Definizioni:

• Atomo: particella base della materia composta da protoni, neutroni, elettroni;
• Protone: particella subatomica dotata di massa e carica elettrica positiva;
• Neutrone: particella subatomica di massa pari a quella del protone e priva di  carica elettrica (neutra);
• Elettrone: particella subatomica di massa molto inferiore a quella del protone e carica elettrica negativa;
• Elemento chimico: specie atomica caratterizzata da un definito numero di protoni, neutroni ed elettroni; ad esempio l’ossigeno è composto da 12 protoni, 12 neutroni e 12 elettroni;
• Metallo: elemento chimico con caratteristiche metalliche ovvero lucentezza, conducibilità elettrica e termica, fusibilità, malleabilità.
• Lega: metallo composto da più elementi metallici e non metallici combinati tra loro secondo opportune percentuali.
• Lucentezza: tutti i metalli presentano, se puliti e non ossidati, una caratteristica lucentezza (esempio: oro, argento, acciaio…)
• Conducibilità elettrica e termica: proprietà di consentire il passaggio di corrente elettrica e calore con facilità; è l’opposto di isolante.
• Isolante: materiale che conduce molto male o per niente il calore e la corrente elettrica (esempio: vetro, plastica)
• Fusibilità: i metalli possono essere fusi e colati in stampi per ottenere le forme più varie (esempio: termosifoni, pentole, pistoni, blocchi motore, basamenti di macchine utensili…)
• Malleabilità: i metalli possono essere plasmati a caldo (a temperatura inferiore a quella di fusione) o a temperatura ambiente per dare loro la forma più opportuna;
• Saldabilità: attitudine di un metallo o una lega ad essere unito mediante saldatura. Non tutti i metalli o leghe sono saldabili, perchè in molti casi il giunto che si ottiene, che può sembrare valido, non ha resistenza meccanica o agli urti;
• Resistenza alla trazione: misurata mediante la prova di trazione, fornisce il  valore  del carico (N/mm2 o MPa) che provoca lo snervamento e la successiva rottura di un provino a norme UNI;
• Resilienza: resistenza all’urto, viene misurata con una macchina apposita (pendolo di Charpy) su provini ricavati secondo le norme UNI.

Il legame metallico

Le proprietà dei metalli sono dovute la particolare tipo di legame che tiene uniti tra loro gli atomi.
I vari composti che si trovano in natura sono il risultato dell’aggregazione di atomi di vari elementi, uniti tra di loro da dei legami di tipo chimico.
Per esempio il calcare è una roccia formata dall’unione di atomi di calcio, ossigeno, carbonio: il carbonato di calcio.
Questo composto è un sale (come il sale da cucina) in cui gli atomi sono tenuti assieme in proporzioni ben precise da delle forze che li mantengono nella posizione stabilita dalle leggi della fisica atomica; il tipo di legame che si stabilisce non permette a nessun atomo o particella di spostarsi all’interno della struttura della roccia.
In un metallo, come può essere il rame, i vari atomi sono tenuti assieme da legami di tipo differente, che possono essere immaginati come una specie di “colla” di elettroni che lega tutti gli atomi.
Per fare un esempio si potrebbe immaginare una scatola piena di biglie di vetro impacchettate in modo regolare e riempita con un liquido molto viscoso tipo uno sciroppo che impedisca alle biglie di muoversi una rispetto all’altra.
Però lo sciroppo non è solido e, sebbene molto lentamente, può scorrere fra una biglia e l’altra e quindi si può avere un passaggio di sostanza attraverso la scatola.
In un metallo la “colla” di elettroni è mobile e ciò spiega perché questi elementi chimici sono dotati di una buona conducibilità elettrica e termica, ed è all’origine della tipica lucentezza  detta appunto metallica.

Questa caratteristica spiega anche perché la maggior parte dei metalli è facilmente ossidabile, come avviene per il ferro a contatto dell’ossigeno atmosferico in presenza di umidità.

Elementi chimici metallici (in ordine alfabetico) n.b.: questa tabella non ha pretese di completezza

Nome	Simbolo	Dens. g/cm3	Punto di fusione °C	Settori di impiego
Alluminio	Al	2.70	660	VEDI IN SEGUITO
Antimonio	Sb	6.62	630.5	Caratteri per stampa
Argento	Ag	10.50	960.8	Gioielleria, elettrotecnica, elettronica, fotografia
Bario	Ba	3.75	714	Elettronica, industria cartaria, medicina
Bismuto	Bi	9.80	271.3	Meccanica, vetreria
Cadmio	Cd	8.65	320.9	Meccanica, energia nucleare
Calcio	Ca	1.55	810	Metallurgia ferro e alluminio, pirotecnica
Cerio	Ce	6.67	795	Chimica, vetreria, pietrine per accendini
Cesio	Cs	1.90	28.5	Elettronica
Cobalto	Co	8.90	1495	Acciai, superleghe, magneti permanenti
Cromo	Cr	7.19	1875	Acciai speciali e inossidabili, rivestimenti superficiali
Ferro	Fe	7.85	1536	VEDI IN SEGUITO
Gallio	Ga	5.91	29.8	Termometri per alte temperature
Indio	In	7.31	156.2	Elettronica
Iridio	Ir	22.50	2454	Leghe con platino e osmio
Itterbio	Yb	7.01	824	Nessuno (per ora)
Ittrio	Y	4.47	1500	Ceramica
Lantanio	La	6.17	920	Elettronica
Litio	Li	0.53	108.5	Batterie, medicinali
Magnesio	Mg	1.74	650	Leghe leggere, aeronautica, pirotecnica
Manganese	Mn	7.43	1245	Acciai
Mercurio	Hg	13.59	-38.4	Elettrotecnica, strumentazioni, esplosivi
Molibdeno	Mo	10.20	2610	Elettronica, elemento di lega negli acciai
Nichel	Ni	8.90	1455	Elemento di lega negli acciai, elettrotecnica, superleghe
Niobio	Nb	8.40	2468	Elemento di lega negli acciai, superconduttori
Oro	Au	19.33	1063	Gioielleria, elettronica
Osmio	Os	22.60	2700	Chimica
Palladio	Pd	12.00	1552	Catalizzatori, gioielleria,odontoiatria
Piombo	Pb	11.40	327.4	Elettrotecnica, batterie, rivestimenti
Platino	Pt	21.40	1769	Catalizzatori, elettrotecnica, elettronica, gioielleria
Potassio	K	0.86	63.65	Chimica, fertilizzanti, detersivi
Rame	Cu	8.96	1083	Elettrotecnica, elettronica, edilizia, meccanica, leghe
Renio	Re	21.00	3180	Elettronica
Rodio	Rh	12.42	1966	Strumenti di misura
Rubidio	Rb	1.53	38.89	Elettronica
Rutenio	Ru	12.20	2250	Leghe con platino e palladio, elettronica
Sodio	Na	0.97	97.8	Chimica
Stagno	Sn	7.30	231.9	Leghe per saldatura, bronzi, industria alimentare
Stronzio	Sr	2.60	757	Chimica

Alluminio

Allo stato puro l’alluminio presenta una ottima resistenza alla corrosione, ottima conducibilità elettrica e termica, unite ad una bassa resistenza alla rottura e ad una elevata plasticità.
Gli impieghi dell’alluminio puro sono i più vari, ad esempio:

• Edilizia: rivestimenti resistenti alla corrosione;
• Alimentare: pentole, conservazioni dei cibi;
• Elettrotecnica ed elettronica: ottimo conduttore di elettricità e calore;
• Meccanica: rivestimenti protettivi contro la corrosione, parti decorative.

Per ottenere opportune caratteristiche di resistenza meccanica, alla corrosione o di saldabilità viene impiegato in lega con altri metalli, come Magnesio, Zinco, Rame, Silicio, Titanio, ed altri di minore importanza nelle applicazioni (per ora).
Questi elementi vengono aggiunti in opportune percentuali (0.5 – 20 %) per ottenere delle leghe che trovano impiego nei settori:

• Edilizia: serramenti, pannelli strutturali, coperture, strutture portanti;
• Elettrotecnica ed elettronica: conduttori per alta tensione;
• Meccanica: carrozzerie, motori, telai, ruote, ecc.;
• Aerospaziale: fusoliere, strutture dei missili, motori, ecc.;
• Navale: sovrastrutture, scafi, motori, ecc.;
• Arredamento;
• Usi vari: apparecchiature mediche, elettroniche, ……

In base all’impiego si hanno leghe alluminio-rame, alluminio-silicio, alluminio-magnesio, alluminio-magnesio-silicio, alluminio-zinco-rame, alluminio-titanio.
Le varie leghe di alluminio sono formulate per essere lavorate per:

• fusione in forma di sabbia
• colata in conchiglia (stampo in acciaio)
• pressocolata (stampo in acciaio)
• lavorazione plastica (estrusione, laminazione, forgiatura a caldo e a freddo) Le leghe più usate in ciascun settore sono:
• Edilizia e arredamento: alluminio-magnesio, alluminio-magnesio-silicio;
• Elettrotecnica ed elettronica: alluminio-magnesio;
• Meccanica: tutte.
• Aerospaziale: alluminio-rame, alluminio-zinco-rame, alluminio-titanio;
• Navale: alluminio-magnesio;

Designazione delle leghe di alluminio

Le norme UNI prevedono una designazione che tiene conto sia della composizione chimica sia dell’impiego.
La sigla è composta in questo modo:

• un prefisso che indica l’impiego:
• G per le leghe da fonderia;
• P per le leghe da lavorazione plastica;
• Eventualmente queste lettere sono precedute dalla lettera S per indicare le leghe secondarie ottenute da alluminio riciclato;
• La sigla Al
• Gli elementi aggiunti caratteristici della lega, ciascuno seguito da un numero che ne indica il contenuto in percentuale nella lega.

Esempi:

• P-AlSi1MgMn: lega da lavorazione plastica (P) con 1% di silicio e opportune quantità di magnesio e manganese (detta commercialmente “Anticorodal”)
• P-AlCu4,5MgMn: lega da lavorazione plastica (P) con 4,5% di rame e opportune quantità di magnesio e manganese (detta commercialmente “Duralluminio” o “Avional”)

• P-AlMg4,5: lega da lavorazione plastica (P) con il 4,5% di magnesio
• P-AlZn5,8MgCu: lega da lavorazione plastica (P) con il 5,8% di zinco e opportune quantità di magnesio e rame (detta commercialmente “Ergal”)
• G-AlSi13: lega da fonderia (G) con il 13% di silicio
• SG-AlSi7MgMn: lega secondaria (S) da fonderia (G) con il 7% di silicio e opportune quantità di magnesio e manganese
• G-AlSi21CuNiCo: lega da fonderia (G) con il 21% di silicio e opportune quantità di rame, nichel, cobalto (lega speciale per pistoni di motori a combustione interna)

E’ opportuno citare la designazione secondo le norme della Aluminum Association (USA) in quanto tale designazione è spesso adoperata anche da noi per molte leghe commerciali per lavorazione plastica.
La sigla è data da un numero di 4 cifre, così codificate:
Il primo numero indica la famiglia, i tre seguenti la lega, senza una particolare correlazione con la composizione

1xxx alluminio commercialmente puro (Al 99% minimo) e il numero indica il grado di purezza;
2xxx leghe Al – rame
3xxx leghe Al - manganese
4xxx leghe Al - silicio
5xxx leghe Al – magnesio
6xxx leghe Al – magnesio – silicio

 7xxx leghe Al – zinco – magnesio - rame Esempi e corrispondenze:

 

Trattamenti termici delle leghe di alluminio

Alcune leghe si prestano ad essere trattate termicamente per ottenere un grande incremento delle caratteristiche meccaniche.
Le leghe adatte allo scopo sono:

2xxx leghe Al – rame
6xxx leghe Al – magnesio – silicio
7xxx leghe Al – zinco – magnesio - rame

I trattamenti termici applicabili sono:

• bonifica
• invecchiamento
• ricottura

Ci sono delle differenze rispetto ai trattamenti effettuabili sugli acciai. La bonifica in particolare è l’insieme di due trattamenti successivi:

• tempra di solubilizzazione: riscaldamento in forno a temperatura accuratamente controllata e specifica per ciascuna lega (indicativamente tra i 500°C e i 540°C) e raffreddamento rapidissimo in acqua fredda;
• invecchiamento: trattamento in forno a temperatura controllata (tra i 150°C e i 180°C) per il tempo necessario a far avvenire la trasformazione strutturale, dovuto alla formazione di composti che “induriscono” la struttura della lega.

L’invecchiamento può anche avvenire a temperatura ambiente per alcuni tipi di leghe, in tal caso si parla di invecchiamento naturale; richiede però tempi molto lunghi (settimane) per cui solitamente si preferisce l’invecchiamento artificiale (poche ore in forno).
Una lega trattata termicamente può essere indicata con la sigla seguita dalla lettera T e da un’altra lettera indicante le condizioni: A invecchiamento artificiale, N invecchiamento naturale. Secondo la designazione AA una lega bonificata è indicata dal suffisso T4 se l’invecchiamento è naturale, T6 se l’invecchiamento è artificiale; il suffisso F indica la lega allo stato naturale dopo la lavorazione plastica a caldo.
Esempio:
7075 T6 corrisponde a P-AlZn5,8MgCu-TA temprata e invecchiata artificialmente

La ricottura ha lo scopo di annullare eventuali trattamenti termici e favorire la lavorabilità per deformazione plastica delle leghe da trattamento termico.
Va detto che un riscaldamento a temperature superiori ai 200°C distrugge gli effetti della bonifica.
Per una ricottura completa è sufficiente un riscaldamento a temperature di 500-550°C seguito da raffreddamento lento.
La sigla è seguita dalla lettera R se la lega è fornita allo stato ricotto.
Inoltre va assolutamente evitato di surriscaldare queste leghe al di sopra dei 580°C per evitare la “bruciatura” ovvero il danneggiamento irreparabile della lega per la fusione parziale della struttura.
Una lega “bruciata” è del tutto inservibile, fragile e di scarsissima resistenza, utile solo come rottame da riciclare in fonderia!

Alcune leghe e loro caratteristiche meccaniche

Design. AA	UNI	Stato fisico	Rm (MPa)	Rp0,2 (MPa)	A%	Nome commerciale
2014	P-AlCu4,4SiMnMg	R	185	80	12	Avional 14
		TN	345	240	12
		TA	410	370	7
6082	P-AlSi1MgMn	R	90	40	25	Anticorodal
		TN	215	120	16	11
		TA	295	245	6
7075	P-AlZn5,8MgCu	R	185	90	9	Ergal 55
		TA	540	480	6

Altre proprietà e applicazioni Resistenza alla corrosione

La resistenza alla corrosione delle leghe di alluminio è molto varialbile, è generalmente peggiore di quella dell’alluminio puro:
leghe Al-Si: cattiva più è elevato il contenuto di silicio, all’aperto in presenza di acqua si corrodono rapidamente producendo una efflorescenza biancastra;
leghe Al-Mg-Si: ottima, sono dette per l’appunto “anticorodal”
leghe Al-Mg: eccellente anche in ambiente marino, dove è migliore di quella dell’alluminio puro;

leghe Al-Cu e Al-Zn-Mg-Cu: cattiva o pessima, vanno protette dalla corrosione che può avere conseguenze disastrose, sotto forma di rotture fragili senza preavviso (corrosione a lama di coltello, corrosione intergranulare) specie su particolari soggetti a sollecitazioni elevate o di fatica.

Lavorabilità alla macchina utensile

Al contrario degli acciai, le leghe di alluminio dure (temprate e invecchiate) sono meglio lavorabili alla macchina utensile perchè il truciolo si spezza oppure fluisce senza aderire all’utensile.
Le leghe allo stato ricotto e l’alluminio puro sono difficilmente truciolabili perchè tendono ad “impastare” l’utensile. Sono necessari utensili opportuni, affilati con estrema cura e si devono impiegare lubro-refrigeranti speciali.
La velocità di taglio può superare senza problemi i 1000 m/min.
Le leghe contenenti silicio, come quelle per pistoni in cui il silicio supera il 20%, sono difficilmente lavorabili perchè il silicio forma dei cristalli molto duri che consumano rapidamente gli utensili e la finitura superficiale che si ottiene è spesso pessima.
In questo caso si ottengono eccellenti risultati con utensili aventi il tagliente in diamante policristallino, dal costo elevatissimo ma in grado di resistere perfettamente all’azione abrasiva del silicio.
Servono macchine adatte, potenti e molto stabili per garantire le elevatissime velocità di taglio richieste da questi utensili.

Saldabilità

La saldatura delle leghe di alluminio non sempre è possibile e richiede procedimenti appositi. Sono saldabili facilmente le leghe Al-Mg, Al-Mn, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg a patto che non contengano rame se non in piccolissima quantità.
I procedimenti più adatti sono TIG, saldatura con elettrodi in tungsteno sotto gas protettivo inerte (argon) e MIG a filo con gas inerte (argon), mentre la saldatura con elettrodo rivestito è adatta solo per applicazioni di scarsa importanza.
Le leghe Al-Si e Al-Cu non sono saldabili perchè si ottiene un giunto di resistenza meccanica non soddisfacente e soprattutto con pessima resistenza alla corrosione che è drastica e deleteria nella zona saldata.

Anodizzazione

L’ossidazione anodica della superficie dei manufatti in lega di aluminio è una tecnica molto adatta per creare un rivestimento resistente alla corrosione, all’usura e decorativo.
Viene eseguita in apposite celle elettrolitiche, in bagni acidi mediante l’azione della corrente elettrica.
Se lo spessore è limitato (pochi millesimi di millimetro) si parla di anodizzazione decorativa, eventualmente colorabile mediante procedimenti particolari.
Spessori elevati (0,05 – 0,1 mm) sono adatti dove è richiesta una grande resistenza all’usura, ad esempio per gli steli delle forcelle di biciclette e moto.
Le leghe più adatte sono le Al-Mg-Si.
Tra le leghe dure, l’Ergal non dà sempre buoni risultati estetici con l’anodizzazione, l’Avional è inadatto in quanto il rame lo rende facilmente corrodibile.

Ferro

Non ha impieghi pratici allo stato puro.
Viene adoperato sempre in lega con il carbonio, da solo o abbinato ad altri elementi, e denominato correntemente Acciaio o Ghisa

Struttura elementare del ferro e trasformazioni allotropiche

Il ferro allo stato puro si presenta come un solido grigio lucente, facilmente ossidabile.
La sua struttura cristallina, ossia la disposizione degli atomi o cella elementare, è rappresentabile con un cubo che ha a ciascun vertice un atomo di ferro e un ulteriore atomo al centro (cella Cubica a Corpo Centrato o CCC).
Una particolarità del ferro è quella di presentare, a ben precisi valori della temperatura, la traformazione della struttura elementare (trasformazione allotropica).
La struttura CCC si trasforma in una nuova struttura, in cui la cella è sempre cubica ma presenta un atomo di ferro al centro di ciascuna faccia (Cubica a Facce Centrate o CFC).

• A temperatura ambiente la struttura è CCC, detta ferrite a
• Al di sopra di 911°C e fino a 1390°C la struttura è  CFC, detta austenite o ferro g
• Sopra i 1390°C e fino a fusione, 1535°C, la cella ri torna ad essere CCC, detta ferrite d Questa particolarità è importante perchè consente di modificare le caratteristiche della lega ferro-carbonio, in quanto il carbonio ha la proprietà di inserirsi tra gli atomi di ferro (si dice che è solubile nel ferro) ma la sua solubilità è molto scarsa nella cella CCC ed è elevata nella cella CFC (massimo 2,06% a 1147°C).

Leghe ferro-carbonio

Assieme al ferro è sempre presente il carbonio, in percentuale variabile tra lo 0.02% e il  6,67%, massimo valore di esistenza delle leghe tra ferro e carbonio.
Al di sotto dello 0,02% è praticamente molto difficile scendere, in quanto il carbonio presenta una forte affinità con il ferro.
Il carbonio abbassa la temperatura di trasformazione della ferrite in austenite; al di sopra dello 0,02% di C la trasformazione inizia a 723°C per term inare ad una temperatura compresa tra 911°C e 723°C al crescere del tenore di C.
Con lo 0,8% di C si ha un eutettoide, la trasformazione avviene alla temperatura di 723°C.
Al di sopra dello 0,8% la temperatura di fine trasformazione si innalza nuovamente; con il 2,06% di C si ha l’inizio della fusione a 1147°C.
La lega Fe-C con il 4,3% di C fonde a 1147°C (eutett ico)
Per maggiori dettagli consultare i testi indicati alla voce “Diagramma Ferro-Carbonio”. Solo alcune particolari leghe presentano tenori di carbonio bassissimi.

Acciaio

Se il carbonio è contenuto in percentuale inferiore al 2,06% la lega è denominata acciaio. Il carbonio è in piccola parte presente negli interstizi della cella CCC e per il resto forma un composto con il ferro (detto cementite Fe3C) i cui cristalli sono interposti tra quelli di ferrite, tali da determinare notevoli incrementi delle proprietà di resistenza della lega.
Il tenore percentuale di carbonio determina le caratteristiche meccaniche e tecnologiche della lega, quali ad esempio durezza, resistenza meccanica e attitudine al trattamento termico.

Ghisa

Se il carbonio è contenuto in percentuale superiore al 2,06% e inferiore al 6.67% la lega prende il nome di ghisa. Il carbonio è in piccola parte disperso nella matrice degli atomi di  ferro e per la maggior parte presente sotto forma di piccolissime particelle di grafite, come una sorta di conglomerato fra grani di ferro e particelle di grafite.
Ciò rende da un lato la ghisa piuttosto fragile, dall’altro ne facilita la fusibilità: la ghisa con il 4% di carbonio fonde a circa 1200°C contro i 1536°C del fe rro puro.
In alcune leghe si riesce ad ottenere la combinazione di ferro e carbonio nella cementite, Fe3C, un composto durissimo: si ha la ghisa bianca.
Nella pratica il contenuto di carbonio nella ghisa non supera il 3,8%, massimo 4,5%.

Leghe ferro-carbonio e altri elementi

Per ottenere caratteristiche particolari e ben definite vengono aggiunti molti altri elementi, in percentuali variabili dallo 0.05% a oltre il 20%, quali: manganese, nichel, cromo, molibdeno, vanadio, niobio, titanio, tungsteno, silicio, alluminio, rame, calcio, zolfo, ecc.
Questi conferiscono proprietà specifiche quali ad esempio resistenza meccanica, resistenza alla corrosione e al calore, resistenza alle basse temperature, lavorabilità alla macchina utensile.
Si hanno così gli acciai speciali e le ghise speciali.

Acciai speciali

In base agli elementi aggiunti si hanno varie famiglie di acciai, ad esempio: Acciai ad alta resistenza meccanica: cromo, nichel, manganese, vanadio; Acciai inossidabili: cromo (dal 13% al 30%) e nichel (8% - 25%);
Acciai per molle: Silicio;

Ghise speciali

Ghise sferoidali ad alta resistenza meccanica: silicio, tracce di cerio; Ghise resistenti alla corrosione: nichel in alta percentuale;
Ghise dure resistenti all’abrasione: cromo e nichel;

Designazione degli acciai

La designazione delle leghe ferrose è regolata a livello mondiale dalle norme ISO, recepite in Europa e in Italia dalle UNI-EN-ISO.
Senza entrare nel dettaglio della enorme gamma di acciai e ghise, appositamente formulati per soddisfare ogni esigenza, si daranno le linee essenziali per comprendere la designazione dei materiali più comunemente usati.
Principali riferimenti normativi:
UNI-EN 10020: Definizione e classificazione dei tipi di acciaio;
UNI-EN 10027-1: Sistemi di designazione degli acciai: designazione alfanumerica; UNI-EN 10025: Prodotti laminati a caldo di acciai non legati per impieghi strutturali; UNI-EN 10083: Acciai da bonifica

La classificazione degli acciai prevede due gruppi:
1°gruppo acciai designati in base alle caratteristiche me ccaniche o all’impiego 2°gruppo acciai designati in base alla composizione

Il 1°gruppo comprende gli acciai di base, di qualità o speciali destinati alle costruzioni per i quali sono fondamentali le caratteristiche di resistenza meccanica (carico di rottura e di snervamento), resilienza, oppure particolari caratteristiche di lavorabilità.
Sono impiegati allo stato di fornitura dall’acciaieria, con il quale si intende che non sono previsti ulteriori trattamenti termici per modificarne le caratteristiche meccaniche.
Gli acciai del 2°gruppo invece sono appositamente formu lati per essere trattati termicamente o avere particolari caratteristiche fisiche o fisico-chimiche.
Per questi la designazione prevede che la sigla riporti gli elementi chimici intenzionalmente aggiunti allo scopo di ottenere le caratteristiche desiderate.

Designazione e caratteristiche meccaniche acciai del 1°gruppo.

Si riporta la designazione dei tipi più utilizzati e, per completezza, si indica per alcuni di essi la corrispondenza tra la designazione secondo la UNI-EN-10027:1993 (aggiornata nel 2006) e la precedente UNI-EU 27 ritirata nel 1993.

Designazione degli acciai di base secondo la UNI EN 10027
simbolo	impiego	Caratteristiche da specificare dopo il simbolo
S	Acciai per impieghi strutturali	Carico di snervamento minimo garantito, N/mm2
P	Acciai per recipienti in pressione
L	Acciai per tubi di condutture
E	Acciai per costruzioni meccaniche
B	Acciai per cemento armato	Carico di snervamento, N/mm2
Y	Acciai per cemento armato precompresso	Carico di rottura minimo garantito, N/mm2
R	Acciai per rotaie	Carico di rottura minimo garantito, N/mm2

I seguenti tipi di acciaio sono d’uso corrente per carpenteria e costruzioni in genere.

Designazione secondo UNI EN 10027	Designazione secondo UNI EU 27
Lettera S seguita dal valore del carico di snervamento in N/mm2	Fe seguito dal valore del carico di rottura in N/mm2
Dopo la sigla ulteriori lettere per indicare resilienza e stato di fornitura	Dopo la sigla una o più lettere per indicare la resilienza

Tipi di acciai secondo la UNI EN 10025
tipo	Rm (minimo garantito) N/mm2	Rs  (minimo garantito) N/mm2	All. % a rottura (minimo)	Resilienza KV (joule)	Temperatura di prova (°C)	Vecchia denominazione secondo UNI EU 27
S185	320	185		-		Fe320
S235JR	360	235	25	27	+20°C	Fe360B
S235J0				27	0°C	Fe360C
S235J2				27	-20°C	Fe360D
S275JR	430	275	21	27	+20°C	Fe430B
S275J0				27	0°C	Fe430C
S275J2				27	-20°C	Fe430D
S355JR	510	355	21	27	+20°C	Fe510B
S355J0				27	0°C	Fe510C
S355J2				27	-20°C	Fe510D
S355K2				40	-20°C	(Fe510DD)
E295	490	295	19	-	-	Fe490
E335	590	335	15	-	-	Fe590
E360	690	360	10	-	-	Fe690

Designazione degli acciai del 2°gruppo.

Gli acciai del 2°gruppo sono suddivisi in 4 sottogruppi . La designazione è strutturata secondo le seguenti regole:

Sottogruppo	Simboli di designazione	Esempio
2.1: Non legati al solo carbonio	Lettera C Numero pari a 100 volte la percentuale di carbonio prevista	C45 C100
2.2: Legati con tenore di ciascun elemento minore del 5%	Numero pari a 100 volte la percentuale di carbonio Simboli degli elementi aggiunti Numeri che indicano contenuto percentuale degli elementi aggiunti, moltiplicato per un fattore indicato nella tabella seguente	16MnCr5 18NiCrMo5 39NiCrMo3 55Si7
2.3: Legati con tenore di ciascun elemento maggiore del 5%	Lettera X Numero pari a 100 volte la percentuale di carbonio Simboli degli elementi aggiunti Numeri che indicano contenuto percentuale degli elementi aggiunti, separati da un trattino se riferiti a più elementi	X8CrNi18-8 X55CrMoV 5-1-1 X205Cr13
2.4: Acciai rapidi	Lettere HS Numeri che indicano il contenuto percentuale degli elementi di lega, nel seguente ordine: Tungsteno (W) Molibdeno (Mo) Vanadio (V) Cobalto (Co)	HS 12-8-5-5

Tabella dei fattori moltiplicatori per gli elementi aggiunti degli acciai legati del sottogruppo 2.2:

Elemento	Moltiplicatore
Ni, Cr, Mn, Si, Co, W	4
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr	10
Ce, N, P, S	100
B	1000

Le caratteristiche degli acciai del 2°gruppo dipendono sia dalla composizione chimica sia dal trattamento termico che viene effettuato su di essi.
Questi acciai sono formulati appositamente per impieghi specifici, quindi si hanno (l’elenco non presenta tutti i tipi esistenti):

• Acciai per cementazione
• Acciai per bonifica
• Acciai per nitrurazione
• Acciai per la costruzione di molle
• Acciai per bulloneria
• Acciai per cuscinetti a rotolamento
• Acciai a lavorabilità migliorata
• Acciai inossidabili
• Acciai per utensili a freddo
• Acciai per utensili a caldo

Trattamenti termici e termochimici

Come detto al punto 2, la caratteristica più importante delle leghe ferro-carbonio è rappresentata dalla possibilità di modificare quasi a piacimento le caratteristiche meccaniche per ottenere i valori di resistenza meccanica, durezza, o le proprietà tecnologiche richieste dalle applicazioni.

Ciò è dato dalla influenza che il carbonio e molti elementi di lega hanno sulla trasformazine strutturale (CCC -> CFC) cioè sulla temperatura alla quale avviene questo fenomeno, e sulla velocità a cui avviene specialemente al raffreddamento.
Nel ferro puro la trasformazione è perfettamente reversibile, ovvero a qualsiasi velocità si faccia avvenire il raffreddamento la trasformazione inversa, cioè da CFC a CCC è sempre completa.
All’aumentare del contenuto di carbonio ciò non è più vero, e al raffreddamento rapido la struttura non fa in tempo a ritornare CCC da CFC, inoltre il carbonio deve avere il tempo materiale di “uscire” dal reticolo CCC che si sta formando.
Se la trasformazione è rapida, il carbonio rimane intrappolato, il reticolo CCC viene deformato e la struttura che si ottiene viene detta martensite ed è tanto più dura quanto maggiore è la percentuale di carbonio dell’acciaio; la massima durezza si ha già con lo 0,6% di carbonio.
In particolare mediante opportuni cicli di trattamento a temperature più o meno elevate si possono ottenere grande durezza, ottima resistenza all’usura, massima lavorabilità alla macchina utensile.
I cicli di trattamento che permettono questi risultati sono detti trattamenti termici e trattamenti termochimici se abbinati a modificazioni chimiche alla superficie dei pezzi. Affinchè un trattamento termico sia efficace devono essere rispettate delle condizioni ben definite che dipendono dalla lega e dallo scopo che si persegue:

• Temperatura;
• Tempo di permanenza;
• Velocità di riscaldamentoe raffreddamento;
• Composizione dell’atmosfera in cui avviene il trattamento.

I trattamenti termici applicabili agli acciai sono così denominati:

• Tempra: riscaldamento ad una temperatura sufficiente ad ottenere la completa trasformazione del reticolo da CCC a CFC, solitamente nell’intervallo tra 850°C e 1000°C a seconda dell’acciaio, seguita da raffreddamento rapido in acqua, olio speciale o anche in aria (per alcuni acciai) per ottenere una trasformazione del reticolo che conferisce grande durezza.
• Rinvenimento: riscaldamento a temperatura inferiore a quella di trasformazione del reticolo, ma sufficiente per ottenere delle modifiche nella microstruttura.
• Rinvenimento di distensione: rinvenimento a bassa temperatura (150°C – 200°C) che attenua gli effetti della tempra, in part icolare riduce la fragilità della struttura e consente di matenere elevata durezza;
• Rinvenimento di bonifica: la temperatura è dell’ordine dei 600°C e la permanenza è di alcune ore, sufficienti per ottenere la trasformazione della struttura di tempra in un’altra struttura, meno dura ma molto tenace e resistente.
• Bonifica: è la unione di tempra e rinvenimento a 600°C;
• Ricottura: riscaldamento a temperatura superiore a quella di trasformazione CCC- CFC e successivo raffreddamento molto lento in forno:
• Ricottura di lavorabilità: massima lavorabilità alla macchina utensile;
• Normalizzazione: riscaldamento a temperatura superiore a quella di trasformazione CCC-CFC e successivo raffreddamento in aria calma, si usa sugli acciai del 1°gruppo per eliminare tensioni residue e zone termicamente alterate su strutture saldate o dopo deformazioni plastiche.

 

I trattamenti termochimici applicabili agli acciai sono così denominati:

• Cementazione: riscaldamento ad una temperatura sufficiente ad ottenere la completa trasformazione del reticolo da CCC a CFC, solitamente nell’intervallo tra 900°C e 1000°C a seconda dell’acciaio, in un forno in presenza di una atmosfera satura di carbonio (il pezzo è immerso in polvere di carbone o l’atmosfera del forno è composta da gas carboniosi).

Ghisa grigia lamellare

Quando la grafite è sotto forma di lamelle molto fini e disperse si parla di ghisa lamellare. Presenta bassa resistenza meccanica.
La designazione secondo la UNI EN 1561 è la seguente: il numero dopo la sigla indica il carico di rottura.

sigla	Rm (N/mm2)	Durezza HBW
EN-GJL-200	200	150-200
EN-GJL-250	250	170-220
EN-GJL-300	300	190-240

Ghisa grigia sferoidale

Quando la grafite è sotto forma di particelle globulari (sferoidi) si parla di ghisa sferoidale. Presenta una resistenza meccanica da media a molto elevata abbinata ad una buona tenacità ed è facilmente lavorabile alla macchina utensile.
Si ottiene la formazione degli sferoidi durante la solidificazione aggiungendo piccole quantità di metalli come il magnesio.
É adatta per realizzare parti di macchine utensili, blocchi motore, alberi a camme e a gomiti. Può essere legata con cromo, nichel per ottenere elevata resistenza al calore o alla corrosione.
La designazione segue la UNI EN 1563. Di seguito si riportano alcune sigle, in cui i numeri dopo la sigla indicano carico di rottura e allungamento percentuale a rottura.

sigla	Rm (N/mm2)	Rp0,2 (N/mm2)	A%
EN-GJS-400-18	400	240	18
EN-GJS-600-3	600	370	3
EN-GJS-900-2	900	600	2

Ghisa bianca e ghisa legata

Si ha ghisa bianca quando il carbonio è combinato sotto forma di cementite, un composto molto duro.
Presenta una grande durezza e quindi alta resistenza all’usura, ma è fragile.
Può essere legata con cromo, nichel per ottenere elevata resistenza al calore o alla corrosione.
La norma UNI 8845:1986 ne indica la designazione:

GB O UNI 8845: ghisa bianca non legata GB L UNI 8845: ghisa bianca legata
GB CrNi 9 5 UNI 8845: ghisa bianca legata con il 9% di cromo e il 5% di nichel

Impieghi

Non esiste settore in cui non venga utilizzato il ferro nelle sue leghe.
Le applicazioni degli acciai e delle ghise sono così vaste che è impossibile fornire un elenco esauriente; quelle citate sono solo alcune tra le più significative,

Ghisa

Ghisa “grigia”
Viene usata per termosifoni, caldaie, tubazioni, pompe per acqua, parti di stufe e fornelli, raccorderia per tubazioni, monoblocchi e cilindri di motori, dischi e tamburi per freni, ecc. ecc. Si tratta di parti ottenute per fusione.
La ghisa è una materiale generalmente fragile, resiste male o in misura limitata agli urti, resiste molto bene alla corrosione (arrugginisce facilmente ma la corrosione procede molto lentamente), resiste bene al calore e alla fiamma diretta anche a temperatura elevata (fino a 700°C circa).

Ghise speciali:

Giranti e corpi per pompe e turbine, monoblocchi e alberi motore.

Acciaio

Acciaio al carbonio: lamiere per autoveicoli, navi, tubi per acquedotti, gasdotti, oleodotti, rotaie ferroviarie, profilati per l’edilizia (travi e laminati detti comunemente “putrelle”), scatolame, pentole, minuterie varie,……

Acciai speciali:

Meccanica: autoveicoli, aeroplani, navi (tutte le parti in cui le condizioni di funzionamento sono particolarmente gravose) ovvero: Molle, semiassi, bielle, alberi di trasmissione, cuscinetti, viti e bulloni, funi, corazze.
Edilizia: tiranti, funi, bulloni, ancoraggi, utensili di perforazione, pannelli di rivestimento (specialmente gli acciai inossidabili), ecc.
Alimentare: acciai inossidabili (di vario tipo) usati per stoviglie, pentole, cucine, ecc. Sanitario: servizi igienici;
Medico: strumenti chirurgici e attrezzature ospedaliere.

La corrosione

Il ferro e la maggior parte delle sue leghe hanno una resistenza alla corrosione molto bassa e producono, esposti alle intemperie, la caratteristica ruggine di colore marrone o rosso.
Pertanto nelle applicazioni deve essere protetto dagli agenti corrosivi mediante opportune vernici e rivestimenti protettivi di altri metalli.
Il metallo più usato è lo Zinco (zincatura).

Rame

Il rame allo stato puro viene impiegato allo stato puro come materiale per conduttori elettrici in ragione della sua ottima conducibilità elettrica e termica.
Trova impiego in edilizia per elementi di rivestimento perché possiede una eccellente resistenza agli agenti atmosferici.
Con l’aggiunta di elementi quali Zinco, Stagno e Alluminio forma una famiglia di leghe tra le più importanti nelle numerose applicazioni pratiche:

Leghe rame-zinco

Sono denominate Ottoni e presentano un caratteristico colore giallo più o meno intenso. Lo zinco è aggiunto in percentuali variabili tra il 10% e il 40%.
Sono caratterizzati da una elevata resistenza alla corrosione e meccanica, facilmente lavorabili, possono diventare molto duri al crescere del tenore di zinco (oltre il 45% la lega è inutilizzabile perchè troppo fragile).
Sono impiegati estesamente per serrature, maniglie, elementi decorativi, viterie e rubinetterie. In elettrotecnica si usano per morsetti, viti, contatti, elementi di collegamento.
Gli ottoni resistono generalmente bene alla corrosione, ma presentano dei fenomeni negativi dovuti a particolari condizioni ambientali e di trattamento termico:

• season cracking o fessurazione da stagionatura: è un fenomeno corrosione sotto tensione in presenza di sostanze ammoniacali aggravato dalla presenza di tensioni residue dovute alle lavorazioni plastiche; una accurata ricottura a circa 240-270°C per 1-3 ore dopo le lavorazioni previene il fenomeno, particolarmente pericoloso nei componenti per idrosanitari. E’ oggetto di prove specifiche da normativa, le norme francesi sono particolarmente severe in tal senso.
• Dezincificazione: è la corrosione che determina la dissoluzione dello Zn negli strati superficiali e lo sfaldamento progressivo dello strato poroso di rame. Può essere prevenuta con aggiunta di opportuni elementi in piccola quantità.

Leghe rame-stagno

Sono denominate Bronzi e come per gli ottoni sono di colore giallo o tendenti al rosso.
Lo stagno è aggiunto in percentuale massima del 13% (oltre si avrebbe un metallo estremamente duro ma fragilissimo).
Sono caratterizzati da una elevata resistenza alla corrosione e meccanica, facilmente lavorabili ma resistenti all’abrasione, con caratteristiche antiattrito, possono diventare molto duri.

Trovano uso per cuscinetti a strisciamento, detti bronzine, e parti in cui la resistenza all’abrasione è importante (madreviti di macchine utensili).
Il loro uso più noto è nella fabbricazione di campane e statue (oltre che, un tempo, di cannoni) perché si prestano moto bene alla realizzazione di forme complicate mediante fusione.
In particolare per le campane è apprezzata la caratteristica di produrre dei suoni molto puri e persistenti, perché si tratta di metalli che smorzano molto poco le vibrazioni.

Leghe rame-alluminio

L’aggiunta di alluminio determina i cosiddetti Bronzi all’Alluminio o Cuprallumini, leghe adatte sia alla lavorazione plastica sia alla fonderia; presentano elevata resistenza meccanica e alla corrosione.

Magnesio

E’ un metallo interessante perché presenta una grande leggerezza (bassa densità) e una buona resistenza.
Viene impiegato, puro o in lega con l’alluminio, principalmente nel settore aerospaziale e negli autoveicoli e motoveicoli da competizione.
Viene facilmente ossidato all’aria formando un ossido di colore bianco e deve pertanto essere protetto con opportuni rivestimenti.

Titanio

Questo metallo abbina una buona leggerezza (bassa densità) ad una resistenza pari o superiore a quella di molti acciai speciali.
Trova impiego nel settore aerospaziale, negli autoveicoli e motoveicoli da competizione, per strumenti chirurgici e protesi ossee, in oreficeria e ottica.
E’ stato impiegato anche in edilizia, ma il suo costo molto elevato e le difficoltà di lavorazione ne limitano di molto la diffusione.
E’ pressoché inalterabile dagli agenti atmosferici e biocompatibile con gli organismi viventi (da ciò l’uso per protesi e dispositivi chirurgici).

Argento Oro Platino

Sono i metalli nobili per eccellenza, specialmente oro e platino. Sono impiegati sia in oreficeria sia in molti settori della tecnica.
L’argento si presta molto bene alla realizzazione di contatti elettrici per interruttori e per fusibili di precisione
L’oro è il miglior conduttore esistente e ha largo uso in elettronica
Il platino è il più resistente e inalterabile fra i metalli e viene usato per strumenti di laboratorio, misure campione, elettrodi (per le candele dei motori ad esempio).

Zinco

E’ un metallo “povero” dalle grandi qualità.
Allo stato puro serve per proteggere il ferro dalla corrosione: “zincatura”.
Fra tutti i possibili rivestimenti è quello che protegge nel modo migliore i materiali ferrosi dagli agenti atmosferici.
Viene applicato per immersione in bagno fuso, zincatura a caldo, o per applicazione galvanica, zincatura elettrolitica.
Applicazioni: carrozzerie di automobili, carpenterie di ponti, edifici, tralicci, funivie, recinzioni, barriere stradali, viti e bulloni, fili, tubazioni per acqua, …..

NOTA IMPORTANTE 1: lo zinco reagisce chimicamente al contatto con metalli più nobili quali rame o acciaio inossidabile, corrodendosi molto rapidamente. Pertanto sono da evitare gli abbinamenti di questi metalli in condizioni che possano favorire la corrosione, cioè in presenza di acqua,
Quindi mai mettere assieme lamiere zincate di copertura di tetti e grondaie in rame, o tubi in acciaio zincato e tubi di rame a contatto tra di loro o giuntati, pena una rapida corrosione dello zinco e del ferro sottostante con il risultato di avere infiltrazioni di acqua dai tetti o peggio la casa allagata per rottura delle tubazioni.