Tecn_Metalli_4_non ferrosi.pdf

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Materiali metallici non ferrosi
Percorsi Abilitanti Speciali
Classe A016
Costruzioni, Tecnologia delle costruzioni e Disegno Tecnico
prof.
Adolfo
F.
L.
Baratta
Roma, 11 aprile 2014

02
Tavola periodica degli elementi
Massa atomica relativa (Ar)
Numero atomico (Z)
Elettronegatività Valenze
Gas
Liquidi
Solidi
Preparati artificialmente
Elementi di transizione
Percorsi Abilitanti Speciali – Classe A016
prof. Adolfo F. L. Baratta

03
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). Cava dismessa di bauxite,
Otranto Lecce (I).
Minerale della bauxite.

04
Alluminio
Caratteristiche dell’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/m3, 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/cm3
Temperatura di fusione 658°
Carico di rottura 15,0 kg/mm
Carico di snervamento 13,0 kg/mm
Allungamento percentuale 8%
Modulo di elasticità 650.000 kg/cm2
Coeff. dilatazione termica 0,000024
Francesco Simeoni, Edificio commerciale e direzionale, Rovereto (TN) 2001.

05
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.

06
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.

07
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.

08
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.

09
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.
ASSOMET Associazione Nazionale Industrie Metalli non Ferrosi.
Minerale di calcopirite, calcosina e cuprite.

10
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.

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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 argilloso-
calcareo 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.

12
Ottoni e bronzi
Rivestimento di facciata in lega zinco-rame-
titanio (nome commerciale Rheinzink) [Frank O.
Gehry, Vitra, Basilea (CH) 1999].
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.

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Materiali metallici
Metallo
Massa volumica
(kg/m3)
Temperatura di
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
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.

14
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.
Tester elettronico digitale per la prova
di Brinell.
Esemplificazione della prova di durezza
richiesta dal metodo Brinell.

15
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.
Indentatore conico.
120°
Indentatore sferico.
1,59 mm

16
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.
Diamante indentatore per le
prove Vickers.
Esemplificazione della prova di durezza
richiesta dal metodo Vickers.

17
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
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
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 sec2.
Orientativamente 1 N = 0,1 kg).
Rapporto tra la scala di Vickers e la scala
di Brinell.

18
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:
σ = P/A (kg/cm2 o N/mm2)
P = Pressione unitaria esterna;
A = Superficie.

19
Dal rapporto tra la tensione unitaria e la deformazione unitaria si ottiene il modulo di elasticità
ovvero:
E = σ/ε (kg/cm2 o N/mm2)
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 cm2 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/mm2.

20
Metallo
E = N/mm2
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.

21
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 = AE/L
k = Rigidezza;
A = Area della sezione resistente;
E = Modulo di Young;
L = Lunghezza del corpo.
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.

22
Prova a trazione di un campione metallico.
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.

23
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

24
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.

25
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.

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

27
Lesione
Visualizzazione dei fenomeni di strizione e rottura.
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.

28
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

29
Coefficiente di sicurezza
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.
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.
Coefficiente di sicurezza di
differenti materiali.
σr σa
η
Coefficiente di sicurezza
Metallo 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

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