Metallo

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Il ferro, uno dei metalli più noti.

Il metallo è un materiale che riflette la luce conferendole una particolare tonalità (detta appunto metallica), un ottimo conduttore di calore e di elettricità, generalmente intaccato dagli acidi (con sviluppo di idrogeno) ma non dalle basi, spesso con buone caratteristiche di resistenza meccanica.

Caratteristica essenziale del metallo è la sua struttura regolare basata sulla ripetizione di una cella elementare. Le più comuni celle sono la c.c.c (cubica corpo centrato), c.f.c (cubica facce centrate; esempi: rame e alcune sue leghe, acciaio austenitico, leghe di alluminio o di nichel) ed e.c.(esagonale compatto).

Sottoraffreddato dallo stato liquido un metallo si solidifica in grani, le cui dimensioni sono immagine della temperatura a cui avviene il processo e i cui bordi rappresentano un'importante zona di discontinuità della struttura metallica. Maggiore è il sottoraffreddamento, minore sarà il raggio critico al di sotto del quale si decostruiscono gli embrioni dallo stato solido; inoltre per un maggior numero di embrioni che diventano grani risulterà minore la dimensione del grano metallico. Quest'ultimo aspetto ha fondamentale importanza nello studio della resistenza a deformazione: a temperatura ambiente la frattura a trazione avviene per rottura dei grani e non per distacco tra essi, a causa del maggior contenuto energetico, e quindi migliore coesione, associato alla distorsione dei giunti cristallini. Per contro all'aumentare della temperatura la maggiore mobilità dei difetti, concentrati nei giunti, ne abbassa notevolmente la coesione (frattura intercristallina).

I metalli non tendono a tenersi gli elettroni in eccesso per raggiungere la configurazione elettronica dei gas nobili: hanno quindi un basso potenziale di ionizzazione e una scarsa affinità elettronica. Il contrario accade per i semimetalli ed a maggior ragione per i non metalli.

Queste caratteristiche sono tutte dovute al particolare tipo di legame presente fra gli atomi di una sostanza metallica: gli orbitali di legame, tutti fusi in un unico enorme orbitale grande quanto il singolo pezzo di metallo, e quindi detti collettivamente banda di legame, non sono saturati di elettroni ma presentano grandi spazi vuoti che consentono agli elettroni di muoversi liberamente all'interno del reticolo cristallino; si parla per questo di gas di elettroni. La disponibilità di tante cariche libere spiega bene l'ottima conducibilità elettrica e termica, insieme alla proprietà di assorbire e/o riflettere la luce totalmente anche in strati sottilissimi, di poche decine di atomi.

Generalmente gli elementi chimici metallici sono quasi tutti nella zona di transizione centrale della tavola periodica, fra i alcalino-terrosi e gli alogeni; sono quasi tutti di peso atomico medio o medio-alto; gli elementi metallici più leggeri possono essere portati allo stato metallico solo con difficoltà.

I metalli (nome esteso minuscolo secondo IUPAC) e le loro leghe più comuni sono:

l'argento (Ag)
il ferro (Fe)
il rame (Cu)
l'oro (Au)
il platino (Pt)
il piombo (Pb)
lo stagno (Sn)
il titanio (Ti)
il mercurio (Hg)
il bronzo (lega rame-stagno, ma anche -alluminio, -nichel, -berillio)
l'ottone (lega rame-zinco, con aggiunta di Fe, As, Sn, Sb, Al, ed altri metalli e semimetalli)
gli acciaii (leghe ferro-cromo-nichel-molibdeno ed altri metalli cobalto, vanadio)

[modifica] Metalli pesanti

Vengono generalmente (ma impropriamente secondo IUPAC) definiti metalli pesanti tutti quei metalli con alta massa atomica ed elevata densità (indicativamente > 4 000 kg/m³). Ad esempio rame, piombo, mercurio e zinco sono considerati metalli pesanti, così come in generale metalli del blocco d, i lantanoidi e gli attinoidi, secondo IUPAC,(fra cui uranio e plutonio). Gli organismi viventi sono molto sensibili ai metalli pesanti, che oltre una soglia di concentrazione molto bassa (a seconda dell'elemento) sono tossici.

[modifica] Difetti del cristallo

La ripetitività della struttura cristallina è interrotta localmente da difetti che possono essere di vario genere.

Difetti di punto: sono le occasionali vacanze (la cui concentrazione dipende dalla temperatura secondo un legame esponenziale), gli atomi sostituzionali o interstiziali (specie quando nelle soluzioni solide è notevole la differenza nelle dimensioni degli elementi componenti), gli atomi autointerstiziali (nel caso di atomi uguali a quelli del reticolo), i difetti di Frenkel (uno ione positivo lascia la sua posizione reticolare, creando così una vacanza cationica, per andare a formare uno ione interstiziale) e di Schottky (coppia di una vacanza anionica e cationica in un solido ionico).
Difetti di linea: separano parti che hanno subito lo slittamento da altre che non lo hanno subito. Accumulano tensione e per effetto dell'applicazione di sforzi tendono a moltiplicarsi. Sono detti dislocazioni.
Difetti di superficie: ovvero i bordi di grano presso i quali cambia interamente l'orientamento dei piani di reticolo da un grano all'altro.
Difetti di volume: le irregolarità nella sequenza ordinata dei piani cristallini nel metallo.

Poiché questi difetti influenzano enormemente il comportamento metallico sono estremamente importanti per la metallurgia.

[modifica] Elasticità e plasticità del metallo

Sottoposto ad uno sforzo crescente, il metallo in un primo tempo si deformerà linearmente secondo la legge di Hooke in maniera elastica, e reversibile una volta cessato il carico.

L'aumentare dello sforzo oltre un certo limite imporrà in seguito una irreversibile deformazione plastica accompagnata dall'incrudimento, cioè un aumento progressivo della resistenza alla deformazione ed un carico di rottura sempre maggiore. Se il valore teorico di energia necessario per deformare plasticamente un campione è notevolmente maggiore rispetto a quello in effetti necessario, ciò è dovuto alla presenza di dislocazioni, ossia discontinuità di linea nella struttura cristallina che a seconda della forma sono dette a vite, a spigolo o mista.

La frattura si distingue a seconda della natura del metallo in duttile o fragile. Nel primo caso il metallo si deforma sensibilmente nel campo plastico, si verifica uno strizzamento a causa dei microvuoti venutisi a creare e la superficie di frattura ha la caratteristica forma di coppa cono. Nel secondo caso la frattura è improvvisa, subito oltrepassato il limite elastico e la superficie è perpendicolare alla direzione dello sforzo, di aspetto brillante e cristallino.

[modifica] Fenomeni degenerativi

Un particolare tipo di frattura fragile è il cosiddetto clivaggio (tipico della struttura c.c.c, e.c più raramente), frutto di sforzi elevati condotti a bassa temperatura. Il clivaggio è in genere transgranulare ma può essere anche intergranulare se a bordo grano sono presenti particolari precipitati o impurezze.

Il creep è invece un fenomeno che avviene ad alte temperature che in funzione del tempo vede prima l'aumento delle dislocazioni e l'incrudimento, fenomeno non attivato termicamente (creep primario) quindi il disancoramento delle dislocazioni (fenomeno questo si attivato termicamente) che comporterà la rottura dopo aver pareggiato l'intensità dell'incrudimento (nel creep secondario la velocità di creep diventa stazionaria) la supera, accelera la velocità di deformazione ( creep Terziario) e induce la rottura.

Creep dei metalli: Deformazione plastica dipendente dal tempo detta anche scorrimento viscoso a caldo che avviene quando un materiale metallico è sottoposto ad una sollecitazione costante a temperatura elevata. Il meccanismo del creep viene illustrato da curve che riportano la deformazione in funzione del tempo e si può suddividere in varie fasi:

Allungamento elastico istantaneo

Creep primario: La velocità di deformazione decresce con il tempo, a causa del blocco delle dislocazione e conseguente incrudimento.

Creep secondario: A tempi maggiori, la diffusione degli atomi, permette un parziale sblocco delle dislocazioni rendendo nuovamente possibile il loro scorrimento. Il blocco e lo sblocco si equilibrano e la velocità di deformazione rimane pressoché costante.

Creep terziario: La velocità di deformazione aumenta rapidamente e in breve il materiale arriva a rottura, in seguito alla formazione di microvuoti al bordo grano ed il successivo scorrimento dei grani tra di loro.

Nota: L’aumento della temperatura provoca l’innalzamento della curva di creep e la diminuzione della durata delle varie fasi (il materiale si rompe più velocemente).

La fatica è quel fenomeno per il quale un metallo sottoposto ad uno sforzo ciclico può pervenire a rottura anche per valori dello sforzo molto al di sotto del suo limite limite di snervamento. Ad una prima fase di incrudimento (hardering) segue l'assestamento microstrutturale (softering), l'orientarsi delle dislocazioni presso precise bande di slittamento, il presentarsi presso la superficie di caratteristiche microintrusioni e microestrusioni. È lungo le bande di slittamento, che si presentano dopo appena il 5% della vita utile del campione, che avrà luogo la rottura il cui punto di innesco è appena al di sotto della superficie. La rugosità superficiale è un parametro importantissimo per quel che riguarda la resistenza a fatica di un metallo.

Fatica dei metalli: I materiali vengono sottoposti a sollecitazioni cicliche che possono portare a rottura il componente anche per carichi inferiori al carico di rottura; queste prove avvengono in prevalenza su componenti in movimento e si articolano in 3 fasi:

Innesco della cricca: in un punto in cui la geometria del componente permette una concentrazione degli sforzi oppure in corrispondenza di difetti.

Propagazione della cricca: avviene per effetto dell’applicazione ciclica dello sforzo e provoca una riduzione della sezione resistente.

Rottura finale: Avviene in corrispondenza del raggiungimento delle dimensioni critiche da parte della cricca.

Lo studio della resistenza a fatica dei materiali viene effettuato con prove accelerate su provini già dotati di intaglio (pre – ciccati) e i risultati vengono riportati in grafici “sforzo-numero di cicli a rottura” [σ-N]. Alcuni materiali presentano un limite di fatica, ovvero una asintoto della curva [σ-N], al di sotto del quale non si ha più diminuzione della resistenza a fatica all’aumentare di N (es. Acciaio 1047). su provini già dotati di intagli (pre – ciccati)

La corrosione nasce dalle iterazioni di ossidoriduzione con l'ambiente e naturalmente è particolarmente dannosa per i metalli. Si cercano espedienti per prevenire come un rivestimento in PVC, la verniciatura o utilizzare un anodo sacrificale. Variegata la casistica: la corrosione può avvenire in fessura o per aerazione differenziata, intergranulare, per 'pitting (superato in un punto il film protettivo), esaltata da un ambiente galvanico o dalle forti tensioni cui il pezzo è soggetto.

L'usura infine distrugge il metallo in presenza di un ambiente tribologico dove cioè vi è attrito tra il pezzo e altre componenti. L'usura può essere dovuta alle forze fluidodinamiche, è detta tribossidazione in un ambiente particolarmente aggressivo, si dice adesiva, quando è determinata da microgiunzioni venutesi a creare tra le creste di rugosità di due corpi in mutuo slittamento l'uno sull'altro, o erosiva quando semplicemente una superficie è in moto relativo contro particelle particolarmente dure. Un caso particolare risulta la corrosione-erosione, in cui un'usura superficiale non eccessiva è però sufficiente ad asportare lo strato superficiale passivato, ripresentando quindi metallo vivo agli agenti corrosivi.