Materiali metallici non ferrosi

Percorsi Abilitanti Speciali Classe A016 Costruzioni, Tecnologia delle costruzioni e Disegno Tecnico Materiali metallici non ferrosi Roma, 11 aprile 2014 10

Tavola periodica degli elementi Numero atomico (Z) Massa atomica relativa (Ar) Elettronegatività Valenze Gas Liquidi Solidi Preparati artificialmente Elementi di transizione 02

Alluminio Non essendo un materiale presente in natura allo stato nativo, l alluminio è stato isolato dall allumina (che è un composto della bauxite) per la prima volta nel 1925 dal chimico danese Hans Christian Oersted: dopo l acciaio, l alluminio è attualmente il metallo più utilizzato nelle costruzioni. Dato che da 4 tonnellate di bauxite si ottiene soltanto 1 tonnellata di alluminio, l industria dell alluminio è tra le più avanzate nella tecnica del riciclaggio delle materie prime seconde. Avendo l alluminio puro (punto di fusione 660 C) ottenuto dal minerale della bauxite caratteristiche meccaniche modeste, viene combinato in leghe con il magnesio, lo zinco, il silicio e il rame. Le leghe commercialmente più diffuse sono quelle della serie 6000 ovvero: 1. il duralluminio, con il 4% di rame; 2. l aluman, con l 1,5% di manganese; 3. l anticorodal, con lo 0,6-0,8% di manganese, lo 0,6-0,8% di magnesio, lo 0,9-1,15% di silicio; 4. l alumag, con lo 0,5-5% di magnesio. In queste leghe risultano migliorate le caratteristiche di resistenza meccanica, duttilità, lavorabilità, resistenza alla corrosione. A questa classe appartengono le leghe per i profilati utilizzati in serramentistica (lega 6060). Minerale della bauxite. Cava dismessa di bauxite, Otranto Lecce (I). 03

Alluminio La sua resistenza meccanica varia a seconda degli elementi con cui è legato: si tratta comunque di un materiale con valori molto vicini a quelli dell acciaio con il vantaggio di essere molto più leggero (2.700,0 kg/m 3, circa 1/3 dell acciaio) e di avere una maggiore resistenza alla corrosione. L alluminio in edilizia viene utilizzato per la realizzazione di infissi, curtain-walls, manti di copertura e rivestimenti di facciata, controsoffitti, etc.: fogli di alluminio vengono utilizzati anche per la realizzazione di barriere al vapore e finiture di coperture piane non praticabili. Massa volumica 2.700 kg/cm 3 Temperatura di fusione 658 Carico di rottura Carico di snervamento Caratteristiche dell alluminio. 15,0 kg/mm 13,0 kg/mm Allungamento percentuale 8% Modulo di elasticità 650.000 kg/cm 2 Coeff. dilatazione termica 0,000024 Francesco Simeoni, Edificio commerciale e direzionale, Rovereto (TN) 2001. 04

Titanio Il titanio è un metallo bianco argenteo, dotato di proprietà analoghe a quelle dello stagno. Scoperto da Martin Heinrich Klaproth nel 1795 è stato isolato da Justus von Liebig nel 1831, che lo ottenne dal rutilo. Tra i metalli, è al quarto posto per abbondanza sulla crosta terrestre. A partire dagli anni Cinquanta, grazie ad un processo di estrazione efficace, si sono sviluppate due categorie di materie prime: 1. titanio commercialmente puro (Ti>99%), indicato con la sigla ASTM CP; 2. leghe di titanio, con una percentuale di titanio di 80-98%, unito ad alluminio, vanadio, stagno, cromo o altri elementi di lega. Le caratteristiche principali del titanio sono: - bassa densità, quindi leggerezza; - elevata resistenza alla corrosione, all abrasione, all impatto, al taglio e ai raggi UV; - elevata inerzia termica e buona resistenza al calore; - lavorabilità e saldabilità di buon livello; - non inquinante, non tossico e riciclabile. Minerale di rutilo e ilmenite. 05

Titanio I settori di impiego di elezione del titanio sono il navale e l automobilistico, dove è utilizzato soprattutto per le bielle e altre parti dei motori che sfruttano le caratteristiche fisiche, meccaniche e di resistenza alla corrosione di questo metallo, ed il settore della bioingegneria, che sfrutta la leggerezza, resistenza e biocompatibilità del titanio per realizzare protesi mediche. Inoltre è largamente impiegato per la produzione di armi (proiettili, missili, etc.). Infine, in architettura è impiegato soprattutto come involucro di rivestimento sotto forma di lastre, doghe e lamiere con spessori di circa 0,5 mm. Studio Busman& Habenern Wall Raf Richartz Museum, Koln (D) 2001. Building Design Partnership Centro nazionale delle Scienze, Glasgow (UK) 2003. 06

Frank O. Gehry, Guggenheim Museum, Bilbao (E) 1997 Oltre all articolata composizione volumetrica, il vero protagonista del Guggenheim Museum è il titanio: le 30.000 lastre da 0,3 mm di spessore ricoprono gran parte delle superfici esterne e caratterizzano l aspetto della famosa architettura. 07

Frank O. Gehry, Guggenheim Museum, Bilbao (E) 1997 Il titanio necessario a realizzare il rivestimento è stato estratto in Australia, fuso in Francia, laminato negli Stati Uniti, decappato in Gran Bretagna e assemblato in Italia, prima di essere trasportato in Spagna. 08

Rame Ricavato dalla calcopirite, dalla calcosina e dalla cuprite (minerali di scarsa qualità a base di zolfo), il rame è tra primi metalli lavorati dall uomo (V sec. a.c.). Trattandosi di un materiale molto duttile viene essenzialmente lavorato per estrusione (fili e barre) e per laminazione (lamiere e tubi). A seguito del primo attacco degli agenti atmosferici sul rame si forma una patina protettiva che protegge il materiale da ulteriori azioni aggressive: tale strato (Sali basici di rame di circa 10,0 µ di spessore detto verderame) conferiscono al rame dapprima il colore bruno e successivamente il tipico colore verde. In condizioni ambientali non aggressive possono essere necessarie decine di anni prima di raggiungere la colorazione verde mentre in condizioni ambientali aggressive, come vicino a stabilimenti industriali o alla costa marina, il verde rame compare anche dopo soli 3 anni. Minerale di calcopirite, calcosina e cuprite. 09 ASSOMET Associazione Nazionale Industrie Metalli non Ferrosi.

Rame Essendo un materiale caratterizzato da una elevatissima resistenza agli agenti atmosferici e chimici, una buona duttilità e un ottima lavorabilità, in edilizia il rame ha un impiego molto diffuso. In particolare, è impiegato per la realizzazione di: 1. manti di copertura e rivestimenti di facciata (spessore 0,6 mm); 2. tubi per impianti termici e idrosanitari (spessore 0,5-0,8 mm); 3. tubi (spessore 0,5-0,8 mm); 4. opere di lattoneria, quali gronde, scossaline, converse, etc. (spessore 0,5-0,8 mm); 5. accessori, quali cimase, scossaline, etc. (spessore 0,5-0,8 mm). Tubazioni e rivestimenti in rame. 10

Piombo, stagno e zinco Il piombo, la cui diffusione è dovuta al suo punto di fusione particolarmente basso (327 C), data la sua elevata deformabilità a freddo (è detto metallo molle) e la sua modesta resistenza meccanica, è utilizzato esclusivamente per la fabbricazione di tubi, elementi di raccordi per gli apparecchi sanitari, piastre di ripartizione e di raccordo. Lo stagno, oltre ad essere impiegato per la formazione di leghe, non si altera all aria e quindi viene utilizzato soprattutto per proteggere superfici metalliche corrodibili e nelle saldature a bassa temperatura. Lo zinco (punto di fusione 420 C) si ricava per ossidazione e cottura da una minerale argillosocalcareo solforoso povero di zinco (ZnS). Allo stato puro, non lega con altri elementi, ha una scarsa resistenza meccanica, una elevata fragilità e assume un comportamento duttile tra i 120-200 C, diventando molto lavorabile e laminabile a caldo: ha però un ottima resistenza alla corrosione e all attacco degli agenti atmosferici. Proprio per questo in edilizia viene impiegato come protettivo dell acciaio e di altri metalli attraverso procedimenti di protezione catodica (zincatura a freddo e a caldo) e galvanizzazione. Viene impiegato anche per manti di copertura e rivestimenti di facciata, opere di lattoneria, accessori, etc. Copertura rivestita in lastre di piombo. 11

Ottoni e bronzi La facilità del rame a formare leghe con altri metalli ne ha esteso talmente l impiego che più del 50% viene utilizzato industrialmente nelle leghe. L aggiunta al rame dello zinco, nella misura del 5-40%, forma gli ottoni: le leghe contenenti soltanto rame e zinco sono dette ottoni comuni, quelle che contengono anche altri metalli sono dette ottoni speciali. L aggiunta al rame dello stagno, nella misura dell 1-30%, forma i bronzi. Le lamiere metalliche vengono generalmente stoccate in rulli detti coils per poi subire successivi livelli di lavorazione per arrivare agli spessori desiderati. Rivestimento di facciata in lega zinco-rametitanio (nome commerciale Rheinzink) [Frank O. Gehry, Vitra, Basilea (CH) 1999]. 12

Materiali metallici Andrea Pisano, L arte del fabbro, Firenze 1336. Diego Velazquez, La Fucina di Vulcano, Madrid 1630 Efesto (Vulcano per i romani) era il dio del fuoco e il fabbro degli dei. 13 Metallo Massa volumica Temperatura di (kg/m 3 ) fusione (C ) Colore Piombo (Pb) 11.340 327 Grigio azzurro Rame (Cu) 8.910 1.083 Rosso Nichel (Ni) 8.800 1.455 Grigio splendente Ferro (Fe) 7.860 1.535 Grigio Stagno (Sn) 7.300 232 Bianco splendente Cromo (Cr) 7.200 1.880 Bianco splendente Zinco (Zn) 7.200 420 Bianco azzurro Titanio (Ti) 4.500 1.725 Bianco argenteo Alluminio (Al) 2.700 658 Bianco argento Magnesio (Mg) 1.740 650 Bianco argenteo

Scala di Brinell La scala Brinell, proposta dallo svedese Johan August Brinell (1849-1925), è una scala di valori ricavati dalla prova di durezza dei materiali. Durante la prova viene esercitata una pressione di 15 secondi su di un metallo, tramite un penetratore di forma sferica con diametro di 1,0 cm che esercita un carico di 3.000 kg, per poi misurare il diametro dell'impronta lasciata. Il metodo Brinell prevede la possibilità di utilizzare un penetratore in acciaio temprato, in tal caso il valore di durezza è preceduto dalla sigla HBS, o in metallo duro quale il tungsteno, in tal caso il valore di durezza è preceduto dalla sigla HBW. Esemplificazione della prova di durezza richiesta dal metodo Brinell. Tester elettronico digitale per la prova di Brinell. 14

Scala di Rockwell La prova di durezza Rockwell, brevettata nel 1914 dagli statunitensi Hugh M. Rockwell (1890-1957) e Stanley P. Rockwell (1886-1940), si realizza con penetratori di forma sferica, realizzati in tungsteno, oppure conica, realizzati in diamante. La prova è eseguita secondo più stadi successivi di carico e determina la durezza in base alla deformazione elasto-plastica del materiale in esame: essenzialmente durante la prova la misura della profondità raggiunta è correlata con la misura di durezza. La misurazione può essere fatta con diverse scale ed è contrassegnata da sigle in funzione della forma e del materiale del penetratore e delle forze applicate. Le scale maggiormente utilizzate sono: - HRC (Hardness Rockwell Cone). Il penetratore è un cono di diamante con un angolo di apertura pari a 120 e raggio di raccordo 0,2 mm: questa scala è impiegata per materiali molto duri ovvero con valore di durezza Brinell HB > 200; - HRB (Hardness Rockwell Ball). Il penetratore è una sfera di tungsteno del diametro di 1,59 mm: questa scala è impiegata per materiali non eccessivamente duri ovvero con valore di durezza Brinell HB < 200. 120 1,59 mm Indentatore conico. Indentatore sferico. 15

Scala di Vickers La scala di Vickers, proposta da un gruppo di ricercatori dalla società britannica Vickers Ltd. nel 1924, viene ottenuta con una prova in cui il penetratore è costituito da un diamante a piramide retta a base quadrata: la misura che si ottiene è data dal rapporto tra il carico applicato e la superficie dell impronta. Le unità di misura della scala Vickers sono quindi quelle di una pressione ovvero di un carico su una superficie: il carico applicato varia da 1 a 120 kg. Questo sistema di valutazione della durezza consente un elevata precisione della misurazione anche se il sistema risulta costoso per la valutazione che può essere effettuata esclusivamente al microscopio. La scala Vickers fornisce dei risultati generalmente equiparabili, con la dovuta approssimazione, ai valori in scala Brinell. Esemplificazione della prova di durezza richiesta dal metodo Vickers. Diamante indentatore per le prove Vickers. 16

Scala di Vickers Metallo Durezza Vickers Oro 22 Argento 24 Ferro 30-80 Platino 41 Rame 47 Ghisa 145-280 Acciaio 120-160 Acciaio inossidabile 140-180 Bronzo 150-440 Diamante 8.400 Valori di durezza di alcuni metalli con la scala di Vickers (valore espresso in Newton. Il Newton N viene definito come la quantità di forza necessaria per imprimere a un kg di massa un accelerazione di un m al sec 2. Orientativamente 1 N = 0,1 kg). Durezza Vickers Durezza Brinell 100 95 150 143 200 190 250 238 300 284 350 331 400 379 450 423 500 471 600 564 650 610 700 656 Rapporto tra la scala di Vickers e la scala di Brinell. 17

Modulo di elasticità La deformabilità elasticità è una delle proprietà fondamentali di qualsiasi materiale e la sua conoscenza fornisce un dato essenziale per le sue applicazioni strutturali. Il modulo di elasticità viene definito come il rapporto tra la variazione di tensione longitudinale e la deformazione unitaria in direzione longitudinale prodotta dalla variazione di tensione e viene espresso in MPa. Se si sollecita un solido di lunghezza L così da avere una variazione di lunghezza ΔL allora la lunghezza dello stesso solido dopo la deformazione è pari a L+ΔL. Il rapporto tra la variazione di lunghezza e la lunghezza iniziale: ΔL/L = ε esprime la deformazione unitaria (ε) riferita all unità di misura della lunghezza originaria. La tensione unitaria (σ), definita da Augustin Cauchy (1789-1857) come il rapporto tra rottura sotto carico di un materiale e le sue dimensioni geometriche, è un valore caratteristico di ogni materiale e si esprime come: P = Pressione unitaria esterna; A = Superficie. σ = P/A (kg/cm 2 o N/mm 2 ) 18

Modulo di elasticità Dal rapporto tra la tensione unitaria e la deformazione unitaria si ottiene il modulo di elasticità ovvero: E = σ/ε (kg/cm 2 o N/mm 2 ) σ = sforzo ovvero la tensione unitaria; ε = allungamento unitario ovvero la deformazione unitaria. Il modulo di elasticità E, detto anche modulo di Young, è definibile anche come il carico P teorico capace di allungare un filo della sezione di 1,0 cm 2 fino al doppio della sua lunghezza iniziale. È importante sottolineare che si tratta di un carico P teorico perché, in effetti, nessun materiale da costruzione resiste a tale allungamento (l alluminio ha comunque un allungamento che è tre volte superiore a quello dell acciaio). La deformazione di un materiale dipende dal suo modulo di elasticità: a parità di carico supportato, un materiale con un modulo di elasticità maggiore si deforma meno ovvero è più rigido e solitamente anche più fragile. L acciaio ha un modulo di elasticità E pari a 210.000 N/mm 2. 19

Modulo di elasticità Metallo Modulo di elasticità E = N/mm 2 Carico di rottura a trazione Rm = N/mm Acciaio legato (34 Ni; Cr; Mo6) 220.000 1.100 Acciaio 210.000 500 Cor-Ten 206.000 500 Acciaio inossidabile 196.000 515 Titanio 196.000 345 Rame 122.000 200 Ghisa 120.000 125 Bronzo 113.000 350 Zinco 95.000 100 Alluminio 70.000 220 Piombo 5.000 25 Modulo di elasticità (Young) e carico di rottura a trazione di alcuni materiali metallici. 20

Rigidezza La rigidezza, ovvero la capacità che ha un corpo di opporsi alla deformazione elastica provocata da una forza applicata, dipende da materiale, forma e vincolo al contorno ed è direttamente legata al modulo di elasticità in quanto: k = Rigidezza; A = Area della sezione resistente; E = Modulo di Young; L = Lunghezza del corpo. k = AE/L La variazioni di rigidezza in alzata può provocare degli scompensi in caso di sisma: il piano debole o piano soffice è un meccanismo di collasso globale di strutture intelaiate che cedono a causa di un elevata differenza di rigidità tra piani contigui. Il collasso avviene molto rapidamente: negli edifici in cui si verifica questo tipo di meccanismo si può osservare che un piano sparisce mentre i piani superiori sono solo leggermente lesionati. 21

Modulo di elasticità Nel legno, in quanto materiale anisotropo, il modulo di elasticità assume valori differenti in funzione della direzione rispetto alla fibra e delle differenti specie: per l acciaio, viceversa, il modulo di elasticità è indifferente ad ogni altro fattore interno ed esterno. Per qualsiasi materiale il modulo di elasticità varia nel tempo. Prova a trazione di un campione metallico. 22

Legge di Poisson Legge di Poisson stabilisce che se n corpo e soggetto ad una trazione, oltre ad una elongazione nella direzione di azione della forza, si osserva una riduzione delle dimensioni trasverse; nel caso di una compressione si osserva invece un aumento delle dimensioni trasverse. Se si considera un cilindro di lunghezza L e raggio di base r, si osserva, nei limiti di elasticità del materiale che: Δr/r = v (Δl/l) = vε r = Raggio del cilindro; l = Lunghezza del cilindro; v = costante adimensionale positiva che dipende dal materiale, detta coefficiente di Poisson; ε = allungamento unitario ovvero la deformazione unitaria. Sperimentalmente si riscontra che v 0,5. Coefficienti di Poisson. Metallo Coefficiente di Poisson Vetro 0,25 Ferro 0,30 Acciaio 0,30 Rame 0,34 Ottone 0,35 Piombo 0,40 23

Fluage Le deformazioni cambiano col passare del tempo: gli elementi strutturali in legno, ad esempio, sottoposti a carichi di lunga durata (nell ordine dei 50 anni) possono rompersi a carichi pari al 60% di quelli risultanti da prove di breve durata. A tale proposito, il fluage (creep in inglese o scorrimento in italiano) indica il lentissimo scorrimento delle fibre nelle strutture inflesse con carico fisso nel tempo che porta ad un incremento della freccia elastica: questo fenomeno accomuna, tra gli altri, il legno al calcestruzzo armato. In quest ultimo materiale la deformazione lenta, detto anche scorrimento viscoso, si esaurisce in un periodo di tempo di circa tre anni. La deformazione lenta avviene per effetto di un carico costante nel tempo. 24

Resistenza a trazione Il diagramma tensioni-deformazioni nella prova a trazione di un acciaio dolce evidenzia tre periodi, ovvero: 1. un primo periodo di piccole deformazioni che aumentano in proporzione ai carichi [campo elastico (Legge di Robert Hooke, 1678)]; 2. un periodo definito di snervamento, con la rottura di parte delle fibre; 3. un periodo di grandi deformazioni (permanenti) che aumentano più rapidamente dei carichi fino ad aumentare anche in condizione di carico costante [campo plastico]. Dall esame del diagramma si possono individuare anche dei singoli punti limite ovvero: A. il limite di proporzionalità (Legge di Hooke); B. il limite elastico (che spesso coincide con il limite di proporzionalità) che indica il valore oltre il quale la deformazione cessa di essere elastica: è il limite entro il quale al cessare della tensione la deformazione si annulla; C. il limite di snervamento; D. il limite di rottura. L'allungamento di un corpo elastico è direttamente proporzionale alla forza di trazione applicata; allo stesso modo, la contrazione è direttamente proporzionale alla forza di compressione. Quanto detto vale entro il limite di deformazione elastica, definito come il limite di forza massima applicata entro il quale il corpo elastico, rilasciato, ritorna alle sue dimensioni precedenti; oltre questo limite i legami atomici si rompono e si riarrangiano determinando una deformazione permanente. 25

Tensione di rottura Tensione di snervamento σ = N/A Resistenza a trazione Legenda A = Limite di proporzionalità; B = Limite elastico; C = Limite di snervamento; D = Limite di rottura. Diagramma reale che considera la riduzione di sezione A=B C D Diagramma fittizio che considera inalterabile la sezione Legge di Hooke ( celliinosssttuv ovvero ut tensio sic vis) Allungamento elastico Snervamento Allungamento plastico ε = Δl/l 26

Resistenza a trazione Allungamento elastico Allungamento plastico Deformazione permanente Piani di scorrimento Se i carichi sono P = x e l allungamento è Δl = y, la deformazione elastica è x = y; 2x = 2y; etc. Visualizzazione dei fenomeni di strizione e rottura. Lesione 27

Resistenza a trazione Rappresentazione schematica dell evoluzione strutturale in un metallo policristallino sottoposto a deformazione plastica profonda. Legenda A. Struttura di partenza; B. Struttura moderatamente deformata; C. Struttura fortemente deformata; D. Frammentazione del grano coadiuvata dalla presenza di particelle di seconde fasi. A B C D 28

Coefficiente di sicurezza Ai fini della sicurezza strutturale è necessario: 1. evitare la formazione di deformazione permanenti; 2. non ammettere che una struttura sotto carico si snervi; 3. impiegare i materiali entro i limiti di elasticità lineare e, quindi, entro un limite di sicurezza ovvero entro una determina frazione del carico di rottura. La resistenza ammissibile, ottenuta applicando il coefficiente di sicurezza al carico di rottura, rappresenta quindi la frazione del carico di rottura entro il quale il materiale continua a fornire prestazioni controllate. I coefficienti di sicurezza variano da materiale a materiale e sono calcolati su base probabilistica. Il legno, ad esempio, a causa delle condizioni di vegetazione, delle qualità intrinseche e della modalità di lavorazione è un materiale eterogeneo: questo spiega perché nei calcoli strutturali si considerano resistenze ammissibili ai vari tipi di sollecitazione molto più basse delle resistenza a rottura. Coefficiente di sicurezza di differenti materiali. Metallo σr η Coefficiente di sicurezza σa Coefficiente di sicurezza (η) Acciaio 2,0-3,0 Calcestruzzo armato 3,5-5,0 Muratura un laterizio 5,0-6,0 Legno lamellare 8,0-10,0 Legno massello 10,0-12,0 Muratura in pietrame 10,0-15,0 29