiale fortemente anisotropo, ovvero le sue proprietà,

in particolare quelle meccaniche, come pure il suo aspetto, variano a

seconda di quale sia la direzione considerata.

• La resistenza meccanica del legno dipende da diversi fattori:

o Difetti;

o Densità (maggiore densità = maggiore resistenza, soprattutto a

compressione);

o Contenuto di umidità (meno acqua nelle pareti cellulari = più

resistenza a compressione, mentre la trazione è meno

influenzata dall’umidità);

o Direzione di sollecitazione (la resistenza del legno è maggiore

grazie all’allineamento delle

in direzione longitudinale,

microfibrille, e minore in direzione perpendicolare, dove le fibre

alterano l’orientamento delle

si separano più facilmente. I nodi

fibre, riducendo la resistenza).

• Le deformazioni: un legno con maggiore densità è anche più

rigido, poiché ha un modulo elastico più alto. Il modulo elastico

misura la resistenza del materiale alla deformazione elastica (più è

alto, meno il legno si deforma sotto un carico).

• Proprietà chimiche e fisiche:

→ può scurirsi a contatto con luce e aria.

o Ossidazione → buon isolante termico.

o Conducibilità termica → scarso conduttore, ma aumenta con

o Conducibilità elettrica

l’umidità. → sensibile ad attacchi di funghi e

o Degradazione biologica

insetti. → resiste a molti solventi, ma

o Reazione agli agenti chimici

può essere alterato da acidi e basi forti.

→ materiale combustibile

o Infiammabilità (lo strato esterno

carbonizzato tende a proteggere quelli interni).

MATERIALI METALLICI:

Sono materiali inorganici composti da un unico elemento metallico o, nel

caso delle leghe, da due o più elementi (di cui almeno uno metallico).

Legami chimici e struttura cristallina:

Tutti i metalli, eccetto il mercurio, sono solidi a temperatura ambiente e

presentano una struttura tridimensionale ordinata chiamata reticolo

cristallino. Gli elettroni si muovono facilmente tra gli atomi del reticolo,

formando una nuvola elettronica. L'interazione elettrostatica tra i nuclei

e questa nuvola genera il legame metallico, che è forte e adirezionale,

conferendo ai metalli elevate proprietà meccaniche.

I metalli assumono una struttura cristallina compatta, in cui gli atomi si

dispongono nel modo più efficiente per minimizzare lo spazio vuoto. Tra

i 14 reticoli di Bravais, possono assumere le tre configurazioni più

compatte: cubica a facce centrate, cubica a corpo centrato e

esagonale compatta, che influenzano le loro proprietà fisiche e

meccaniche.

Difetti reticolari

La struttura dei metalli e delle leghe non è costituita da un unico reticolo

cristallino perfetto, ma può presentare difetti di vario tipo:

• → possono essere costituiti da

Puntiformi vacanze (posizioni

reticolari non occupate da nessun atomo, che facilitano i processi

di diffusione, utili soprattutto per la formazione di leghe) o da

atomi interstiziali (atomi che non occupano una normale

posizione reticolare).

• →

Lineari detti anche dislocazioni, permettono ai metalli di

deformarsi senza rompersi. Se un metallo fosse perfettamente

cristallino, per deformarlo sarebbe necessaria una forza enorme.

Le dislocazioni, invece, rendono più facile lo scorrimento degli

strati atomici lungo i piani di scorrimento; in pratica, grazie alle

dislocazioni, i metalli possono piegarsi e modellarsi senza

fratturarsi subito, rendendoli duttili e lavorabili.

Si distinguono in due tipi:

o Dislocazione a spigolo = si forma quando un piano atomico

extra interrompe la continuità del reticolo, creando una zona di

tensione.

o Dislocazione a vite = si genera quando parte del reticolo

cristallino scivola, creando una distorsione elicoidale.

Quando un metallo subisce una deformazione intensa, il numero di

dislocazioni aumenta, rendendo il materiale più duro e meno

deformabile, un fenomeno chiamato incrudimento. La

ricristallizzazione, invece, avviene quando un metallo deformato

viene riscaldato a una temperatura specifica, permettendo ai

cristalli di riorganizzarsi e ridurre le tensioni interne. Questo rende

il metallo più duttile, facile da lavorare e con migliori proprietà

rispetto a quello deformato.

La temperatura di deformazione plastica nei metalli influisce sulla

malleabilità: la deformazione a caldo avviene a temperature

elevate, rendendo il metallo più malleabile e attivando la

ricristallizzazione, mentre quella a freddo, a temperatura

ambiente, aumenta la durezza per incrudimento, riducendo però la

duttilità.

• →

Di superfici un metallo commerciale è formato da molti grani

cristallini con orientamenti diversi. Le separazioni tra i grani sono

i bordi di grano, considerati dei difetti. Quando il metallo è

sottoposto a stress elevato, la frattura avviene attraverso i grani

(frattura trascristallina). A temperature elevate, i bordi di grano

sono più deboli; quindi, la frattura si propaga lungo di essi (frattura

intercristallina).

La struttura metallica può avere grani fini, intermedi e

grossolani.

Solo la deformazione plastica a freddo aumenta la resistenza

meccanica riducendo la dimensione dei grani. Se la deformazione

avvenisse ad alta temperatura, si verificherebbe la

ricristallizzazione, che farebbe crescere alcuni grani, riducendo i

bordi di grano e siccome essi ostacolano il movimento delle

a quest’ultime

dislocazioni, la loro riduzione permette di muoversi

più facilmente da un grano all'altro, rendendo il materiale meno

resistente ma più duttile.

Struttura delle leghe metalliche

È costituita dalla combinazione di due o più metalli (o un metallo e un

altro elemento) che si mescolano insieme per ottenere proprietà

migliorate rispetto ai singoli componenti.

Quando diversi elementi si combinano, possono coesistere in un unico

reticolo cristallino oppure formare più reticoli cristallini separati.

Questo può avvenire attraverso:

1. Soluzioni solide interstiziali: se gli atomi dell'elemento meno

abbondante (il soluto) sono molto più piccoli, possono inserirsi nei

vuoti tra gli atomi del metallo principale (il solvente). Un esempio

classico è la lega di ferro e carbonio, in cui gli atomi di carbonio si

inseriscono negli spazi vuoti del reticolo di ferro.

2. Soluzioni solide sostituzionali: Gli atomi di soluto sostituiscono

quelli del solvente nel reticolo cristallino, causando una variazione

graduale delle dimensioni. Tuttavia, questa variazione ha un

limite e solo poche coppie di metalli simili permettono una

sostituzione completa senza alterare la struttura cristallina, come

nell'ottone (lega di rame e zinco).

3. Fasi intermedie: In alcune leghe, gli elementi non si mescolano

semplicemente, ma formano nuove strutture cristalline diverse

da quelle dei metalli puri. Queste fasi hanno una composizione

precisa e influenzano le proprietà della lega, rendendola, ad

esempio, più dura, resistente o con caratteristiche chimiche

specifiche.

Se si aggiunge un elemento in quantità superiore alla sua capacità di

sciogliersi nel metallo puro (in soluzione solida), senza formare una fase

intermedia ben definita, si generano due fasi distinte. Questo significa

che nella lega coesisteranno due strutture cristalline diverse, ognuna

con composizione e proprietà specifiche (lega bifasica).

Meccanismi di rafforzamento dei metalli:

I metalli puri, da soli, hanno una bassa resistenza meccanica perché la

loro struttura cristallina permette un facile scorrimento delle dislocazioni.

Tuttavia, esistono diversi metodi per rafforzarli, tutti basati sul creare

ostacoli al movimento delle dislocazioni, aumentando così la resistenza

del materiale. I principali meccanismi di rafforzamento sono:

• l’aggiunta di un elemento di lega a un metallo puro

Alligazione:

forma soluzioni solide, in cui gli atomi di soluto ostacolano il

movimento delle dislocazioni, aumentando la resistenza alla

deformazione.

• Incrudimento: deformazione plastica a freddo che aumenta la

densità di dislocazioni, rendendo più difficile il loro movimento.

• Trattamenti termici: si applicano solo a leghe che subiscono

trasformazioni di fase, come gli acciai. Comprendono la tempra, in

cui il metallo viene riscaldato e poi raffreddato rapidamente,

formando martensite, che aumenta la durezza ma rende il

materiale fragile. Il rinvenimento, che segue la tempra, riscalda il

metallo a una temperatura inferiore per ridurre la fragilità e

migliorare la tenacità, mantenendo comunque buona durezza.

Questo processo ottimizza resistenza, durezza e duttilità.

• Precipitazione: formazione di particelle dure all'interno della lega

che bloccano il movimento delle dislocazioni.

Proprietà dei materiali metallici:

• →

Densità generalmente elevata rispetto ad altri materiali.

• →

Conducibilità ottimi conduttori di elettricità e calore.

• →

Aspetto superficiale opachi ma lucenti.

• →

Degrado il principale meccanismo di deterioramento è la

che avviene in ambienti umidi o a contatto con l’acqua.

corrosione,

• →

Plasticità la capacità di un materiale di subire deformazioni

permanenti senza rompersi. Duttilità e malleabilità sono due

forme specifiche di essa: la prima riguarda l'allungamento in fili

sottili (trazione), mentre la seconda si riferisce alla capacità di

essere ridotto in lamine sottili (compressione).

• →

Resistenza meccanica capacità di sopportare carichi senza

rompersi; aumenta con trattamenti termici e lavorazioni

meccaniche (le leghe sono più resistenti dei metalli puri).

• →

Punto di fusione generalmente elevato, con eccezioni come il

mercurio, che è liquido a temperatura ambiente.

• →

Magnetismo alcuni metalli, come ferro, nichel e cobalto, sono

magnetici.

Gli acciai:

Sono leghe composte principa