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Materiali metallici: quali sono, caratteristiche chimiche, usi

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L’acciaio è uno dei materiali più utilizzati in edilizia e nel mondo delle costruzioni in genere. L’acciaio però non è tutto uguale e per questo è necessario conoscere e capire quali sono le varie differenze tra i vari tipi di acciaio come l’acciaio al carbonio. 

materiali metallici
Tour Eiffel a Parigi (foto di philriley – Fonte: pixabay.com)

I materiali metallici: cosa sono

I materiali metallici, come suggerisce la parola stessa, sono dei
materiali che sono costituiti di metalli o di loro leghe che sono ricavati
dalla lavorazione di minerali attraverso vari processi metallurgici.

I materiali metallici sono caratterizzati da una struttura chimica cristallina compatta e omogenea, che li rende simili al corpo isotropo sotto un particolare aspetto: quello di possedere
le stesse caratteristiche fisiche in ogni direzione.

I relazione alla loro natura quindi i materiali metallici vengono distinti in:

  • Materiali ferrosi o siderurgici, di cui parleremo in questo articolo: quelli ricavati da minerali di ferro;
  • Materiali metallici non ferrosi: quelli non contenenti ferro ma costituiti di altri metalli o loro leghe, come rame, alluminio, zinco e piombo.

I materiali ferrosi o siderurgici

I materiali ferrosi o siderurgici sono quelli ottenuti dalla fusione
in altoforno e dalle successive lavorazioni dei minerali di
ferro. Questi materiali sono in genere costituiti di leghe fatte
quasi esclusivamente di ferro e carbonio nelle quali il ferro svolge
il ruolo di metallo principale. A seconda degli elementi componenti  la
lega, le caratteristiche dei materiali variano notevolmente e i prodotti
vengono distinti in:

  • Ghise: sono ottenute direttamente dalla fusione in altoforno del minerale ferroso e hanno un contenuto di carbonio assai elevato che va dal 2,06% al 4%;
  • Acciai: sono ottenuti mediante decarburazione parziale delle ghise attraverso vari processi di affinazione. Hanno un contenuto di carbonio inferiore al 2,06% e possono a loro volta essere suddivisi in:
    • Acciai al carbonio o comuni: contengono unicamente ferro e carbonio, oltre a modeste percentuali di impurità. A questa categoria appartengono gli acciai da carpenteria utilizzati in edilizia (in base alla percentuale di carbonio vengono classificati Fe 360, Fe 420, Fe
      510);
    • Acciai Bassolegati: contengono vari elementi di lega, in
      percentuale inferiore al 5%;
    • Acciai legati o speciali: a questa categoria appartengono i famosi acciai inossidabili e sono quelli che contengono vari elementi di lega, in percentuale superiore al 5%.
  • Ferro dolce: è ottenuto dalla decarburazione pressoché totale della ghisa, fino a un tenore di carbonio inferiore allo 0,1%.

Utilizzi dell’acciaio in edilizia

L’acciaio come abbiamo accennato in precedenza, è uno dei materiali più utilizzati in edilizia e nelle settore delle costruzioni per le sue caratteristiche e qualità fisiche e meccaniche. Oltre alle
barre per calcestruzzo armato, le reti elettrosaldate
per i getti e i vari elementi strutturali (travi, pilastri, etc.), esistono
numerosi semilavorati che si possono raggruppare in maniera
sintetica nelle seguenti categorie:

  • Profilati laminati a caldo;
  • Lamiere;
  • Lamiere grecate;
  • Profilati formati a freddo;
  • Tubi per condotte;
  • Profili per serramenti;
  • Grigliati;
  • Lamiere stirate;
  • Lamierino porta intonaco

Il ferro allo stato puro non trova applicazioni pratiche in edilizia e ogni prodotto siderurgico è una lega, che sono miscele di più metalli.

Cos’è l’acciaio al carbonio

La maggior parte dei prodotti ferrosi impiegati in edilizia è realizzata con i cosiddetti acciai al carbonio, o acciai comuni, costituiti da leghe di ferro con diversa percentuale di carbonio, che contengono anche modeste quantità di altri elementi, la cui presenza modifica le caratteristiche del materiale.

A seconda delle lavorazioni subite, gli acciai al carbonio possono essere:

  • effervescenti: sono quelli che hanno subito processi di
    disossidazione;
  • calmati e semicalmati: a seconda del grado in cui viene spinta la disossidazione.

Il calmaggio consiste nell’aggiunta di modeste quantità di alluminio che consentono di migliorare l’omogeneità del materiale e di eliminare gli elementi gassosi disciolti.

In genere, esso conferisce all’acciaio una cristallizzazione più fine rispetto a quella dei prodotti effervescenti.

L’acciaio al carbonio può essere distinto in due categorie principali in
base ai loro impieghi:

  • Acciaio da costruzione o da carpenteria: sono impiegati in forma di
    profilati, barre, lamiere etc. per realizzare strutture metalliche
    costituite da elementi saldati, bullonati chiodati;
  • Acciaio per calcestruzzo armato: sono costituiti da barre, fili, etc. impiegati per l’armatura dei getti.

Sono inoltre prodotti diversi materiali siderurgici che servono a realizzare svariate applicazioni costruttive, come lamiere sottili, profilati a freddo, tubi, etc.

Influenza del carbonio sull’acciaio

La quantità di carbonio presente nella lega è il fattore che determina le caratteristiche meccaniche del materiale ferroso. Quanto maggiore è la percentuale di carbonio tanto più il materiale è duro e resistente ma, nello stesso tempo, difficilmente saldabile, a comportamento fragile, poco duttile e poco malleabile.

Gli acciai al carbonio di solito vengono impiegati allo stato grezzo di laminazione, cioè senza essere sottoposti a trattamenti
termici.

Vediamo di seguito una tabella con le caratteristiche meccaniche e gli impieghi più comuni degli acciai al variare del tenore (percentuale) di carbonio.

 

Tipo di acciaio

 

Extradolce

Dolce

Semiduro

Duro

Extraduro

Tenore di carbonio (%)0,10 – 0,150,15 – 0,300,30 – 0,450,45 – 0,650,65 – 0,80
Durezza Brinel (Kg/mm2)130 – 170170 – 190190 – 250 250 – 270 270 – 330
Allungamento (%)36 – 22 22 – 15 15 – 10 10 – 7 7 – 3
Carico di rottura a trazione (Kg/mm2)

333 – 412

34 – 42

412 – 540

42 – 55

540 – 686

55 – 70

686 – 785

70 – 80

785 – 1177

80 – 120

Impieghi più comuni

– lamiere

– tubi

– fili

– viti

– bulloni

– catene

– profilati

– barre C.A.

– lamiere

– tubi

– rotaie

 

– barre per C.A.

– rotaie

– fili per cavi

– molle

– scalpelli

– seghe

– barre e fili per C.A.P.

– utensili vari

Designazione convenzionale degli acciai

La tecnica siderurgica è ormai in grado di produrre un numero
straordinariamente grande di tipi di acciaio, adatti per ogni
specifica lavorazione e diversi tra loro per gli elementi che compongono la
lega e per i processi di lavorazione e di trattamento subiti. Ciò rende
particolarmente importante disporre di criteri di classificazione che consentano di individuare in modo univoco ogni tipo di acciaio.

In particolare, la norma prevede che gli acciai al carbonio vengano indicati con il simbolo del metallo base (Fe) seguito dal valore minimo garantito del carico unitario di rottura a trazione espresso in N/mm2 e da una delle prime quattro lettere dell’alfabeto indicanti il grado di sensibilità alla frattura fragile.

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