Applicazioni dei materiali nel design - materiali metallici

C35: acciaio non legato con C=0,35%

C10: acciai non legato con C=0,10%

Effetto degli elementi di lega: Gli acciai commerciali non sono mai delle semplici leghe

ferro/carbonio, infatti contengono:

• elementi volutamente aggiunti durante il processo di fabbricazione per migliorarne la

qualità, e che sarebbe inutile togliere (manganese,silicio)

• elementi sempre presenti come impurezze che non si riescono ad eliminare

completamente (zolfo, fosforo)

• inclusioni non metalliche

• atomi di gas presenti come interstiziali (idrogeno, azoto)

• elementi volutamente aggiunti per migliorare alcune specifiche proprietà degli acciai

(cromo, nichel, molibdeno, ecc.).

Transizione duttile-fragile

Indipendentemente dallo sforzo di snervamento, sotto una certa temperatura critica gli acciai

tendono a diventare fragili (scarsa resistenza alle sollecitazioni dinamiche). La temperatura di

transizione duttile-fragile era in passato prossima alla temperatura ambiente, creando gravi

problemi; oggi gli acciai hanno una temperatura di transizione di alcune decine di gradi sotto lo

zero.

Acciai da costruzione di uso generale: Rappresentano circa l'80% della produzione di

acciaio. E’ proprio in questo campo che sono stati conseguiti negli ultimi anni i maggiori progressi.

Per questi acciai non è previsto in genere controllo di composizione chimica; vengono posti in

opera allo stato grezzo di laminazione a caldo. Viene richiesto che possiedano un determinato

valore dello sforzo di snervamento (o rottura) in alternativa di un’altra particolare caratteristica

(saldabilità, stampabilità, ecc.).

Gli acciai da costruzione di uso generale possono essere suddivisi in:

- acciai di base: Prodotti con cicli tecnologici di tipo semplice; Posti in opera allo stato

grezzo di deformazione a caldo. Designati in base alle caratteristiche meccaniche o in base

all'impiego

- acciai di qualità: sono acciai nei quali, attraverso l'aggiunta di microleganti (alluminio,

niobio, azoto, vanadio, titanio), in tenori inferiori allo 0,01%; l'introduzione di innovazioni nel

ciclo produttiva (laminazione controllata, tempra in linea) permettono miglioramento di

caratteristiche quali: sforzo di rottura e di snervamento, saldabilità, tenacità o di altre

proprietà particolari quali: stampabilità, resistenza alla corrosione atmosferica.

Tramite interventi di tipo impiantistico (ad alto costo di investimento) si possono produrre

acciai con costo unitario di materie prime basso (maggior concorrenza internazionale).

Fra le varie classi di acciai di qualità, meritano di essere segnalati i seguenti: acciai ad

elevata resistenza e tenacità, acciai per tondino da cemento armato temprati in superficie,

acciai per laminati piani da profondo stampaggio, acciai Cor-Ten resistenti alla corrosione

atmosferica.

L'uso di acciai di questo tipo consente:

- di realizzare un dimensionamento inferiore di alcune strutture (ad esempio mentre in

passato gli acciai saldabili più usati avevano uno sforzo di snervamento di circa 250 MPa,

oggi un buon acciaio saldabile microlegato ha uno sforzo di snervamento di 450 MPa)

- di eliminare i trattamenti finitura, che comportano rilevati costi aggiuntivi

- di utilizzare in numerose applicazioni acciai di qualità microlegati (di basso costo) in luogo

di acciai speciali da costruzione (più costosi) che necessitano inoltre di trattamento termico

- CorTen: gli acciai CorTen sono in grado di rivestirsi di uno strato massivo e aderente di

ossido di ferro, che non rende necessaria una ulteriore forma di protezione (verniciatura,

zincatura)

Acciai speciali da costruzione: sono acciai al solo carbonio oppure debolmente legati, destinati

ad essere posti in opera dopo trattamento termico di tempra seguito da opportuno rinvenimento. In

questo modo acquisiscono il miglior compromesso delle proprietà di resistenza e tenacità o altre

proprietà specifiche. Le principali applicazioni sono in genere la costruzione di componenti

meccanici soggetti ad elevate sollecitazioni.

Acciai inossidabili: Fe + C + Cr >12% (+Ni, +Mo)

Caratteristiche: alta resistenza alla corrosione, autenitici, ferritici, martensitici

Composizione: Elemento di lega principale: Cr > 12% a passivabilità (sulla superficie dell’acciaio

si forma un film a base di ossido di cromo che lo protegge dalla corrosione). Altri elementi di lega:

Ni, Mo, Ti, N, migliorano specifiche proprietà (resistenza corrosione localizzata, caratteristiche

meccaniche, tenacità, ecc.)

Struttura: possono assumere tre diverse strutture (tipi di reticoli cristallini):

- Austenitica: cubica facce centrate (c.f.c. = Fe-γ) fase non magnetica

- Ferritica: cubica a corpo centrato (c.c.c. = Fe-α) fase magnetica

- Martensitica: tetragonale distorta fase magnetica

Il ferro subisce due trasformazioni allotropiche: α

- T ambiente ha struttura cubica corpo centrato (ferrite Fe- )

γ

- 911 °C si trasforma in cubico facce centrate (austenite Fe- )

- a 1491 °C si ritrasforma in cubico corpo centrato



γ α

La trasfomazione al raffreddamento Fe- Fe- può subire variazioni a seguito di:

- alta velocità di raffreddamento (tempra)

- presenza di elementi di lega che abbassano la T di trasformazione (nichel)

Proprietà:

Tipologie: gli acciai inossidabili sono probabilmente il materiale metallico di maggior interesse nel

campo del design; esistono almeno quattro diverse classi di acciai inossidabili (austenitici, ferritici,

martensitici, duplex austeno-ferritici). Ogni classe comprende a sua volta varie tipologie di acciai

inossidabili.Gli acciai inossidabili non sono immuni da fenomeni di corrosione

in particolare in presenza di cloruri (tipo acque ed atmosfere marine). La scelta ottimale della

classe e della tipologia di acciaio ottimale dipende dalle proprietà volute e richiede notevole

attenzione.

Ghise: sono leghe ferro-carbonio (2,5-4%) contenenti in genere anche silicio, in cui il carbonio è

presente come cementite Fe3C (caso raro) o come particelle di grafite (costituite da solo carbonio)

Vantaggi:

- fondono con facilità e possono essere colate anche in forme complesse

- hanno buona resistenza alla corrosione atmosferica

- costano relativamente poco

Svantaggi:

- hanno basse caratteristiche meccaniche e sono fragili

- non lavorabili per deformazione plastica né a freddo né a caldo

Hanno comunque notevoli potenzialità di impiego, che ne determinano il largo uso.

Le ghise vengono classificate in dipendenza della condizione nella quale si presenta il carbonio

(cementite o grafite) Alluminio e sue leghe

Caratteristiche principali:

- numero atomico 13

- densità 2,71 g/cm3

- punto di fusione 660°C

- struttura cristallina a temperatura ambiente c.f.c.

- è un metallo facilmente riciclabile

- ha anche altre proprietà di notevole interesse, specifiche delle varie classi di leghe

Leggerezza e resistenza

La caratteristica di maggiore importanza dell'alluminio e delle sue leghe è costituita dalla

leggerezza. La densità pari a circa 1/3 dell'acciaio ciò è importante soprattutto nei settori di

impiego aeronautico e aerospaziale, più recente nel campo automobilistico. La possibile (futura)

alternativa è l’uso di compositi rinforzati con fibre di carbonio.

La leggerezza tipica dell’alluminio unita alla rigidezza tipica dei metalli lo rende interessante per

la realizzazione di svariati oggetti.

Estrudibilità e resistenza alla corrosione

La buona resistenza alla corrosione atmosferica, unità all’ottima estrudibilità ne permettono molte

applicazioni nel settore dell’edilizia (serramenti e rivestimenti).

Conducibilità termica ed elettrica

L’alluminio ha elevata conducibilità termica ed elettrica (migliore del rame a parità di peso), da cui

svariate applicazioni.

Classificazione

Per la classificazione dell'alluminio e delle leghe di alluminio vi sono diversi criteri; la

classificazione più usata (Aluminum Association) prevede una designazione a 4 cifre:

Prima: famiglia

Seconda: varianti da 1 a 9 rispetto alla lega base (cifra 0)

Ultime due: nella serie 1xxx il grado di purezza, nelle altre, la presenza di specifici elementi di lega

Per le leghe per getti è prevista una designazione a 3 cifre

Stati di fornitura

Lo stato di fornitura, che descrive la successione dei trattamenti termici e meccanici, segue la

designazione separata da un trattino; consiste in una lettera indicante lo stato metallurgico, seguita

da una o più cifre:

F: grezzo di laminazione

O: ricotto, cristallizzato

H: incrudito

W: temprato e invecchiato naturalmente

T: trattato termicamente

Resistenza alla corrosione

L'alluminio ha di per sé una buona resistenza alla corrosione, dovuta alla formazione di un sottile

film di ossido, non visibile, che si forma per contatto del metallo anche con l'atmosfera

che protegge il metallo da ulteriore corrosione. Se il film di ossido viene rimosso, in molti ambienti

si riforma immediatamente ed il metallo pertanto si auto protegge. In situazioni fortemente acide o

fortemente alcaline il film di ossido può disciogliersi o non riformarsi rapidamente determinando

corrosione: in questi casi l'alluminio dovrebbe essere adeguatamente protetto o non essere

utilizzato del tutto

Anodizzazione μ

Un rivestimento di ossido di alluminio di maggiore spessore (2,5-13 m) può essere formato con

un trattamento detto di anodizzazione, che consiste in una ossidazione chimica o elettrochimica in

soluzione acquosa contenente acido solforico. Questo processo produce un rivestimento duro,

resistente all'abrasione, trasparente e contenente pori submicroscopici: esso è la base ideale per

coloranti organici. La superficie anodizzata subisce poi un trattamento di

sigillatura dei pori per prevenire l'assorbimento di specie chimiche aggressive e la formazione di

macchie. Questa sigillatura viene spesso eseguita per immersione in acqua calda con eventuale

aggiunta di acetato.

Verniciatura

In alternativa all'elettrocolorazione, dopo anodizzazione e sigillatura, l'alluminio può essere

verniciato con tecniche usuali: questa finitura è oggi quella maggiormente utilizzata

nelle cosiddette “facciate ventilate”.

Titanio e sue leghe

Caratteristiche principali:

- È un materiale costoso (soprattutto le leghe) utilizzato quando sono richiesti:

o peso contenuto

o elevata resistenza alla corrosione

o elevate caratteristiche meccaniche

o densità 4,51 (g/cm3)

o E = 105 GPa

o R massimo 550 MPa (leghe 1500 MPa)

- T ambiente struttura e.c. (fase )

- 885 °C struttura c.c.c. (fase )

- Settori di impiego: aeronautico, aerosp