I Metalli: Proprietà, Struttura Cristallina e Prova Charpy

I Metalli

Luca Scioletti IED2

Caratteristiche dei Metalli

• Il metallo generalmente è un materiale conduttore di calore e di elettricità, opaco, capace di riflettere la luce (dando luogo in tal modo alla cosiddetta lucentezza metallica
• Spesso malleabili con ottime caratteristiche di resistenza meccanica, fusibili e duttili.

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Tipi e Proprietà dei Metalli

• Esistono vari tipi di metalli, scoperti in epoche diverse.
• Pochi metalli sono reperibili in natura allo stato puro.
• Ogni metallo ha una sua Temperatura di Fusione.
• Con l'espressione materiale metallico si fa riferimento in generale ai metalli (elementi chimici) ed alle loro leghe.

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Ossidi e Reazioni dei Metalli

Il metallo può essere attaccato dagli acidi (con sviluppo di idrogeno) e dalle basi. L'acqua può attaccare i metalli ai quali strappa gli elettroni di valenza per dare appunto l'idrogeno attraverso una reazione esotermica (ossidazione).

Si Quarzo Fe Ruggine Ti Rutilo Al Allumina

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Ossidi Comuni e Loro Applicazioni

Nome	Formula	Dove si trova
Acqua	H2O	Comune solvente; necessario per la vita basata sul carbonio
Non metalli	Anidride carbonica	CO2	Costituente dell'atmosfera terrestre, il più diffuso e importante gas serra, usato dalle piante nella fotosintesi per produrre sostanze organiche, prodotto di processi biologici come la respirazione o di reazioni chimiche come la combustione e la decomposizione chimica dei carbonati.
	Ossido nitroso	N2O	gas esilarante; anestetico; prodotto dai batteri azotofissatori, dalle bombolette spray e dai gas serra.
Semi- Metalli	Anidride silicica	SiO2	Sabbia, quarzo
	Dimetaferrato di ferro	Fe3O4	Minerali ferrosi, ruggine, insieme all'ossido ferrico (Fe2O3)
	Ossido di alluminio o allumina	Al2O3	Minerali dell'alluminio, corindone, rubino (corindone con impurezze di cromo), zaffiro (corindone con impurezze di ematite e rutilo)
Metalli	Ossido di zinco	ZnO	Necessario per la vulcanizzazione della gomma, additivo per calcestruzzo, creme solari, lozioni purificanti, additivo alimentare.
	Ossido di Titanio	TiO2	Modificazioni polimorfe del rutilo sono l'anatasio (tetragonale) e la brookite (rombica).

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La Tavola Periodica degli Elementi

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 1 H Atomic Sim Nome Welgint C Solidi Nonmetalli 2 4 5 8 7 8 9 B C O F Boro 10.81 Carbonio 12.011 N Azoto 14.007 Ossigeno 15.999 16 Fluoro 18.9984 ... 17 11 12 13 14 15 P S Ar Alluminio 26.9815 ... Si Silicio 28.085 Fosforo 30 973762 Zoro 32.05 Argon 39.948 K Ca Calcio 40,078 Sc Scandlo 44.955912 47,867 V 24 Cr 25 Mn Manganese 54,938045 26 Fe Ferro 55.845 Co Cobalto 58,933195 28 Ni Nichel 58,6934 29 Cu Rame 63.546 30 Zn Zinco 65,38 Ga Galllo 69,723 Ge Germanlo 72.63 Se Selenio 78.96 Br Bromo 79,904 Kripton 83.798 38 39 40 41 43 Tc 44 Ru 45 Rh Rodlo 102,90550 Pd Palladio 106,42 47 Ag Argento 107,8682 Cd Cadmio 112,411 Sn Stagno 118,710 Antimonio 121,760 Tellurlo 127.60 lodllo 126,90447 Xeno 131,293 88 Cs Ceslo 132,905 ... Ba Barlo 137,327 Hf Afnlo 178,49 Tantallo 180,94788 Tungseno 183,84 Osmlo 190,23 Iridio 192,217 Platino 195,084 Oro Mercurio 200,59 Bismuto 208.98040 Polonio (209) Radon (222) 87 104 105 Db 108 Sg 107 Bh 109 Mt Ds Rg Cn 113 Uut 114 FI 115 Uup LV Uus Uuo Rutherfordlo (267) Dubnlo (268) See borg b (271) Bohrlo (272) Meltnerlo (276) Darmstadtio (281) Roentenb (280) Copemico (285) Ununtrio (284) Flerovlo (289) Ununpento (288) Wemorb (293) Ununespto (294) Ununodio (294) Per gli elementi senza isotopi stabili, le masse atomiche indicate sono quelle degli isotopi più stabili o più comuni. Tavola Periodica Design & Interface Copyright @ 1997 Michael Dayah. Ptable.com Ultimo aggiornamento 31/lug/2013 57 La 58 Ce 59 Pr 80 Nd 61 Pm 63 Eu 64 Gd Gadolinio 157,25 Tb Dy 87 Ho Olmio 164,93032 68 Er 89 Tm 70 Yb Lu Lantanlo 138,90547 89 Cerlo 140,116 Praseod Im 140,90765 Neodimio 144,242 Promezlo [145) Europlo 151,964 Terblo 158,92535 Disproslo 162,500 Erblo 167,259 Tullo 168,93421 Itterblo 173,054 Lutezlo 174,9668 90 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Lr Ac Attinto (227) Th Torlo 232,03806 91 Pa Potemlo 231.03588 Uranio 238.02891 Np Nettunlo |(237) Pu Plutonio (244) Am Americio (243) Cm Curlo (247) Bk Berkello (247) Californilo (251) Es Einsteinlo (252) Fm Fermlo (257) Mendeello (258) Nobello (259) Laurenzlo (262) 21 23 27 31 32 33 34 36 4 Potasslo 39,0983 37 49 50 51 52 53 5 Sr Stronzlo 87,62 Y Itrio 88,90585 Zirconlo Nb OIGOIN 92,90638 Tecnezlo (98) Rutenlo 101,07 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 6 57-71 Ta 74 W 75 Re Renlo 185,207 OS Ir Pt Au Hg TI Talllo 204.38 Pb Plombo 207,2 Bi Po Rn 7 Fr Franclo (223) 88 Ra Radio (226) 89-103 Rf 110 111 112 116 117 118 56 72 73 42 Mo Molibdeno 95.96 Vanadio 50,9415 Cromo 51,9961 Metalli alcalino terrosi Lentanidi Metalli del Post- transition metals 3 Na Sodio 22,9897 ... 19 Mg Magnesio 24.305 Rf Sconosciuto Attinidi bloomo d AI He Ello 4,002602 10 2 Li Litio 6.94 Be Berlillo 9,012182 H Gas Metalli alcalini Semimetalli Non mete Ili Alogeni Ges nobili Hg Liquidi Metallo Ne Neon 20,1797 18 Kr 46 48 In Sb Te - 54 Xe Rb Rubidio 85,4678 55 Zr Indlo 114,818 As Arsenico 74.92160 CI Cloro 35.45 35 2 273 drogeno 1.008 IED

I Metalli più Comuni

• Argento (Ag)
• Alluminio (Al)
• Ferro (Fe)
• Rame (Cu)
• Oro (Au)
• Zinco (Zn)
• Platino (Pt)
• Piombo (Pb)
• Stagno (Sn)
• Titanio (Ti)
• Mercurio (Hg)

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Elenco dei Metalli Comuni

• Argento (Ag)
• Alluminio (Al)
• Ferro (Fe)
• Rame (Cu)
• Oro (Au)
• Zinco (Zn)
• Platino (Pt)
• Piombo (Pb)
• Stagno (Sn)
• Titanio (Ti)
• Mercurio (Hg)

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Leghe Metalliche

• Una lega è una miscela di due o più elementi in soluzione solida in cui il maggior componente è un metallo.
• La maggior parte dei metalli puri sono troppo teneri, o fragili o chimicamente reattivi per usi pratici!
• Combinare differenti percentuali di metalli in una lega modifica le proprietà del metallo puro producendo caratteristiche desiderate.
• Lo scopo di fare una lega è generalmente rendere il metallo meno fragile, più duri, resistenti alla corrosione o avere un colore e una lucentezza più desiderabile.
• Fra tutte le leghe metalliche in uso oggi , le leghe di ferro (acciaio, ghisa, acciaio inossidabile, acciaio legato) costituiscono la più ampia produzione sia in quantità che in valore.

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Leghe Comuni e Loro Composizione

Bronzo	Ottone	Acciai	Leghe di Alluminio
Rame + stagno Rame + Alluminio Rame + Nichel	Rame + Zinco	Leghe ferro + carbonio + cromo + nichel + molibdeno + altri	Alluminio + altri tra cui Silicio, Zinco, Magnesio, Manganese

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Fenomeni Degenerativi dei Metalli

Clivaggio (rottura per)	frattura fragile che manifesta un distacco rapido fra i piani reticolari orientati a 45° rispetto all'asse di trazione in assenza di deformazione plastica. Avviene sempre nelle ceramiche mentre nei metalli compare a bassa temperatura.
Creep (scorrimento viscoso)	È la tendenza di un materiale solido a deformarsi permanentemente sottoposto a una sollecitazione prolungata ed elevata (al disotto del limite di snervamento) ad elevate temperature(al disotto della T fusione). Es: creep di una Turbina
Fatica (rottura a)	Rottura dovuta alla presenza di sforzi ciclici per valori dello sforzo molto inferiori al limite di snervamento / rottura.
Corrosione	Nasce dal naturale processo che converte un metallo raffinato in una sua forma più stabile come ossidi, idrossidi e solfiti. E' la naturale distruzione dei metalli a seguito delle reazioni elettrochimiche dell'ambiente.
Usura	Distrugge il metallo in presenza di un ambiente dove c'è attrito tra il pezzo e altre componenti.

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Tipi di Degenerazione dei Metalli

Clivaggio (rottura per) Creep (scorrimento viscoso) Fatica (rottura a) NEW DIanc Pad Worn Brake Pad Corrosione Usura

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Isotropia e Anisotropia nei Materiali

In una sostanza isotropa, le proprietà fisiche o meccaniche non dipendono dalla direzione in cui si analizza la sostanza stessa. ES: l'indice di rifrazione nel vetro che indica che il comportamento della luce è uguale in tutte le direzioni) In una sostanza anisotropa le proprietà fisiche dipendono dalla direzione in cui si analizza la sostanza stessa. ES: in una tavola di legno, la resistenza meccanica dipende da come è orientata la forza esterna rispetto alle fibre della tavola stessa. Sono ISOTROPI i solidi amorfi e, in buona approssimazione, quelli policristallini. Sono ANISOTROPI solidi monocristallini non cubici e i materiali fibrosi NOTA: un materiale può presentare comportamento Anisotropo solo per alcune proprietà fisiche

Esempio di Isotropia e Anisotropia

Immaginiamo di avere una sfera di Vetro e di schiacciarla lungo 3 direzioni diverse (blu rossa e verde) scopriremo che si rompe sempre allo stesso valore di pressione P Pblu=Prosso=Pverde Se ho una sfera di fibra di carbonio o legno scopriremo che si romperà a 3 diversi valori per cui ruotando la sfera il materiale risulterà più o meno resistente Pblu<>Prosso<>Pverde

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Cristallo e Solido Amorfo

Gradi di Ordinamento della Struttura

• monocristallino o cristallo, presenta una struttura altamente ordinata e il suo reticolo è continuo e intatto
• struttura policristallina : composta da un ampio numero di singoli cristalli ( anche detti grani o cristalliti) tenuti insieme e da un sottile strato di solido amorfo. Le dimensioni dei cristalliti possono variare da pochi nanometri a diversi millimetri. La maggior parte dei materiali inclusi metalli e diverse ceramiche sono policristallini.
• Solido Amorfo o non-cristallino : la sua struttura non presenta ordine a lungo raggio. Possono presentare 2 stati:
  • stato vetroso (duro, rigido e fragile)
  • stato gommoso (morbido, flessibile, plastico e viscoso)

Crystalline Polycrystalline . O · Si Il vetro è costituito da silice amorfa (SiO2). Come tutti i solidi amorfi, non presenta ordine a lungo raggio. Amorphous

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I 14 Reticoli di Bravais

P α, β, γ + 90° Triclinic a P C ß # 90° a, y = 90° ₿ #90° a, y = 90° Monoclinic Y B B a a P C 1 F a+b+c a+b=c a+b+c a+b+c Orthorhombic c C C C a a a a b b b b P 1 a+c Tetragonal C c a a a P a=B=Y #90° Y a a Tetragonale a corpo centrato (tcc) Body Centred Tetragonal (bct) Hexagonal U a P (pcc) I (bcc) F (fcc) Cubic 0 C a Cubico a corpo centrato (ccc) Body Centred Cubic (bcc) Cubico a facce centrate (cfc) Face Centred Cubic (fcc) Rhombohedral P