ALCUNI ESEMPI DI METALLI. Prof. Sanna Luciano

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1 METALLI I metalli a temperatura ambiente si trovano allo stato solido (Eccettuato il mercurio che è liquido). Sono buoni conduttori di calore ed elettricità. Sono lucenti e non sono trasparenti alla luce. Le molecole dei metalli sono monoatomiche. 1

2 ALCUNI ESEMPI DI METALLI Piombo Uranio Argento Potassio Nichel Oro Ferro Platino Alluminio Rame 2

3 LEGHE METALLICHE Una lega metallica è costituita da due o più elementi chimici dei quali almeno uno è un metallo presente in quantità preponderante. 3

4 VALUTAZIONE DELLE PROPRIETA Tutte le proprietà fin qui elencate posso essere valutate e per ogni proprietà si può fare un confronto sulla base di prove unificate che consentono di fare una classifica tra materiali dello stesso tipo o diverso. Per esempio si può stabilire se un materiale è più duro di un altro oppure se ha una maggiore conducibilità elettrica ecc. 4

5 PROPRIETA DEI MATERIALI METALLICI Proprietà chimico strutturali Proprietà fisiche Proprietà meccaniche Proprietà tecnologiche 5

6 PROPRIETÀ CHIMICO STRUTTURALI Composizione chimica dei metalli Struttura cristallina Tipo di reticolo cristallino Resistenza alla corrosione Ossidazione 6

7 PROPRIETÀ FISICHE Massa volumica o densità Calore specifico Temperatura di fusione Conducibilità termica Conducibilità elettrica 7

8 PROPRIETÀ MECCANICHE Resistenza meccanica Resistenza a fatica Resistenza all usura Resistenza all urto o resilienza Durezza 8

9 PROPRIETÀ TECNOLOGICHE Duttilità Malleabilità Imbutibilità Estrudibilità Piegabilità Fusibilità e colabilità Saldabilità Truciolabilità Temperabilità 9

10 TRATTAMENTI TERMICI Per ottenere adeguate caratteristiche meccaniche e tecnologiche si può intervenire sui metalli trattandoli termicamente, cioè assoggettandoli a uno o più cicli termici di riscaldamento e raffreddamento. Questo comporta la modifica del reticolo cristallino e della loro struttura cristallina con conseguente modifica delle proprietà meccaniche e tecnologiche. I trattamenti termici sono riservati alle leghe metalliche e non ai metalli puri. 10

11 ESEMPI DI TRATTAMENTI TERMICI Tempra Rinvenimento Bonifica Ricottura 11

12 STRUTTURE RETICOLARI 1. Cubica a corpo centrato 2. Cubica a facce centrate 3. Esagonale compatta 12

13 STRUTTURE DEI METALLI (ACCIAI) 13

14 STRUTTURE DEI METALLI (ACCIAI) 14

15 STRUTTURE DEI METALLI (ACCIAI) 15

16 STRUTTURE DEI METALLI (GHISA LAMELLARE) 16

17 STRUTTURE DEI METALLI (GHISA SFEROIDALE) 17

18 APPLICAZIONE DEI CARICHI 18

19 CARICO STATICO 19

20 CARICO DINAMICO 20

21 FORZE PERIODICHE 21

22 FORZE CONCENTRATE 22

23 FORZE DI ATTRITO 23

24 ESEMPI DI SOLLECITAZIONI MECCANICHE Trazione Compressione Taglio Torsione 24

25 TRAZIONE 25

26 COMPRESSIONE 26

27 FLESSIONE 27

28 TAGLIO 28

29 TORSIONE 29

30 RESISTENZA A TRAZIONE La prova più importante è quella di trazione statica, dalla quale si ricavano le proprietà di resistenza, deformazione ed elasticità del materiale, cioè tutte quelle proprietà mediante le quali si classificano, si designano e si scelgono i materiali. 30

31 TIPI DI PROVETTE UNIFICATE 31

32 DIAGRAMMA DELLA PROVA DI TRAZIONE 32

33 COMPORTAMENTO A TRAZIONE DEI METALLI 33

34 RESISTENZA ALLA FATICA E la resistenza di un materiale sollecitato a carichi variabili in intensità. La resistenza a fatica risulta generalmente minore della resistenza a carichi statici. Nelle prove di fatica il provino è assoggettato a carichi variabili periodicamente 34

35 DIAGRAMMA DI WOHLER 35

36 36

37 PENDOLO CHARPY 37

38 CALCOLO DELLA RESILIENZA La resilienza è l inverso della fragilità, cioè quanto più grande è la resilienza tanto è minore la fragilità e viceversa. L unità di misura della resilienza è J / cm 2 e la formula per calcolare l indice di resilienza è: K=L / S 0 dove L= PxH-Pxh 38

39 TIPI DI PROVETTE 39

40 TEMPERATURA DI TRANSIZIONE 40

41 DUREZZA 41

42 DEFINIZIONE DI DUREZZA La durezza è la proprietà che hanno i materiali di resistere alla penetrazione di un corpo di materiale duro. In ogni caso più duro del materiale in esame 42

43 METODI DI VALUTAZIONE DELLA DUREZZA Brinell Vickers Rockwell 43

44 PROVA DI DUREZZA BRINELL 44

45 PROVA DI DUREZZA VICKERS 45

46 PROVA DI DUREZZA ROCKWELL 46

47 ESECUZIONE DELLA PROVA DI DUREZZA ROCKWELL 47

48 INDICE DI DUREZZA ROCKWELL C 48

49 INDICE DI DUREZZA ROCKWELL B 49

50 DUROMETRI Durometro è la macchina per eseguire le prove di durezza 50

51 CAMPI DI APPLICAZIONE DELLE PROVE DI DUREZZA 51

52 PROPRIETA TECNOLOGICHE 52

53 MALLEABILITA 53

54 MALLEABILITA / LAMINABILITA I materiali malleabili sono facilmente laminabili 54

55 DUTTILITA O TRAFILABILITA 55

56 ESEMPIO DI TRAFILATURA 56

57 IMBUTTIBILITA 57

58 ESEMPIO DI IMBUTTITURA 58

59 PIEGABILITA 59

60 ESEMPIO DI PIEGATURA 60

61 ESTRUDIBILITÀ 61

62 ESEMPIO DI ESTRUSIONE A B 62

63 FUSIBILITA O COLABILITA La fusibilità è l attitudine di un materiale a essere trasformato in prodotto finito (getto) mediante fusione. La colabilità è la proprietà dei metalli li quidi di riempire una forma ricopiandone l impronta. 63

64 ESEMPIO DI COLATA 64

65 SALDABILITA È l attitudine di un pezzo di un determi nato materiale a unirsi con un altro pez zo di uguale o diverso materiale, mediante fusione. Un materiale è ben saldabile se presenta alle temperature vicine a quelle di fusione un intervallo plastico o pastoso. Il passaggio da solido a liquido non deve cioè essere improvviso, ma avvenire gradatamente. 65

66 ESEMPIO DI SALDABILITA 66

67 TRUCIOLABILITA È l attitudine di un materiale a subire la vorazioni con asportazione di truciolo mediante apposito utensile da taglio (utensile da tornio, fresa, punta da tra pano ecc.). Sono truciolabili: le ghise grigie, gli ac ciai in particolare quelli al piombo (acciai automatici), i bronzi e le leghe leggere. Non sono ben truciolabili: le ghise bianche e gli acciai temperati, Prof. perché Sanna Luciano durissimi. 67

68 ESEMPIO DI TRUCIOLATURA 68

69 TEMPRABILITA È l attitudine delle leghe metalliche a subire trasformazioni della struttura cristallina a seguito di riscaldamenti segui ti da raffreddamenti. Il cambiamento di struttura comporta variazioni sensibili delle proprietà meccaniche e tecnologiche dei materiali. 69

70 PROCESSO SIDERURGICO INTEGRALE 70

71 Produzione della ghisa La ghisa è una lega di ferro e carbonio. Il carbonio è contenuto nella ghisa in percentuali varianti tra 208% e 6,69%. Le ghise più comuni sono quelle contenenti carbonio tra il 3% e il 4,5%. Il ferro non si trova allo stato puro in natura, ma sotto forma di minerali che con il carbone coke, sono le materie prime per la fabbricazione Prof. della Sanna Luciano ghisa. 71

72 MINERALI DI FERRO 72

73 FABBRICAZIONE DELLA GHISA Il minerale di ferro viene trasformato negli stabilimenti siderurgici, dove viene trasformato in ghisa negli altiforni. La ghisa è quindi il primo prodotto siderurgico che si ricava dai minerali di ferro. La ghisa viene ricavata in un forno che, per la sua altezza, viene detto altoforno. L altoforno si carica dall alto a strati alternati di minerale di ferro, carbone coke metallurgico, calcare. Il combustibile è costituito dal coke metallurgico che fornisce il carbonio che entra in lega con il ferro. Il calcare invece ha funzione di fondente e di scorificante. 73

74 ALTOFORNO 74

75 Essicazione / preriscaldamento Riduzione indiretta Riduzione diretta Combustione Desolforazione Carburazione Fusione Uscita loppe Uscita ghisa 75

76 Preparazione delle materie prime I minerali di ferro e di calcare vengono frantumati e agglomerati in pezzatura adattata al caricamento dell altoforno. Il carbone subisce una trasformazione (cokerizzazione) per eliminare i componenti non utili al processo siderurgico come catrame, benzolo, naftalina, gas. 76

77 Carica delle materie prime Le materie prime frantumate vengono caricate nel forno per mezzo di nastri trasportatori. 77

78 PRODUZIONE DELLA GHISA NELL ALTOFORNO La combustione del carbone agevolata da aria soffiata dal basso produce il calore necessario per fondere il minerale. Il ferro, fondendo, assorbe nel suo bagno il carbonio e diventa ghisa. 78

79 SCORIFICAZIONE Le impurità del minerale di ferro si me scolano con il calcare, formando una massa liquida detta scoria o loppa. La scoria galleggia sulla ghisa fusa e viene eliminata attraverso un foro nell altoforno. 79

80 COLATA DELLA GHISA Da una bocca inferiore dell altoforno si preleva la ghisa fusa che viene trasportata in acciaieria con un carro detto carro siluro. Oppure il metallo fuso viene colato direttamente per ottenere pani di ghisa. 80

81 CONVERSIONE DELLA GHISA IN ACCIAIO La ghisa che arriva in acciaieria viene prelevata con una secchia, detta siviera, dal carro siluro e versata in un grosso recipiente, detto convertitore. Nel convertitore L.D. viene insufflato ossigeno che sottrae il carbonio alla ghisa trasformandola in acciaio (affinazione). In un ciclo integrale, oltre al più diffuso processo al convertitore L.D., possono essere usati altri procedimenti di affinazione della ghisa (al forno Martin-Siemens, al convertitore O.B.M. ecc.). 81

82 COLATA DELL ACCIAIO Quando il tenore di carbonio è diminuito fino ai valori necessari per ottenere l acciaio, si sospende l insufflaggio di ossigeno. L acciaio così ottenuto viene versato nuovamente nella siviera da dove viene poi versato in apposite lingottiere (Colaggio in lingottiera). Esistono anche procedimenti più moderni che prevedono la colata continua, cioè la trasformazione diretta dell acciaio liquido in semiprodotti (brame, blumi e billette). 82

83 PREPARAZIONE ALLA LAMINAZIONE I lingotti di acciaio vengono trasportati, per mezzo di carri ponte, nei forni a pozzo per una operazione di riscaldo a 1300 C. L operazione di riscaldo dura per un periodo che va da 6 a 12 ore. 83

84 LAMINAZIONE E SBOZZATURA I lingotti, estratti dai forni a pozzo, sono trasportati sul piano a rulli del laminatoio sbozzatore e trasformati, dopo una serie di passaggi e ribaltamenti, in parallelepipedi di varie dimensioni, detti bramme, billette e blumi (semiprodotti). Dopo la laminazione, bramme, billette e blumi subiscono una operazione di pulitura delle superfici dalle scaglie di laminazione e quindi vengono trasportati a una cesoia per il taglio delle due estremità. 84

85 Il materiale, che nel frattempo ha subito un raffreddamento, viene nuovamente inserito in forni di riscaldo (forni a spinta) e quindi è avviato alla laminazione. Gli impianti di laminazione trasformano i semiprodotti in lamiere, barre, profilati, tondi ecc. I più importanti treni di laminazione, oltre a quello sbozzatore, sono: treno a caldo per lamiere grosse; treno a caldo per nastri e lamierini; treno a caldo per barre e profilati; treno a freddo per nastri e lamierini sottili. Nei tubifici le lamiere sono trasformate in tubi con saldature longitudinali o elicoidali. Altri impianti provvedono alla protezione superficiale dei lamierini in rotolo contro la corrosione, mediante un rivesti mento di zinco (zincatura continua) o di stagno (stagnatura elettronica). 85

86 IMPIANTO SIDERURGICO COMPLETO 86

87 Convertitori Bessemer e Thomas 87

88 Convertitori Linz e Donawitz 88

89 Procedimento al forno Martin 89

90 Il riscaldamento elettrico impiegato per la fabbricazione dell acciaio comporta numerosi vantaggi, quali: possibilità di raggiungere temperature molto elevate, facile regolazione della temperatura, pulizia del processo, assenza di azione chimica da una parte dell agente riscaldante, possibilità di lavorare al di fuori del contatto dell aria o anche in atmosfere artificiali, o nel vuoto. Il campo di applicazione del forno elettrico è vastissimo: con esso si possono produrre acciai di ogni tipo, è possibile l utilizzazione di rottami e l affinazione finale di acciai liquidi preraffinati con altri processi (Martin e L.D.). Con i forni elettrici si producono acciai di elevata purezza, e perciò la fabbricazione elettrica è in genere riservata agli acciai speciali. Forni elettrici 90

91 Prodotti siderurgici 91

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