Corso di Laurea in Ingegneria Edile

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1 Dip. di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale Università Federico II di Napoli Corso di Laurea in Ingegneria Edile Corso di Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata (Prof. Fabio Iucolano) Materiali metallici non ferrosi: Alluminio e sue leghe Rame e sue leghe Titanio e sue leghe

2 I materiali metallici non ferrosi Gli acciai sono i materiali metallici più utilizzati al mondo per applicazioni strutturali, in quanto caratterizzati da: elevata resistenza meccanica elevata tenacità I metalli non ferrosi però possono avere migliori proprietà in termini di: leggerezza; duttilità e lavorabilità; resistenza alla corrosione; conducibilità termica ed elettrica. In particolare, per tali materiali può risultare vantaggioso, rispetto agli acciai, il rapporto i = Resistenza/Peso

3 I materiali metallici non ferrosi Alluminio e sue leghe Rame e sue leghe Titanio e sue leghe

4 L alluminio e le sue leghe L alluminio (Al) è tra gli elementi più diffusi sulla crosta terrestre ( 8%), ma presenta un elevatissima affinità nei confronti dell ossigeno, e quindi in natura lo si trova sempre sotto forma di ossidi e idrossidi. Tale forte affinità rende non sufficiente, ai fini della separazione, un processo di riduzione «tipo altoforno» (i cui primi rudimentali esemplari risalgono intorno al 1300), e dunque solo molto più tardi (intorno al 1900) l uomo ha imparato ad estrarre l alluminio dai minerali in cui era contenuto, mediante una tecnica denominata «Processo Bayer». La materia prima per la produzione di alluminio è un minerale chiamato bauxite.

5 Proprietà fisiche e meccaniche dei principali metalli

6 Le principali proprietà dell alluminio bassa densità leggerezza; resistenze meccaniche basse, ma migliorabili mediante aggiunta di elementi di lega; si ottengono così le leghe leggere (δ 3g/cm 3, σ R 500 MPa alto rapporto resistenza/peso); buona duttilità e facilità di lavorazione; elevata conducibilità elettrica e termica; buona resistenza alla corrosione, mediante formazione spontanea di uno strato di ossido di alluminio (pochi μm di spessore). Lo spessore di tale strato può essere incrementato (fino ad una decina di μm) mediante un processo elettrochimico di anodizzazione. Tutte queste caratteristiche fanno si che le leghe leggere siano molto apprezzate nel settore dei trasporti e dell edilizia (infissi, pareti divisorie, coperture), rendendolo il secondo materiale metallico al mondo in termini di produzione (circa 15 milioni di ton/anno).

7 L alluminio e le sue leghe - Campi di applicazione -

8 L alluminio e le sue leghe - Campi di applicazione -

9 Il rame e le sue leghe Il rame (Cu) è un elemento poco presente sulla crosta terrestre ( 63 ppm), e tuttavia, insieme all oro, è stato uno dei primi metalli ad essere conosciuto ed utilizzato dall uomo (età del rame a.c.), grazie alla facilità di estrazione ed alla facilità con cui forma leghe. Inizialmente il rame non poté competere con la pietra per usi strumentali, a causa dell eccessiva duttilità e delle scarse resistenze meccaniche. In seguito fu scoperta, per caso, una lega rame-stagno (bronzo) che aveva invece ottime proprietà meccaniche (età del bronzo a.c.) Leghe del rame Bronzo (Cu + Sn) con Sn 10% Ottone (Cu + Zn) con 5% < Zn 40%

10 Proprietà fisiche e meccaniche dei principali metalli

11 Le principali proprietà del rame ha una densità superiore al ferro; basse R meccaniche, «relativamente» migliorabili con l aggiunta di elementi in lega; elevata conducibilità elettrica e termica; facilità di formatura ed elevata deformabilità sia a caldo che a freddo; facilità di entrare in lega con vari metalli; buona resistenza alla corrosione: esposto all aria forma spontaneamente una patina protettiva (ossido o solfato di rame); è «batteriostatico», cioè combatte la proliferazione dei batteri sulla sua superficie. Tutte queste caratteristiche fanno si che il rame venga utilizzato nel settore dell edilizia per realizzare impianti elettrici, tubazioni per acqua potabile, grondaie, pluviali, lastre per coperture.

12 Esempi di patine del rame Cuprite: Cu 2 O Brochantite: Cu 2 SO 4 (OH) 6 Nantokite: CuCl

13 Esempi di patine del rame

14 Il rame e le sue leghe - Campi di applicazione - Coperture Lattoneria Tubazioni

15 Il rame e le sue leghe - Campi di applicazione - Campanile di S. Marco, Venezia

16 Il rame e le sue leghe - Campi di applicazione - Cupola della Chiesa di S. Maria della Salute, Venezia

17 Il rame e le sue leghe - Campi di applicazione - Statua della Libertà, New York

18 Curiosità sul rame Lo sapevate che.l ascia dell uomo di Similaun vissuto nel 3200 a.c. era in rame?.l ottone (lega rame-zinco ) risale al 1000 a.c.?.il primo tubo di rame per l acqua potabile risale al 2750 a.c.? Fu rinvenuto nel tempio del re Sa-Hu-Re ad Abusir (Egitto) ed è attualmente custodito al Museo Statale di Berlino..già Servo Tullio (IV sec. A.C.) ordinò di coniare solo monete di rame, che poi chiamò pecuniae?

19 Il titanio e le sue leghe Il titanio (Ti) è un metallo piuttosto diffuso sulla crosta terrestre ( 0.6%, superato solo da Si, Al, Fe e Mg), e tuttavia viene utilizzato dall uomo da pochissimo tempo, perché il processo mediante il quale viene estratto dai suoi minerali (processo Kroll) è stato messo a punto intorno agli anni 50. Principali proprietà: eccellente duttilità ed ottimo rapporto resistenza/peso, avendo una resistenza meccanica paragonabile a quella degli acciai inossidabili, ma con circa la metà del peso (densità 4,51 g/cm 3 contro 7,86 g/cm 3 del ferro); eccellente resistenza alla corrosione (migliore di quasi tutte le altre leghe metalliche), perché forma uno strato protettivo di ossido di titanio; eccellente compatibilità biologica con ossa e tessuti umani; costi molto elevati (circa volte più degli acciai inox), che ne hanno inizialmente ristretto l utilizzo ai settori militare ed aeronautico.

20 Proprietà fisiche e meccaniche dei principali metalli

21 Impieghi del titanio - Sport e tempo libero -

22 Impieghi del titanio - Restauro architettonico - Il basso coefficiente di dilatazione termica e l elevata resistenza alla corrosione rendono possibile il suo accoppiamento con i materiali ceramici o lapidei e quindi il suo impiego nel restauro di beni architettonici e di opere d arte (Partenone, Eretteo, Colonne Traiana, Fontana di Trevi).

23 Impieghi del titanio - Restauro architettonico - Colonna Traiana, Roma

24 Impieghi del titanio - Restauro architettonico - Fontana di Trevi, Roma

25 Impieghi del titanio - Restauro architettonico - Partenone - Atene - Loggia delle Cariatidi, Eretteo - Atene -

26 Impieghi del titanio - Architettura e Design - Guggenheim Museum, Bilbao

27 Impieghi del titanio - Arte: la titaniocromia - Autore: Pietro Pedeferri Mediante la formazione di strati di ossido (da 2nm fino a 2mm) ottenuti per via elettrochimica, le lastre di titanio possono assumere colorazioni molto differenti, in virtù dell interazione ottica tra la luce ed suddetti strati (iridescenza)

28 Leghe nichel-titanio - Leghe a memoria di forma - Si utilizzano in campo antisismico per realizzare sistemi dissipativi: l energia del terremoto irrompe nell edificio ma, invece di scaricarsi sulle strutture distruggendole, viene attratta e "dissipata" in una serie di speciali apparecchi, simili agli ammortizzatori delle auto. Tale effetto può essere spiegato immaginando una sorta di «superelasticità» del materiale: la sua struttura molecolare cambia sotto le onde del terremoto per tornare, subito dopo, com era prima. L effetto finale è quello di limitare notevolmente le forze trasmesse all edificio. Esempio: un sistema di dispositivi a memoria di forma è stato utilizzato come protezione sismica durante il restauro della Basilica di San Francesco d Assisi, in seguito al terremoto del 1997.

29 Dispositivo di ricentraggio con fili in lega Ni-Ti a memoria di forma

30 Leghe zinco-rame-titanio La lega di zinco-rame-titanio è un metallo con una base di zinco puro (purezza del 99,995%) e piccole percentuali di rame e titanio. Cu Ti Al Zn Min 0,08 Min 0,06 Max 0,015 Resto Max 1,00 Max 0,2

31 Leghe zinco-rame-titanio - Esempio di applicazione - Museo Ebraico di Berlino ( ) Arch. Daniel Libeskind

32 Leghe zinco-rame-titanio - Esempio di applicazione - Museo Ebraico di Berlino ( ) Arch. Daniel Libeskind L edificio é realizzato in calcestruzzo armato, isolato con una facciata ventilata il cui strato esterno è costituito da lastre metalliche in lega di zinco-titanio dello spessore di 8 mm.