Materiale metallico
Da TecnoLogica.
Descrizione
Si dicono metallici quei materiali costituiti principalmente da uno o più metalli, intendendo per metallo il gruppo di elementi chimici che si trovano sul lato sinistro della tavola periodica chimica.
Questi materiali, per quanto notevolmente eterogenei, hanno proprietà e caratteristiche comuni, quali:
- densità e punto di fusione abbastanza elevati;
- buona resistenza meccanica, duttilità e malleabilità;
- capacità di condurre calore e elettricità;
- elevata dilatazione termica;
- impermeabilità all'acqua e ridotta permeabilità al vapore;
- formazione ossidi se a contatto con l'ossigeno.
I metalli più utilizzati in edilizia sono:
- alluminio;
- cromo;
- ferro;
- nichel;
- piombo;
- rame;
- stagno;
- tungsteno;
- zinco.
Quando vengono utilizzati allo stato puro, i metalli vengono contraddistinti dal loro grado di purezza, espresso percentualmente. Ad esempio, Cu al 99% si riferisce ad un materiale metallico costituito da rame puro al 99%, e cioè caratterizzato da una frazione pari all'1% di impurità.
Altre volte, le impurità, o comunque altri materiali, vengono aggiunti allo scopo di migliorare alcune prestazioni dei metalli originari: questi, mischiati tra loro o anche con altri elementi non metallici, danno luogo alle leghe, che hanno caratteristiche anche profondamente diverse rispetto ai componenti di partenza, e vengono per questo motivo impiegate molto spesso nell'industria e nell'edilizia. Tra le leghe si hanno:
- acciaio al carbonio (ferro e carbonio);
- acciaio inox;
- bronzo;
- ghisa;
- leghe di alluminio
- ottone.
Caratteristiche
I metalli, e le leghe da essi composte, hanno delle configurazioni atomiche simili, e questo determina alcuni comportamenti affini.
In funzione dei meccanismi che vengono coinvolti, è possibile distinguere le caratteristiche chimiche da quelle fisiche.
Caratteristiche generali
I metalli e le leghe si presentano tutti, ad esclusione del mercurio, allo stato solido. A temperatura ambiente formano a livello atomico reticoli cristallini compatti e resistenti. Per tale motivo non è possibile distinguere ad occhio nudo alcuna presenza di grana, ed anzi appaiono alla vista omogenei.
La loro densità varia sensibilmente, ma è sempre superiore ai 2500 kg/m3, quindi abbastanza alta.
Anche la durezza varia notevolmente: i materiali più teneri, come l'alluminio puro, lo stagno ed il piombo, non superano 1.5 della scala di Mohs; zinco e argento raggiungono il grado di 2.5; rame (3.0) e ferro (4.0) si assestano su valori intermedi, mentre tungsteno (7.5) e cromo (8.5) raggiungono durezze decisamente elevate.
Sono materiali impermeabili all'acqua ed al vapore, anche se l'esposizione prolungata può deteriorarli notevolmente (→ Corrosione).
In genere sono estremamente duttili e malleabili, e questo consente loro di essere facilmente lavorati ed ottenere prodotti dalle forme più disparate.
Esposizione al calore
I materiali metallici tendono a riscaldarsi ed a raffreddarsi velocemente perché hanno un calore specifico abbastanza basso (in media di 420 J/Kg K). Questo comporta una dilatazione ed un conseguente accorciamento abbastanza evidenti (per esempio, una barra di tungsteno di un metro, riscaldata di soli 20°C, si allunga di 6 mm).
Anche la capacità di trasmettere il calore è molto elevata, con valori di conducibilità termica che vanno da un minimo di 35.3 W/mK del piombo ad un massimo di 490 W/mK dell'argento.
In generale, l'esposizione al calore accelera le reazioni di corrosione, e rende i materiali metallici meno resistenti alle azioni meccaniche, soprattutto se si avvicina al loro punto di fusione.
La seguente tabella riporta alcune proprietà relative all'esposizione al calore.
| Materiale | Punto di fusione [°C] | Calore specifico [J/kg K] | Dilatazione termica lineare [K-1] | Conduttività termica [W/mK] |
|---|---|---|---|---|
| Acciaio al carbonio | 1450÷1530 | 460 | 0.000012 | 54 |
| Acciaio inox | 1450÷1530 | 502 | 0.000017 | 16 ÷ 52 |
| Alluminio | 658.7 | 897 | 0.000024 | 237 |
| Alluminio (lega) | 550÷650 | 870 | 0.000023 | n.d. |
| Argento | 961.78 | 232 | 0.000019 | 490 |
| Bronzo | 900 | 380 | 0.000018 | 62 |
| Cromo | 1857 | 450 | 0.000008 | 93.7 |
| Ferro | 1535 | 440 | 0.000012 | 80.2 |
| Ghisa | 1160÷1300 | 460 | 0.000011 | n.d. |
| Ottone | 900 | 377 | 0.000019 | 111 |
| Piombo | 327.46 | 129 | 0.000029 | 35.3 |
| Rame | 1084.6 | 385 | 0.000017 | 390 |
| Stagno | 231.93 | 228 | 0.000027 | 66.6 |
| Tungsteno | 3422 | 130 | 0.000005 | 174 |
| Zinco | 419.52 | 390 | 0.000031 | 116 |
Esposizione ai campi elettromagnetici
(da compilare)
Esposizione alle sollecitazioni meccaniche
(da compilare)
Corrosione
Un fenomeno comune a tutti i metalli è quello della corrosione, cioè della predisposizione ad essere attaccati da agenti corrosivi che reagiscono chimicamente dando luogo a sostanze dalle caratteristiche profondamente differenti rispetto al metallo di partenza.
Nonostante esistano meccanismi differenti, i fenomeni corrosivi sono caratterizzati dal fatto che gli atomi di metallo cedono elettroni, ossidandosi. Gli atomi di metallo così ossidati possono disciogliersi in una soluzione, oppure ricombinarsi con atomi di ossigeno dando luogo ad un ossido, o legarsi ad un atomo non metallico generando un sale.
La propensione di un materiale metallico ad essere corroso dipende quindi dalla facilità con la quale i metalli cedono elettroni: tale caratteristica è detta nobilità. In altri termini, più un materiale è nobile meno esso tende naturalmente a cedere elettroni, e quindi a corrodersi. Di seguito si riporta un elenco di materiali metallici, dal meno al più nobile:
- Litio
- Sodio
- Magnesio
- Titanio
- Alluminio
- Manganese
- Zinco
- Cromo
- Ferro, acciaio al carbonio, ghisa
- Cadmio
- Nichel
- Stagno
- Piombo
- Rame
- Acciaio inossidabile
- Argento
- Mercurio
- Platino
- Oro.
Metalli poco nobili quindi si ossidano con facilità, ed è il motivo per cui in natura non vengono rinvenuti allo stato puro, ma sempre combinati con altri elementi chimici. Metalli molto nobili si corrodono con estrema lentezza e, allo stato puro, tendono a mantenersi inalterati per tempi anche molto lunghi. La velocità di corrosione però non dipende esclusivamente dalla nobiltà, ma anche dalla forma data al materiale: un pezzo di ferro di si corrode meno velocemente di quanto accade alla polvere di ferro della stessa quantità, perché la superficie a contatto con l'esterno è nel secondo caso di gran lunga superiore al primo.
A seconda del metallo e del tipo di corrosione, il fenomeno può proseguire nel tempo - fino al completo deterioramento - o arrestarsi. Nel primo caso, il prodotto della corrosione risulta avere un peso specifico maggiore rispetto al metallo corroso: questo comporta che il materiale ossidato, dovendo occupare lo stesso volume del metallo di partenza, o risulta essere molto poroso o si raggrinzisce fratturandosi. In entrambe le situazioni, il materiale sottostante, ancora intatto, viene esposto all'aggressione dell'agente, ed il processo si itera. È questo il caso della ruggine (ossidi di ferro), che si sfalda permettendo l'ulteriore degrado del ferro (o dell'acciaio al carbonio) sottostante, fino alla completa scomparsa del materiale iniziale. Nel secondo caso, il prodotto della corrosione ha un peso specifico maggiore, e quindi si presenta come una pellicola estremamente compatta e fortemente aderente al materiale sottostante, proteggendolo da ulteriori attacchi. Questo fenomeno, detto passivazione, blocca la corrosione arrestandola allo stato iniziale.
Metalli e leghe che di passivano naturalmente sono il rame, l'alluminio e l'acciaio inossidabile (quest'ultimo, a causa dell'aggiunta di cromo e nichel rispetto al normale acciaio al carbonio, forma uno strato protettivo di Cr2O3); ferro, acciaio al carbonio e ghisa sono invece soggetti ad una corrosione continua.
Per evitare il fenomeno, sono oggi disponibili diverse lavorazioni, tutte aventi come scopo quello di creare una pellicola superficiale protettiva che abbia caratteristiche di resistenza e di impermeabilità. Tra queste si annoverano:
- la passivazione e l'anodizzazione;
- la galvanizzazione, ed in particolare la zincatura;
- la placcatura, ed in special modo la ramatura, nichelatura e cromatura;
- la fosfatazione, soprattutto usata per la ghisa;
- la verniciatura antiruggine .
Esposizione all'ossigeno e all'acqua
Il tipo di corrosione più comune è quello che si verifica esponendo il materiale all'ossigeno, e quindi a tutte le sostanze che lo contengono. Comunemente ciò avviene quando il metallo è immerso in aria o in acqua, ed è quindi praticamente sempre presente nelle normali condizioni di utilizzo. La reazione che avviene può essere semplicemente schematizzata come:
M + O → Ossido di M,
dove M è il generico metallo attaccato, e O l'ossigeno.
Nel caso estremamente frequente del ferro e dell'acciaio al carbonio, le reazioni sono molteplici, in funzione della presenza di acqua e/o dell'ossigeno allo stato di gas:
3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2
2Fe + O2 + 2H2O → 2Fe(OH)2
4Fe + 3O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3
4Fe + 3O2 + 2H2O → 2Fe2O3•H2O
6Fe + 4O2 → 2Fe3O4.
La reazione di ossidazione del metallo aumenta (si estende e si velocizza) con l'aumentare della temperatura. L'azione di corrosione è generalizzata, cioè estesa all'intera superficie esposta.
Esposizione agli acidi (atmosfere aggressive)
Gli acidi inorganici che possono giungere a contatto con i metalli in condizioni di utilizzo sono di due tipi:
- gli idracidi, costituiti da idrogeno (H) e un non metallo (X) o un gruppo non metallico (lo ione cianuro);
- gli ossiacidi, costituiti da idrogeno (H), ossigeno (O) ed un non metallo (X).
In entrambi i casi, il contatto con un metallo M genera una reazione chimica schematizzabile come:
M + HX → M+ + X- + H
M + HOX → M+ + OX- + H
Se l'acido è in soluzione acquosa, lo ione M+ si solubilizza nell'acqua, e il metallo si discioglie. L'azione di corrosione è generalizzata, cioè estesa all'intera superficie esposta.
La passivazione chimica è un processo che può ridurre la dissoluzione dovuta agli acidi, soprattutto quando l'ossido che si forma è particolarmente impermeabile[1].
Esposizione alla galvanizzazione
Quando due materiali metallici con diversa nobiltà (predisposizione a cedere elettroni) sono posti vicini ed immersi in un elemento fluido conduttore di elettricità (detto elettrolita), come ad esempio l'aria umida o l'acqua, viene a crearsi un sistema elettrico detto cella galvanica (sul cui principio si basa l'invenzione della pila) per il quale si crea un flusso di elettroni da un metallo all'altro. In particolare, il metallo avente nobiltà inferiore perde elettroni, cedendoli spontaneamente all'elettrolita, che li trasporta e li deposita sull'altro metallo. Il primo metallo quindi si ossida, e cioè si corrode, mentre il secondo si riduce, cioè acquista elettroni e di conseguenza non si ossida. Questo fenomeno può essere schematizzato come:
M1+ → e- + M2,
dove M1 è il metallo a nobiltà inferiore che si ossida, M2 è quello a nobiltà superiore, e e- è l'elettrone trasferito. Il fenomeno è tanto maggiore quanto elevata è la differenza di nobiltà dei due metalli.
Un esempio tipico di corrosione galvanica (o corrosione per contatto galvanico) è quella che avviene negli infissi in alluminio (metallo che si ossida) ed il ferro o una sua lega, di cui sono costituite le viti e altre componenti, e che obbliga i produttori a proteggere i profili anodizzandoli.
Esposizione ai cloruri (atmosfere marine)
La presenza di cloruri, cioè di ioni di cloro Cl- (costituenti fondamentali del sale marino, NaCl) innesca in alcuni punti un meccanismo elettrochimico per il quale lo strato di ossido passivante presente a protezione di un materiale metallico si disgrega perché lo ione metallico presente nell'ossido si lega con quello di cloro, liberando ossigeno. In termini generali avviene che:
Cl- + MO → ClM + O
dove M è il generico metallo, e MO è l'ossido metallico protettivo dovuto alla passivazione. Questo processo rende corrodibili anche quei metalli e quelle leghe metalliche che si passivano naturalmente, come l'alluminio e l'acciaio inossidabile, oltre ad attaccare i materiali già esposti all'ossidazione continua (ferro, ghisa, acciaio al carbonio).
Questo tipo di disgregazione è localizzata, e prende il nome di corrosione per vaiolatura o corrosione per pitting (in inglese, pitting = vaiolatura), perché si manifesta con una serie di buchi sulla superficie dell'oggetto.
Il meccanismo corrosivo è complesso: le aree attaccate dal cloruro, di solito ristrette ad alcuni punti, vengono depassivate, cioè private dello strato protettivo. Questo provoca in superficie la presenza di ossidi ancora passivanti, che circondano aree depassivate; queste ultime hanno una maggiore predisposizione a cedere elettroni rispetto al contorno, e quindi fungono da anodi in un processo di corrosione galvanica localizzata, che si manifesta con l'apertura di crateri di ossidazione sempre più profondi, tali da comportare anche la foratura passante nel metallo.
Il fenomeno è responsabile della corrosione dei ferri di armatura del calcestruzzo, perché in esso possono facilmente penetrare gli ioni di cloro.
Lavorazioni
Grazie alle loro caratteristiche, i materiali metallici possono essere lavorati grazie a processi meccanici, termici ed elettrici.
La formatura dei pezzi può essere realizzata in diversi modi.
La fusione consiste nel rendere liquido il materiale e nel versarlo in stampi, permettendo di far assumere la forma voluta. Successivamente il fluido si raffredda e si solidifica; può quindi essere estratto dallo stampo e subire i successivi processi di lavorazione. La fusione, infatti, restituisce un pezzo grezzo e con diverse sbavature, che devono essere eliminate. La fusione permette di ottenere oggetti anche di grandi dimensioni, ma che devono successivamente essere sgrossati e rettificati.
La pressofusione permette di iniettare negli stampi (conchiglie) il materiale ad una pressione molto elevata (tra i 140 e i 1400 bar), permettendo di ottenere oggetti molto precisi e dalle forme estremamente articolate. Anche in questo caso l'oggetto che si ottiene deve essere lavorato per eliminare sbavature, ma il prodotto finito è in grado di rispettare tolleranze anche dell'ordine di 1/10 mm. La pressofusione è decisamente più costosa della fusione; è una lavorazione esclusivamente industriale (mentre la fusione può, in un certo senso, essere realizzata anche per via semiartigianale) e non è in grado di produrre oggetti di notevoli dimensioni.
Quando il materiale grezzo è di una forma non molto dissimile dal pezzo che si vuole ottenere, è possibile sagomarlo attraverso la forgiatura, consistente nel riscaldare il metallo per renderlo più lavorabile (ma mantenendosi al di sotto del punto di fusione) per conformarlo tramite martellatura o stampaggio. Anche se sottoposti a notevoli sbalzi termici e stress meccanici, i metalli mantengono pressoché inalterate le loro caratteristiche. Se il raffreddamento del prodotto finito avviene immergendolo in acqua fredda, si ottiene un metallo temperato, cioè un metallo a cui si è data la tempra: questo permette di avere materiali più resistenti alle sollecitazioni meccaniche.
La laminazione è una lavorazione che può essere eseguita tanto a caldo quanto a freddo, e consiste nell'ottenere una lamina metallica, cioè una piastra di spessore molto piccolo, realizzata facendo passare il pezzo grezzo (di solito una piastra, ottenuta per fusione) attraverso due cilindri ravvicinati. Diminuendo progressivamente la distanza si ottengono prodotti dello spessore sempre più ridotto. Gli spessori vengono di solito espressi in decimi di millimetro: una lamina da 20/10, ad esempio, misura 2 mm di spessore.
Realizzata quasi sempre a freddo è la trafilatura, un processo che consiste nel far attraversare il materiale grezzo, ma delle dimensioni quasi simili al prodotto che si vuole ottenere, attraverso una trafila, cioè un foro calibrato a tronco di cono che permette la riduzione dell'oggetto alla forma voluta. È utilizzata nella produzione di tubi, tondi e fili metallici, che vengono appunto detti trafilati. Sono caratterizzati da una grande precisione dimensionale ed un'ottima finitura superficiale.
Spesso i prodotti metallici utilizzati in edilizia vengono detti profilati, perché la loro caratteristica morfologica distintiva è, appunto, il profilo della sezione trasversale, essendo questi prodotti in travi o sbarre di lunghezza variabile; questi semilavorati sono ottenuti in diversi modi: tubi, barre e fili sono realizzabili tramite profilatura; elementi piatti possono essere prodotti grazie alla laminazione; profili complessi a doppio T, ad L, a C, possono essere invece ottenuti per estrusione, cioè costringendo il materiale entro una matrice che lo conforma nel modo voluto. Sono necessarie potenti presse idrauliche che azionano mandrini pressatori, in grado di imprimere la pressione sufficiente a procurare le deformazioni plastiche nel materiale informe (massello).
La produzione di oggetti concavi a partire da lamine metalliche si ottiene con una lavorazione detta imbutitura, cioè un insieme di stampaggio e tornitura grazie ai quali è possibile ottenere prodotti finiti mantenendo inalterato lo spessore di partenza.
(da completare)
Voci correlate
Note
- ↑ «…il ferro, il cobalto, il nichel, il cromo ecc. si ossidano, passivandosi, se immersi in acido nitrico concentrato o in permanganato o anche in acido cromico ecc.; i metalli così trattati non sono più capaci di disciogliersi negli acidi, né di spostare cationi più nobili dalle loro soluzioni, né di solubilizzarsi, se funzionanti da anodi in una cella elettrolitica».Voce passivazione dell'Enciclopedia on line Treccani.
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