LE CARATTERISTICHE DEI MATERIALI

Le caratteristiche meccaniche

Prova a trazione

Consiste nel sottoporre un provino del materiale da esaminare, ad allungamenti programmati tramite una apposita macchina in grado di misurare lo sforzo applicato per provocare un dato allungamento. Lo sforzo (σ), detto tensione o carico unitario, rappresenta la forza applicata sull’unità di superficie e viene misurata in N/m². le deformazioni vengono descritte tramite l’allungamento specifico (ε), dato dal rapporto dimensionale tra la variazione di lunghezza e la lunghezza iniziale (ΔL/L₀).

Sulla curva sforzo-allungamento sono riconoscibili dei tratti caratteristici:

OA: andamento rettilineo, c’è proporzionalità diretta tra l’allungamento specifico e lo sforzo necessario per ottenerlo; le deformazioni sono elastiche.
AA': comportamento elastico, ma senza proporzionalità.
B: snervamento, deformazione permanente.
BC: aumento dello sforzo.
CD: diminuzione dello sforzo.
D: rottura.

Ogni materiale presenta un grafico diverso; per esempio, i solidi ionici hanno un modulo di Young molto elevato (ε ═ ΔL/L₀), per cui avviene la rottura prima di arrivare alla deformazione plastica; alcune gomme e gli elastomeri hanno modulo di YOUNG molto basso, per cui si avranno basse tensioni per grandi allungamenti.

La durezza e la resilienza

La durezza di un materiale si definisce la resistenza che un materiale oppone a una deformazione permanente della sua superficie provocata dalla penetrazione di un corpo. Per misurare la durezza si usano penetratori di forma opportuna che vengono spinti sulla superficie del materiale in esame, misurando le deformazioni conseguenti. I metodi più usati sono il metodo Brinell, il Vickers, e il Rockwell. La durezza determinata con ilo metodo Brinell è consigliata per materiali molto duri; la Rockwell viene usata sugli acciai temperati.

La resilienza rappresenta la capacità di resistere agli urti. I materiali che presentano elevata durezza presentano anche bassissima resilienza. Consiste nel sottoporre un provino ad un urto causato da una mazza a caduta pendolare. Si lascia cadere la mazza da un’altezza sufficiente a rompere il provino. La misura ella resilienza è data dal rapporto tra l’energia consumata nella rottura e la sezione del provino, misurata in Kg_f · m / cm².

I materiali ferrosi

I metalli sono caratterizzati dalla particolare struttura cristallina per cui gli elettroni non sono rigidamente associati a nuclei nei rispettivi atomi, ma sono liberi di muoversi. Questa caratteristica determina elevata conducibilità elettrica e termica. A temperatura ambiente si presentano allo stato solido; hanno elevato peso specifico, sono malleabili, duttili e opachi. I metalli puri vengono usati poco, sono più usate le leghe.

Caratteristiche e classificazione degli acciai

Vengono definiti acciai le leghe ferro-carbonio che contengono una percentuale massima di carbonio dell’1,78%. è possibile modificare le proprietà meccaniche tramite opportuni trattamenti termici. Oltre a ferro e carbonio possono essere presenti altri leganti: cromo, nichel, molibdeno; vengono aggiunti per impartire determinate caratteristiche

speciali.

Trattamento	Caratteristiche e scopi
Tempra	Consiste nel riscaldare l’acciaio, si ha un raffreddamento più o meno rapido. Consente di ottenere elevata durezza e grande resistenza meccanica, a scapito della resilienza.
Rinvenimento	Viene effettuato per attenuare gli svantaggi della tempra, riscaldamento a temperature relativamente basse. Consente di abbassare la fragilità acquisita all’acciaio dopo la tempra.
Ricottura	Si effettua riscaldando a temperature vicine a quelle critiche, mantenendo il tempo necessario per il completamento delle trasformazioni e raffreddamento molto lentamente. Consente di eliminare gli effetti di trattamenti precedenti, nonché le tensioni interne.
Bonifica	L’insieme dei trattamenti di tempra e bonifica.

Acciai	Impieghi più comuni
Acciai comuni al carbonio	Sono soggetti a corrosione, possono essere facilmente riparati grazie alla grande saldabilità. Alle temperature più elevate aumenta la velocità di corrosione e cadono le caratteristiche di resistenza meccanica; alle temperature più basse aumenta la fragilità.
Acciai debolmente legati	Gli acciai al nichel e manganese vengono utilizzati a temperature basse sino a 120 °C, acciai al cromo e altri come molibdeno o vanadio vengono utilizzati sino a 400 °C.
Acciai inossidabili austenitici	Oppongono una buona resistenza agli ambienti corrosivi ossidanti. Assolutamente da evitare per gli ambienti riducenti.Indicato per gli impianti di produzione di HNO₃ e H₂SO₄.
Acciai inossidabili martensitici	Presentano resistenza alla corrosione inferiore agli acciai austenitici, vengono impiegati in ambienti meno aggressivi. Opportunamente trattati raggiungono elevatissimi valori di resistenza a trazione, sono adatti per gli impieghi ad alte pressioni.
Acciai inossidabili ferritici	Resistono in maniera eccellente all’ossidazione ad alta temperatura. Non sono ideali per gli acidi riducenti come HCl, mentre resistono meglio all’ HNO₃.

Le ghise

Le ghise sono leghe ferro-carbonio con percentuali di carbonio che in pratica vanno dal 1,7% al 4,5%. Presentano resistenza a trazione molto più bassa degli acciai, mentre resistono meglio alla compressione. Hanno un elevata durezza e facilità con cui possono essere foggiate in stampi. Gli aspetti negativi sono: la bassa resilienza, la resistenza alla corrosione, la lavorabilità alle macchine utensili; possono essere migliorate con l’aggiunta di leganti. Le ghise si suddividono in ghise grezze, ottenute direttamente dall’altoforno e ghise di qualità, ottenute dalla lavorazione di ghise grezze.

Tipo di ghisa	Caratteristiche principali
Ghisa sferoidale	Così chiamata in quanto il carbonio è presente sotto forma di piccole sfere la cui formazione è provocata dall’aggiunta di magnesio. Contiene anche silicio, manganese, nichel, fosforo e zolfo. Possiedono caratteristiche simili agli acciai. Vengono utilizzate per ingranaggi, ruote, ecc.
Ghise aciculari	Così chiamate per la struttura ad aghi che assicura una grande resistenza agli urti. Contengono anche silicio, manganese, fosforo e zolfo.
Ghise all’alluminio	Grande resistenza all’ossidazione ed alla corrosione da gas solforosi a caldo.
Ghise al cromo	Resiste all’ossidazione a caldo.
Ghise al molibdeno	Grande resistenza agli urti, alla flessione ed agli sbalzi termici.
Ghise al nichel	Presentano maggiore lavorabilità e possono essere saldate. Resistono alle alte temperature e dagli ambienti corrosivi

Leghe di rame

Hanno un’elevata conducibilità termica ed elettrica, vengono utilizzate nelle apparecchiature di scambio termico. Il rame metallico possiede una notevole resistenza alla corrosione, un’elevata resistenza alle atmosfere corrosive e all’acqua di mare, è altamente sconsigliato per gli acidi ossidanti e per l’ammoniaca.

Le leghe di rame più comune sono gli ottoni, i bronzi e leghe cupronichel. Gli ottoni sono leghe di rame e zinco (fino al 40%). Al variare della percentuale di zinco variano le caratteristiche della lega. Se la percentuale di zinco si mantiene sotto il 20% migliorano rispetto al rame le caratteristiche meccaniche. Sopra il 20% continuano a migliorare ma con scadimento della resistenza a corrosione.

I bronzi sono leghe di rame stagno. Possiedono caratteristiche meccaniche simili agli ottoni e caratteristiche di resistenza alla corrosione inferiore.

Le leghe cupronichel sono costituite da rame e nichel in percentuali dal 10% al 30%. Presentano la più elevata resistenza alla corrosione.