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Lavorazioni per deformazione plastica tutto di tutto

 

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Lavorazioni per deformazione plastica tutto di tutto

 

Ogni corpo o più propriamente ogni sistema continuo isotropo, soggetto ad una sollecitazione, si deforma in proporzione all'intensità dello sforzo applicato, alla natura del materiale e ad altre condizioni fisiche. In generale una deformazione elastica è una deformazione che scompare al cessare della sollecitazione, altrimenti si ha una deformazione plastica o permanente. In generale vi sono materiali che hanno praticamente solo deformazione plastica e materiali che sono elastici fino un certo valore della sollecitazione, dopo il quale si ha plasticità fino alla rottura.

Inoltre possiamo definire la deformazione come omogenea, allora ogni elemento di volume del sistema continuo si deforma allo stesso modo indipendentemente dalla sua posizione, e non omogenea, se elementi uguali di volume del corpo si deformano in maniera diversa a seconda della posizione.

 

Da Wikipedia

 

 

• Fine articolo Lavorazioni per deformazione plastica tutto di tutto

 

Lavorazioni per deformazione plastica tutto di tutto

 

LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

GENERALITÀ
È un metodo di lavorazione in cui si imprime al materiale metallico la forma voluta sfruttandone le
proprietà plastiche, cioè la capacità di deformarsi in modo permanente, sia a caldo che a freddo,
quando è sottoposto ad appropriate forze.
La deformazione plastica a caldo richiede l’impiego di forze più piccole rispetto a quella a freddo e
si possono avere deformazioni anche notevoli senza rischi di rotture o fessurazioni; mentre quella a
freddo richiede l’impiego di grandi forze anche per piccole deformazioni, ma in compenso si
ottengono prodotti con maggiore precisione dimensionale.
I materiali sottoponibili a queste lavorazioni devono avere quelle proprietà tecnologiche quali
malleabilità, duttilità, piegabilità che consente loro di sopportare le forze applicate per deformarli
senza né rompersi, né che si vengano a formare dei difetti nel materiale evidenti o nascosti che non
ne permetterebbero il successivo utlizzo. Così, ad esempio, le ghise non possono mai essere
deformati né a caldo, né a freddo non possedendo tali proprietà.
Queste lavorazioni avvengono a volume costante, quindi dal materiale di partenza avente una certa
forma e dimensioni, si ottengono pezzi con forme e dimensioni diverse, ma con volume di materiale
uguale a quello di partenza. In realtà parte del materiale viene perduto per le ossidazioni che subisce
il materiale, soprattutto alle alte temperature, ma è una piccola percentuale rispetto al volume
iniziale del materiale trattato.

Le più comuni lavorazioni per deformazione plastica sono:

LAMINAZIONE, TRAFILATURA, ESTRUSIONE, FUCINATURA, STAMPAGGIO.

LAMINAZIONE
Consiste nella trasformazione dei lingotti (o masselli), ottenuti in acciaieria, in prodotti
commerciali utilizzabili per le successive lavorazioni, chiamati semilavorati. La laminazione sfrutta
la proprietà tecnologica di malleabilità, ovvero sono laminabili i materiali malleabili.

Questa lavorazione plastica ha una duplice funzione:
1. riduce progressivamente la sezione dei lingotti, allungandoli e trasformandoli in semilavorati;
2. uniforma le dimensioni e l’orientamento dei cristalli, migliorando così la resistenza del materiale.
La riduzione di sezione è ottenuta facendo passare più volte il lingotto o la barra, opportunamente riscaldati (per gli acciai a circa 1000 ¸ 1300 °C), attraverso l’azione di due cilindri lisci o sagomati,
ruotanti in senso contrario.
La laminazione può avvenire a caldo in un intervallo di temperatura in cui il metallo da laminare
presenta la massima plasticità (temperatura maggiore dei 2/3 della temperatura di fusione), così da
ottenere notevoli riduzioni di sezione per ogni passata. In genere, questo tipo di laminazione serve
per ottenere pezzi lavorati di grossa taglia (lamiere, profilati, e tondi di medio e grosso spessore).

La laminazione a freddo, praticamente a temperatura ambiente, viene effettuata su lamiere di
piccolo spessore, per ottenere lamierini sottili con spessori precisi. In questo caso le riduzioni di
spessore sono molto piccole, poiché a freddo diminuisce di molto la plasticità del materiale.

Principio della laminazione
L’effetto dei cilindri sul materiale si esplica con delle forze che tendono a schiacciare il materiale
riducendone lo spessore e da altre forze che spingono il lingotto facendolo avanzare nella direzione
di laminazione.
La forza F è la risultante delle azioni del cilindro sul pezzo lungo l’arco di contatto che sottende l’angolo a
Dalla scomposizione di tale forza nelle direzioni perpendicolare e parallela alla direzione di laminazione si ottengono le due forze Fv che tende a schiacciare il materiale Fo che ostacola l’avanzamento del lingotto.

Sempre lungo l’arco di contatto agisce la forza d’attrito
Fa = f × F (f coefficiente d’attrito) tangente all’arco; dalla sua scomposizione si nota che la componente
Fp nella direzione della laminazione, tende a fare avanzare il pezzo.

Il coefficiente d’attrito f dipende dalla temperatura, dalla finitura superficiale e dalla velocità dei
cilindri; nel caso di laminazione a caldo degli acciai con cilindri d’acciaio f » 0,36.

Dal confronto di tali forze, l’avanzamento del pezzo dovuto alla rotazione dei cilindri si ha solo se
Fp > Fo
Per il rispetto di tali condizioni, è opportuno che l’angolo di afferraggio a indicato in figura non superi i 24°; per gli acciai si assume, di solito a = 20° ¸ 21°.

Ciò avviene quando il diametro dei cilindri è almeno uguale a
quindici volte la riduzione di spessore della barra in una passata.
D ³ 15 (S-s)

Si chiama rapporto di laminazione R il rapporto tra la sezione finale a e la sezione iniziale A
della barra laminata.

LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

Impianti di laminazione
Il più semplice impianto è composto da un forno di riscaldo, da una gabbia dove sono alloggiati i cilindri,
da un motore con i relativi organi di trasmissione, da un sistema di trasporto, generalmente a rulli, da un
sistema di raffreddamento dei cilindri.
Per quanto riguarda il numero e la disposizione dei cilindri nella gabbia si hanno i tipi principali di laminatoi indicati di seguito.

Laminatoio duo
È il più elementare essendo costituito da due soli cilindri. Può essere:
irreversibile quando non è possibile invertire il senso di rotazione. Questo tipo di laminatoio è poco usato da solo, ma è diffuso nei treni di laminazione costituiti da diverse gabbie disposte una di seguito all’altra;

reversibile quando si può invertire il senso di rotazione dei cilindri; in questo caso, su comando dell’operatore, dopo ogni passaggio del massello metallico s’inverte il senso di rotazione e si avvicinano fra di loro i cilindri per permettere ulteriori diminuzioni di spessore.

Laminatoio doppio duo
È costituito da due coppie di cilindri disposti a differente altezza, su piani verticali diversi e ruotanti in modo da ottenere i due sensi di laminazione. Il massello passa prima tra una coppia di cilindri e, successivamente,
invertendo il suo movimento, tra i cilindri della seconda coppia. I cilindri di ogni coppia ruotano sempre nello stesso senso e, dopo ogni passata, i cilindri di ognuna delle coppie vengono avvicinati.

Laminatoio trio
È costituito da tre cilindri disposti uno sopra l’altro. Il massello da laminare è introdotto prima tra il cilindro
superiore e quello intermedio e successivamente tra quello intermedio e quello inferiore.
Occorrono banchi elevabili o carrelli elevatori per spostare ai due livelli i pezzi da lavorare.
Per questo motivo si usa per la laminazione a caldo di barre, tondi e profilati di medie dimensioni e quindi non troppo pesanti.

Laminatoio quarto
È costituito da due grandi cilindri folli che sostengono i due cilindri di lavoro (o motori) di diametro più piccolo. In tal modo vengono ridotte le deformazioni per flessione dei cilindri. Questo tipo di laminatoio è utilizzato prevalentemente nel campo della laminazione a freddo.

Laminatoio Sendzimir
È costituito da una gabbia in acciaio da costruzione nella quale sono montati due piccoli cilindri di lavoro appoggiati a due o tre file di cilindri di sostegno. È utilizzato per lavorazione di laminati molto sottili con tolleranze sullo spessore molto strette e gradi elevati di finitura superficiale.

Cilindri
I cilindri dei laminatoi hanno forma e dimensioni variabili in funzione del prodotto che si deve ottenere. La loro lunghezza è circa 3 volte il loro diametro. In genere sono bombati (0,1 ¸ 0,2 mm) per eliminare gli effetti deformanti dovuti all’inflessione dei cilindri. La distanza tra i cilindri si chiama calibro. Per la lavorazione di tondi e sagomati si usano dei particolari cilindri conformati in modo che, in successive
passate, il pezzo grezzo assuma la forma voluta.
Sono costruiti in ghisa sferoidale con colata in conchiglia o in terra o in acciaio fucinato trattato termicamente.
Alcuni esempi di cilindri sagomati sono riportati nelle sottostanti figure
Chiaramente le deformazioni avvengono in modo progressivo per ogni passata. Un esempio di
deformazione in vari passaggi, per la fabbricazione di un profilato a doppio T è riportato nella
sottostante figura.

Treni di laminazione
Un insieme di gabbie di laminazione costituisce un treno di laminazione. A seconda della
disposizione delle varie gabbie, i treni di laminazione possono essere semicontinui o continui.
Sono semicontinui quando le gabbie sono disposte una di seguito all’altra a conveniente distanza in
modo che il materiale che esce dalla prima gabbia può passare alla seconda e così via.
È da notare che la distanza tra le varie gabbie è sempre maggiore della lunghezza del laminato, così che sullo stesso si ha l’azione deformante di una sola coppia di cilindri per volta.

L2 > L1

Sono continui quando il materiale è deformato contemporaneamente da più cilindri, per cui la velocità di rotazione di ogni coppia di cilindri va scrupolosamente calcolata: essa dovrà aumentare in proporzione all’allungamento subito dalla barra per ogni passaggio di laminazione. Infatti deve essere rispettata la condizione che fra una gabbia e la successiva non vi sia accumulo o mancanza di materiale. Ciò equivale a dire che la portata di materiale, ovvero il volume che passa nell’unità di tempo, deve essere costante
Portata
volume
tempo
area sezione lunghezza
tempo
area = = sezione

La velocità di laminazione è bassa (V = 3 ¸ 4 m/s) durante le prime fasi di sbozzatura, ma diventa
molto elevata negli ultimi passaggi di finitura (V = 20 ¸ 30 m/s e anche più).

Prodotti della laminazione
I SEMILAVORATI di prima laminazione, prodotti con grossi laminatoi sbozzatori, possono essere a sezione rettangolare (BRAMME) o a sezione quadrata (BLUMI).
Attraverso ulteriori laminazioni, utilizzando cilindri lisci o sagomati, bramme e blumi vengono trasformati in PRODOTTI COMMERCIALI da utilizzare per le lavorazioni meccaniche. I tipici prodotti commerciali, prodotti per laminazione, si presentano sotto forma di :
LAMIERE,
PROFILATI,
BARRE,
NASTRI,
TUBI,
FILI.

I prodotti di prima laminazione, in base alla forma e alla dimensione della sezione, assumono la
seguente denominazione.
· Blumi: barre a sezione quadrata con lato fino a 400 mm.
· Billette: barre a sezione quadrata con lato da 40 a 12 mm.
· Bramme: barre a sezione rettangolare con lato maggiore variabile da 130 a 400 mm.
· Tondi: barre a sezione circolare con diametro maggiore o uguale a 70
mm.
I prodotti di seconda laminazione sono:
· barre, ovvero solidi con sezioni di forma diversa: quadrata, rettangolare, tonda, semitonda, esagonale ecc., normalmente fornite in verghe (vergelle) o in rotoli;
· nastri, ovvero laminati piatti a caldo che dopo il passaggio finale di laminazione vengono arrotolati a spire regolarmente sovrapposte, in modo da formare un rotolo a facce laterali piane: sono chiamati nastri
stretti quando la loro larghezza è inferiore a 600 mm, larghi quando è maggiore;
· profilati, ovvero solidi rettilinei a sezione sagomata a T, a L, a C, a Z, ecc. con le dimensioni di uso corrente riportate in tabelle unificate;
· lamiere, ovvero fogli rettangolari di spessore compreso tra 3 e 12,5 mm;
· lamierini, ovvero fogli rettangolari di spessore inferiore ai 3 mm.

LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

 

TRAFILATURA
È un’operazione di deformazione plastica che sfrutta la duttilità (o trafilabilità) di alcuni materiali
metallici. La lavorazione si esegue costringendo il materiale, mediante trazione, a fluire attraverso
un foro calibrato di forma opportuna, chiamato filiera o trafila, di sezione trasversale più piccola
della sezione del materiale.
Il materiale da trafilare viene ridotto di sezione alla sua estremità, affinchè possa imboccare nel foro della filiera.
Si chiama rapporto di trafilatura R il rapporto tra l’area della sezione finale e quella iniziale dopo il passaggio in una trafila

La velocità di trafilatura dipende, oltre che dal tipo di materiale da lavorare anche dal diametro e
dal tipo di filiera usata; normalmente varia dai 10 ai 30 m/s.

Principio della trafilatura
Poiché la barra viene tirata attraverso il foro con la forza di trazione F , l’operazione di trafilatura è
effettuata generalmente a freddo; infatti solo a temperatura ambiente il metallo possiede resistenza
sufficiente per non rompersi in seguito alle notevoli sollecitazioni di trazione cui viene sottoposto.
La forza di trazione da applicare dipende sia dalla sezione resistente del trafilato, sia dal materiale
che si sta lavorando essendo F1 la forza unitaria in N/mm2 necessaria per permettere la
deformazione;

La forza R produce lo schiacciamento della barra da parte della filiera.
Per lo scorrimento della barra nel cono d’entrata avente angolo a2 (angolo di RIDUZIONE o di
TRAFILATURA) si genera la forza d’attrito A .

Scomponendo tali forze nelle direzioni parallela e perpendicolare alla direzione di trafilatura, si nota
che per l’avanzamento della barra deve essere verificata la seguente relazione:
F > R0 + A0
MATERIALE F1 (N/mm2 )
Acciaio dolce 60
Ottone 30
Rame 20
Portafiliera

Trafilato

Filiera

 

Di fondamentale importanza in questo procedimento è la lubrificazione per poter ridurre l’attrito
tra il trafilato e le pareti della filiera e poter così diminuire lo sforzo di trazione: si usano a questo
scopo lubrificanti come saponi, oli grassi animali e vegetali.
Per effetto della deformazione (schiacciamento dei cristalli), il materiale incrudisce diventando
molto duro e quindi fragile, soprattutto in superficie, con conseguente diminuzione della duttilità.
Pertanto dopo alcuni passaggi nella filiera (3 ¸ 4 nel caso di acciai), è opportuno sottoporre il
materiale a un particolare trattamento termico, detto di ricottura, che lo riconduce ad uno stato più
dolce e quindi di nuovo con elevata duttilità.
I prodotti di partenza sono dei semilavorati di seconda laminazione ottenuti, in genere per
laminazione a caldo (vergelle), oppure semilavorati ottenuti per estrusione.

Filiera
È l’utensile impiegato nella trafilatura. La filiera è costruita con materiali di elevata durezza, per
resistere all’usura cui è sottoposta: acciai legati temprati e rinvenuti (X200Cr13), carburi metallici
sinterizzati (i più usati), diamante industriale per fili molto sottili.
La filiera ha una parte calibrata (a sezione costante) compresa fra due superfici coniche chiamate cono di
entrata che ha lo scopo di facilitare l’imbocco del materiale, cono di uscita che serve ad interrompere lo spigolo vivo della parte calibrata per evitare rigature del trafilato o rotture per fragilità.
L’angolo del cono d’entrata, chiamato angolo di riduzione, assume valori compresi tra 40° e 60°.
Quando il profilo della filiera non è circolare (per esempio esagonale) vengono costruite in parti
componibili da assemblare.
Per limitare il consumo delle filiere, dovuto all’usura provocata dall’attrito che si manifesta per lo
sfregamento del materiale trafilato, occorre un’efficiente lubrificazione.

Banchi di trafilatura
Sono utilizzati per la lavorazione di fili metallici. Sono costituiti (vedi figura) da un banco (A) su
cui sono fissate una serie di filiere (F), di diametro sempre più piccolo, seguite da rulli (o aspi)
avvolgitori (D) azionati da un motore, attraverso un sistema di trasmissione (C).
Il filo, guidato da supporti (G), viene tirato, su ciascuna filiera, dal rullo avvolgitore successivo. I
rulli avvolgitori sono parzialmente immersi in una vasca di lubrificazione (E) con lo scopo di
raffreddare e lubrificare il filo tra un passaggio e il successivo. Alla fine del banco, un tamburo
avvolgitore arrotola il filo in matasse.

Prima dell’inizio dell’operazione, i prodotti da trafilare sono sottoposti a pulitura meccanica (con
spazzole metalliche) e chimica (per immersione in una soluzione acida) per eliminare ogni traccia
di ossido che ricopre la superficie.
Per la produzione di barre, in genere di limitata lunghezza, destinate ad essere lavorate per asportazione di truciolo, si utilizza una trafilatrice a banco. Essa è costituita da un banco in cui scorre, su una catena a rulli, un carrello munito di pinza che afferra la barra da trafilare e la tira lentamente costringendola a passare
attraverso la filiera.

Prodotti ottenibili
Sono fili anche di piccolo diametro, barre, profilati, tubi, con buona finitura superficiale e precisione dimensionale, (tolleranze variabili da h9 ad h11) nettamente superiore a quelle ottenibili con
la laminazione, poiché la trafilatura avviene a freddo. Sono più costosi rispetto ai laminati, ma consentono di risparmiare alcune lavorazioni alle macchine utensili.

FABBRICAZIONE DI TUBI
Possono essere prodotti con o senza saldatura. I tubi saldati si suddividono in tubi con saldatura
longitudinale o elicoidale a seconda di come viene piegata la lamiera che viene utilizzata per la fabbricazione del tubo.
Si ricorre ai tubi saldati quando questi hanno grande diametro e non devono sopportare pressioni eccessive, mentre negli altri casi vengono fabbricati per laminazione, per trafilatura o, nel caso di tubi di piccole lunghezze con profili esterni particolari, per estrusione.
Tubi saldati longitudinalmente
Sono fabbricati a partire da un nastro metallico di larghezza corrispondente allo sviluppo del tubo
da produrre e di spessore uguale.
Le varie fasi di lavorazione sono rappresentate in :
Preparazione dei lembi da saldare su macchine piallatrici o con altri metodi.
Piegatura della lamiera prima a U e poi a O su due grandi presse formatrici.
Riscaldamento del tubo prima della saldatura per evitare ritiri e deformazioni.
Saldatura dei lembi, di solito col metodo ad arco sommerso, eseguita con saldatrici continue e automatiche
Per tubi di grande spessore e diametro si esegue la saldatura anche all’interno.

I tubi così prodotti non possono essere curvati perché si aprono facilmente in corrispondenza della
linea di saldatura, quindi quando per esigenze di utilizzo si deve ricorrere alla curvatura del tubo si
usano i tubi saldati elicoidalmente.

Tubi saldati elicoidalmente
Sono fabbricati avvolgendo il nastro di lamiera ad elica intorno a una spina cilindrica, in modo che i bordi si sovrappongano. Viene successivamente eseguita la saldatura elicoidale ad arco sommerso con procedimenti automatici.
Tutti i tubi saldati sono rigorosamente controllati, in particolare vengono sottoposti a scrupolosi esami i giunti di saldatura per la rilevazione di eventuali difetti esterni e soprattutto interni. Le tecniche di controllo più utilizzate sono quelle che fanno uso di ultrasuoni o di raggi X.
Inoltre si eseguono delle prove idrauliche di resistenza e tenuta con pressioni fino a 20 ¸ 30 MPa.

Tubi ottenuti per laminazione
Il procedimento più usato è basato sulla laminazione obliqua (sistema MANNESMANN). Il processo
avviene in due fasi.
1) Foratura del massello
Il materiale di partenza è un lingotto pieno a sezione circolare portato alla temperatura di massima plasticità (1300°C per gli acciai).
Il lingotto viene trasformato in un tubo grezzo, con le superfici cilindriche irregolari (sbozzato forato), facendolo passare tra due cilindri ad assi sghembi, inclinati di 4° ¸ 8° rispetto all’asse del lingotto. I cilindri hanno un profilo bitroncoconico (sagoma a botte) e ruotano nello stesso senso a 300 ¸ 500 giri/min.
Si distinguono le seguenti zone del profilo:

· zona di presa in cui avviene l’afferraggio del lingotto;
· zona di massima riduzione della sezione;
· zona nella quale agisce la spina;
· zona di calibrazione.

Il lingotto, che si trova allo stato di massima plasticità, è sottoposto nella zona di presa e in quella di massima riduzione a una forte compressione e torsione che tendono a schiacciarlo e a farlo ruotare,
imprimendogli un moto di avanzamento elicoidale.
Le parti più esterne del lingotto, spinte dai rulli che ruotano, scorrono rispetto alle parti più interne,
provocando una lacerazione delle fibre centrali del materiale.
Nella fase successiva, la lacerazione viene allargata da una spina a punta che si insinua nel vano centrale in formazione.
Mentre il lingotto avanza, spinto dai cilindri, la punta della spina penetra allargando e regolarizzando il foro.
Dopo la laminazione il lingotto è trasformato in tubo grezzo dalle pareti molto spesse e di forma
irregolare.

zona di presa
zona zona di azione spina di max riduzione
zona di calibrazione
compressione compressione
torsione

2) Laminazione del forato grezzo
Lo sbozzato forato si trasforma in tubo commerciale attraverso una ulteriore lavorazione che
consente di ridurre lo spessore e regolarizzare le superfici cilindriche.
Ciò avviene in uno speciale laminatoio detto “ a PASSO DI PELLEGRINO” (due passi avanti e uno
indietro).
Tale laminatoio è formato da due cilindri controruotanti, ad assi paralleli, muniti di scanalature
(GOLE) il cui profilo varia radialmente sia in larghezza, sia in profondità (tipo CAMMA).
In tal modo la luce di passaggio tra i due cilindri varia ciclicamente da un diametro massimo (poco
maggiore di quello del forato grezzo) ad uno minimo, pari al diametro esterno del tubo che si vuole
fabbricare.
Nel forato da laminare viene inserito un mandrino di diametro uguale al diametro interno del tubo
che si sta fabbricando.
Durante la lavorazione il tubo viene fatto avanzare e retrocedere alternativamente attraverso un
dispositivo d’avanzamento oleodinamico sincronizzato con la rotazione dei cilindri.
Nella fase di alimentazione, lo sbozzato avanza liberamente nella gola più ampia tra i due cilindri.
Nella fase di laminazione, lo sbozzato incontra la gola nella zona più piccola, viene risospinto all’indietro e durante questa corsa i cilindri operano la deformazione plastica (compressione, stiratura e calibratura), che porta il tubo allo spessore desiderato facendolo allungare.

Tubi ottenuti per trafilatura
Di seguito si riporta solo la lavorazione che consente, a partire da un tubo, di ottenere una riduzione
del diametro, migliore precisione dimensionale e superficie più liscia.
Il tubo infilato in un mandrino viene costretto a passare, per trazione, in una filiera.
Il mandrino può scorrere assieme al tubo nella filiera (TRAFILATURA CON MANDRINO INTERNO LUNGO).
Oppure il mandrino è fisso e fa da tappo alla filiera (TRAFILATURA CON MANDRINO INTERNO CORTO)
permettendo la deformazione del tubo di partenza.

LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

 

FUCINATURA
È una lavorazione per deformazione plastica, eseguita sempre a caldo, attraverso percussioni o
pressioni, in modo da dare al materiale di partenza, portato allo stato pastoso, la forma voluta.
I materiali adatti sono quelli malleabili ed in particolare quelli che passando dallo stato solido allo
stato liquido presentano uno stato intermedio in cui il materiale si presenta allo stato pastoso e
quindi facilmente deformabile per percussione, applicando delle forze dinamiche con martelli o
con MAGLI, o per pressione, applicando delle forze statiche con PRESSE idrauliche o meccaniche.
La fucinatura può essere eseguita a mano, nel caso di pezzi di piccole dimensioni, con martello e
incudine, o a macchina attraverso magli o presse. Il riscaldamento dei pezzi, prima della
lavorazione, viene fatta attraverso la forgia a carbone per la fucinatura a mano, per mezzo di forni
per la fucinatura a macchina.
La fucinatura mantiene le migliori caratteristiche di resistenza meccanica a fatica perché non
interrompe la struttura fibrosa dei materiali, ma si limita a deformarla. Inoltre migliora ed uniforma,
in generale, le caratteristiche meccaniche del materiale, eliminando per l’effetto di schiacciamento
che subisce eventuali difetti interni.
Lo schiacciamento dei cristalli non provoca incrudimento del materiale, in quanto la lavorazione
avviene ad elevate temperature (per l’acciaio 900 ¸ 1150 °C).
I PRODOTTI DI FUCINATURA sono, generalmente, organi meccanici che devono sopportare sforzi
ripetuti quali bielle, manovelle, alberi a gomito, o pezzi difficilmente realizzabili con altre
lavorazioni quali chiavi inglesi, maniglie, coperchi, posate.
In figura sono rappresentate le sezioni di uno stesso particolare meccanico fabbricato con
procedimenti diversi.
Quando è ottenuto per fusione, non si ha alcuna struttura fibrosa, poiché i cristalli non hanno un orientamento privilegiato, ma solo casuale.
Quando è ottenuto per asportazione di truciolo, si ha una struttura fibrosa originaria, dovuta al processo di lavorazione che ha subito (laminazione, trafilatura), interrotta dal taglio del materiale in eccesso. Le fibre sono una schematizzazione dei cristalli allungati nella direzione di laminazione o altra lavorazione tipica che produce lo stesso effetto.
Quando è ottenuto per fucinatura o stampaggio, si ha una struttura fibrosa originaria deformata, in modo più o meno rilevante, a seconda delle entità delle deformazioni che ha subito il pezzo. Questa caratteristica struttura fibrosa induce nel materiale un notevole aumento della resistenza meccanica e della capacità di sopportare urti e sforzi ripetuti (fatica).

Nelle figure sono riportati gli schemi funzionali di un MAGLIO A GRAVITÀ
La mazza, in acciaio legato, di massa variabile da 100 kg a 10000 kg, viene sollevata fino ad un’altezza di 1 ¸ 4 m da sistemi meccanici o pneumatici.
L’incudine fissa ha una massa di 10 ¸ 30 volte maggiore della massa della mazza. Durante la lavorazione, la mazza cade da un’altezza H e colpisce il pezzo disposto sull’incudine fissa.
Nell’urto la mazza cede al pezzo l’energia necessaria per realizzare la deformazione
plastica.
La velocità v dipende dall’altezza di caduta della mazza H .
In realtà una piccola parte di questa energia non è ceduta al pezzo, in quanto viene assorbita dall’incudine e dal terreno su cui poggia la macchina. Studi nel settore hanno dimostrato che l’energia assorbita è tanto maggiore quanto più piccola è la massa dell’incudine e quanto più elastico è il terreno. Pertanto il LAVORO EFFETTIVO che il maglio cede al pezzo vale:
Lm eff = Lm × h essendo h un opportuno coefficiente di rendimento.
Nelle figure sono riportati gli schemi funzionali di un MAGLIO A DOPPIO EFFETTO.
In questo caso la mazza, cadendo dall’altezza H acquista una velocità dovuta sia alla sua forza peso Pm , sia alla spinta S del fluido in pressione nel cilindro che vale
S = p × Acilindro (N)
p = pressione media del fluido nel cilindro
Acilindro = area sezione cilindro
Pertanto l’accelerazione con cui cade la mazza, non vale più g come nel caso di maglio a semplice effetto.

STAMPAGGIO per deformazione plastica

È una lavorazione per deformazione plastica con cui si modificano le dimensioni di un materiale e
gli si da la forma voluta comprimento un massello in una forma metallica chiamata stampo.
Con stampaggio s’intende anche la lavorazione delle lamiere con lo scopo di fare assumere ad esse
una certa forma senza modificarne lo spessore (STAMPAGGIO A FREDDO).
Lo stampaggio della lamiera è eseguita a freddo, mentre lo stampaggio partendo da massello è
eseguita sempre a caldo.
Per l’alto costo della fabbricazione degli stampi, tale lavorazione è riservata alla produzione di
molti pezzi di uguale forma e dimensioni: lavorazione in serie.

Stampaggio a caldo
In figura si vedono le varie fasi per lo stampaggio a caldo di un pezzo meccanico a partire da un massello.
1. Il massello viene posizionato sullo stampo inferiore;
prima di questa fase tutto lo stampo viene lubrificato, in modo da ridurre l’attrito dovuto allo sfregamento del massello che si deforma sulle pareti dello stampo. Per evitare che al contatto stampo massello, quest’ultimo si raffreddi velocemente, perdendo parte della plasticità, si può procedere al preriscaldamento dello stampo.
2. Per effetto della pressione esercitata dallo stampo superiore, il massello si schiaccia assumendo man mano la forma dello stampo. Inoltre l’azione di compressione, prodotta sul materiale dalle pareti dello stampo, provoca una maggiore compattezza e l’eliminazione di gran parte dei difetti interni, spesso presenti nei pezzi fusi.
3. Ad operazione ultimata, il massello originario assumerà la forma voluta e il materiale in eccesso che fuoriesce nel canale di bava verrà successivamente tranciato su apposito stampo.

Il problema essenziale nello studio dello stampaggio è riuscire ad assicurare un corretto e completo riempimento degli stampi.

MATERIALI PER STAMPI
I requisiti essenziali degli acciai per stampi sono la durezza superficiale accoppiata a una buona
tenacità a caldo, la resistenza all’usura e alla corrosione alle alte temperature, la bassa sensibilità
agli sbalzi di temperatura e l’indeformabilità ai trattamenti termici.
Questi requisiti si ottengono impiegando acciai speciali con medio tenore di carbonio (C = 0,35 ¸
0,55%) legati con Cr, Mo, V, o con Ni, Cr, Mo,V.
La durezza dello stampo finito può variare da 48 a 55 HRC secondo che si desideri fare prevalere
rispettivamente la tenacità o la resistenza all’usura.

TIPI DI STAMPI
Stampi aperti
Si prestano per lo stampaggio di pezzi di forma regolare, tale da poter essere divisi in parti
pressochè uguali e simmetriche. La forma della cavità dello stampo (IMPRONTA) riproduce in
negativo la forma esterna del pezzo, mentre le dimensioni vengono aumentate di circa 1% per
tenere conto della diminuzione di volume dello stampato nel raffreddamento fino a temperatura
ambiente. Per facilitare l’estrazione del pezzo dallo stampo si prevedono degli angoli di spoglia (o
di sformo) di valori uguali all’incirca a 6° per gli esterni e a 8° per gli interni.

Lungo tutto il contorno della cavità è praticato un solco, detto canale di bava, entro il quale
deborda il materiale eccedente del massello di partenza. In figura è riportato uno schema.

Stampi semichiusi
Sono adatti per pezzi di forma anche complessa, ma facilmente estraibile dallo stampo. La
deformazione del massello avviene contemporaneamente per compressione e per estrusione. Per
facilitare l’estrazione del pezzo le superfici della cavità vengono lavorate mediante lappatura e le
pareti verticali presentano angoli di spoglia di 3° ¸ 5°.
Anche per questi stampi sono previsti i canali di bava. In figura è riportato uno schema.

Stampi chiusi
S’impiegano per pezzi di forma non ottenibili con altri tipi di stampi. Il semistampo inferiore è
scomponibile in due parti, per cui non sono necessari angoli di sformo. Lo stampaggio avviene senza
formazione di bava e la precisione di forma e di dimensioni del pezzo sono notevoli, quindi sono ridotti
al minimo i sovrametalli.

Pezzo stampato massello stampo punzone bava pezzo stampato
Punzone semistampo fisso
Semistampo mobile
Pezzo stampato

Forma del pezzo da stampare
Semistampo
Superiore mobile
Semistampo
Inferiore fisso
Canale di bava massello
Cavità superiore
Cavità inferiore
Bava pezzo stampato

Questo procedimento, molto costoso per la cura che richiede la fabbricazione degli stampi, si usa
per materiali facilmente deformabili, con minima pressione, a basse temperature e in un intervallo
abbastanza ampio, in modo da scorrere e riempire tutti gli incavi dello stampo, anche se sottili.
Tali materiali sono: certi OTTONI (P-CuSn 40), i BRONZI all’alluminio e al silicio, alcune LEGHE
LEGGERE da lavorazione plastica.
Sono riportati di seguito due esempi di stampaggio.

Stampaggio di una puleggia
Le varie fasi comprendono
Stampaggio di un albero a gomito
Le varie fasi comprendono
del massello cilindrico la riduzione dello spessore
della forma con lo stampo Punzonatura della parte centrale con lo stampo Tranciatura con lo stampo a Sbozzatura della barra di partenza, con stampo aperto, per stirare il materiale al centro e alle estremità
Piegamento dello sbozzato Stampaggio definitivo con lo stampo a conformazione finale
Tranciatura finale della bava con lo stampo a sbavare.
Sgrossatura del massello cilindrico in modo che la riduzione dello spessore provochi un aumento del diametro
Finitura della forma esterna della puleggia con lo stampo a finire
Punzonatura della parte centrale con lo stampo di tranciatura
Tranciatura finale della bava con lo stampo a sbavare

Con ulteriori lavorazioni di finitura si ottiene il pezzo finito commerciale

Fonte: www.istitutopesenti.it/dipartimenti/meccanica/Tecnologia/
LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

LE FASI DELLA METALLURGIA DELLE POLVERI

 

La produzione delle polveri

Le caratteristiche di un prodotto finito dipendono in larga parte dal tipo e dalle caratteristiche delle polveri impiegate: in particolare la costituzione chimica, la purezza, le dimensioni, la forma delle particelle, la granulazione, la struttura della superficie. Metodi di produzione delle polveri diversi consentono di ottenere caratteristiche delle stesse differenti. Attualmente in commercio si trovano polveri a prezzi ragionevoli ottenute per:

• Comminuzione meccanica

I processi meccanici di produzione di polveri sono usati per i pochi casi di metalli fragili, ad esempio antimonio e bismuto, o per triturare depositi spugnosi ottenuti per via elettrolitica. Tale tecnica non è molto usata oltre che per i costi dei molini che devono avere particolari proprietà meccaniche di durezza e resistenza, anche per l’inquinamento delle polveri per l’inevitabile usura dei martelli.

 

• Metodo elettrolitico

Alcuni metalli sono precipitabili in forma di polvere incoerente mediante una reazione di spostamento da una soluzione acquosa di un loro sale, ad esempio il rame mediante spostamento con zinco o ferro da una soluzione del suo solfato. Si ottiene con tale metodo un composto polverulento poco coerente che si frantuma facilmente per azione meccanica. Nella figura si possono osservare particelle di rame ottenute per via elettrolitica caratterizzate da una forma molto irregolare e da un’area superficiale molto elevata.

 

• Riduzione di ossidi

Per la decomposizione di ossidi si possono impiegare come agenti riducenti l’idrogeno, l’ossido di carbonio o il carbonio secondo le reazioni:
MO+H2=M+H2O
MO+CO=M+CO2
MO+C=M+CO
Alcuni metalli facilmente volatili, cioè che presentano alta tensione di vapore a temperature non molto elevate, possono ottenersi in forma di polveri, facendone condensare rapidamente su una superficie fredda il vapore prodotto con un sufficiente riscaldamento.

 

• Atomizzazione

Il metodo più utilizzato di produzione di polveri metalliche consiste nella cosiddetta atomizzazione, cioè nella dispersione di una vena liquida della sostanza con un forte getto di gas o vapore. Inizialmente si produce la lega di cui si vuole ottenere la polvere nel forno elettrico e una volta pronta si spilla nella camera di atomizzazione. Lo spillo viene investito da un getto di acqua o gas inerte e ridotto in goccioline più o meno sferiche le quali solidificano e cadono sul fondo dove vengono raccolte.

 

Una variante di questo metodo è l’atomizzazione centrifuga dove non si parte dal bagno fuso ma dalla barra di materiale del quale si vuole ottenere le polveri. La barra è montata su un dispositivo che la fa ruotare ad alta velocità attorno all’asse. L’estremità è all’interno della camera di atomizzazione dove attraverso un induttore porto a fusione la superficie della barra, la quale ruotando ad alta velocità proietta le goccioline fuse verso l’esterno. Queste vengono poi raccolte sul fondo come polveri. Questo metodo è utilizzato per produrre polveri di titanio per protesi mediche.

 

 

La pressatura delle polveri

Le polveri presentano uno spazio vuoto che varia tra il 70 ed il 90% del volume complessivo occupato, a seconda della morfologia della polvere. Applicando una pressione crescente, la percentuale di spazio vuoto si riduce finchè la densità del pezzo compattato raggiunge dei valori simili a quella del materiale non polverizzato. Una pressione di compattazione sufficientemente alta rende la massa pressata abbastanza consistente da poterla togliere dalla pressa senza che riacquisti lo stato di incoerenza. Il tipo di compattazione più utilizzata è quella assiale bilaterale (Fig.2.1), caratterizata dal movimento opposto di due punzoni ,uno superiore ed uno inferiore.

 

 

 

Questo sistema consente di ottenere una densità più uniforme ed è utilizzata per pezzi con altezza fino a 80 mm.
Una variante della compressione bilaterale è l‘uso di matrici flottanti, dove, la parte di stampo laterale non è fissa, ma è posizionata su delle molle, mentre il punzone inferiore è fisso. Il punzone superiore spostandosi verso il basso comprime le particelle, che per attrito muovono la matrice. In questo caso la distribuzione di densità è molto più omogenea.
Le particelle del verde, cioè del pezzo pressato, sono tenute assieme dal loro concatenamento e dalla formazione di microsaldature dovute alle elevate pressioni specifiche raggiunte nel processo di compattazione.
La forza che deve essere applicata dalla pressa, risulta proporzionale alla proiezione del pezzo su di un piano ortogonale alla retta d‘azione della forza stessa: questo costituisce un limite dimensionale dei pezzi da sinterizzare.

 

 

Pressando la polvere la densità apparente aumenta, e dovrebbe tendere a quella del metallo massivo. Nella realtà le curve costruite dai dati sperimentali dimostrano che la densità teorica non si raggiunge, in quanto all‘aumentare della pressione applicata si verificano due condizioni:
1. La deformazione plastica delle particelle è accompagnata dall‘incrudimento del metallo, che si oppone alla deformazione stessa.
2. L‘area di contatto tra le particelle aumenta e quindi diminuisce lo sforzo di taglio locale, necessario per l‘ulteriore deformazione plastica.

Le proprietà di resistenza dei componenti sinterizzati aumenta con l‘aumentare della densità, ma la loro economicità diminuisce all‘aumentare dell‘energia utilizzata e all‘aumentare del carico sull‘utensile per la pressatura. Per ragioni tecniche ed economi che, si cerca, perciò, il più possibile di ottenere un‘alta densità del compatto con una bassa pressione applicata.
La rappresentazione delle curve densità-pressione ci dà un‘indicazione per raggiungere un compromesso.
Le curve sono ottenute da prove di laboratorio dove un certo numero di compatti vengono prodotti a pressioni diverse. In base alle densità ottenute, si tracciano le curve di comprimibilità. Una caratteristica di queste curve è che la pendenza decresce all‘aumentare della pressione di compattazione e che non si arriva alla densità del materiale massiccio.
Una descrizione del processo di densificazione delle polveri, può essere spiegato analizzando in sequenza i seguenti meccanismi:

- Addensamento della polvere mediante la ridistribuzione delle particelle nello spazio, con passaggio ad una configurazione relativamente più densa.
- Fine dell‘addensamento derivante dalla ridistribuzione delle particelle e deformazione elastica progressivamente crescente. La deformazione puramente elastica delle particelle metalliche porta ad una parte trascurabile di addensamento. Fino a questo punto non si ha coesione tra le particelle, e la massa di polvere ritorna allo stato incoerente se tolta dallo stampo.
- Addensamento della polvere mediante deformazione plastica diffusa delle particelle metalliche. Queste si aggrovigliano e si compenetrano fra di loro mediante le loro asperità e cavità iniziando ad aderire incastrandosi reciprocamente. Il cedimento plastico diffuso dà luogo ad un incrudimento altrettanto diffuso e la velocità di addensamento inizia a diminuire. L‘estendersi dell‘incrudimento comporta un aumento delle pressioni richieste per un ulteriore addensamento. In questa fase i pezzi sono quasi completamente coerenti.
- Addensamento della polvere mediante la deformazione plastica estesa a tutta la massa delle particelle metalliche. L‘incrudimento aumenta sempre più causando una notevole e sempre maggiore resistenza all‘ulteriore addensamento. In questa fase il materiale acquista coerenza in tutto il volume.
L‘aggiunta di lubrificanti, indispensabile per ridurre l‘attrito, ha un effetto di riduzione della densità teorica della polvere. Infatti, nel processo di compattazione, parte del lubrificante aggiunto viene costretto a passare fra stampo e parete dove assolve la sua funzione e parte rimane intrappolato all‘interno dei pori chiusi e si oppone al processo di densificazione.

 

Sinterizzazione

 

La sinterizzazione è sicuramente la parte più importante di tutto il processo. Infatti, è quella che maggiormente influenza tutte le caratteristiche della polvere fino ad ottenere le proprietà del sinterizzato.

• Descrizione della fenomenologia

 

Le polveri fini sono caratterizzate da una elevata area superficiale; ad essa è associato un elevato valore di energia libera totale, che costituisce parte della forza motrice necessaria al processo di sinterizzazione, che porta alla riduzione dell‘energia libera, diminuendo l‘area superficiale totale.

 

L‘evoluzione del compatto, ovvero la modifica della sua struttura e proprietà, è un processo che avviene per formazione e crescita di un legame tra i grani di polvere a seguito di molteplici fenomeni di trasporto di materia.
Questo processo si può dividere in tre stadi principali:
- nel primo i grani di polvere aumentano la superficie di contatto con conseguente arrotondamento dei pori. L‘aggregato comincia a densificare per effetto della diminuzione della porosità e dell‘avvicinamento dei grani di polvere; in questa maniera si verifica un ritiro del pezzo.
- Nel secondo stadio le polveri cominciano a non essere più distinguibili e si possono avere dei fenomeni di accrescimento del grano. La morfologia dei pori diventa liscia e cominciano a integrarsi con i bordi di grano. Quando la velocità di crescita del grano è particolarmente elevata, cioè quando la temperatura di sinterizzazione è alta, il poro tende a staccarsi e rimanere isolato, dando così il via alla formazione di porosità chiusa.
- Nel terzo stadio, infine, i vuoti nel sinterizzato diventano isolati e rotondeggianti che tendono ad ingrossare a scapito di quelli più piccoli. Questo pregiudica la possibilità di ottenere densificazione completa anche per tempi di sinterizzazione estremamente lunghi.
Tutti i fenomeni finora descritti prevedono meccanismi che coinvolgono il materiale in fase solida (SPS).
A causa però della presenza di polveri metalliche che possono fondere a temperatura inferiore a quella di sinterizzazione, si può avere la sinterizzazione in fase liquida (LPS).
Tutto il processo può essere suddiviso in tre punti:

1. Fusione e riarrangiamento: il liquido bagna le polveri e per effetto delle forze di capillarità e di una complessiva ridistribuzione delle particelle, provoca una rapida densificazione. In seguito il liquido penetra fra i bordi di grano frantumandoli ed ottenendo così un secondo riarrangiamento; il risultato è un aumento del volume del pezzo.

2. Soluzione e riprecipitazione: si ha un‘ulteriore densificazione a causa della fusione dei grani più piccoli che facilitano l‘accrescimento di quelli più grossi.

3. Stato solido: è simile alla SPS dove si ha l‘accrescimento del grano con formazione di uno scheletro rigido e nessun processo di ritiro o crescita dimensionale.
Tutta la teoria descritta tratta la sinterizzazione allo stato solido nella stessa maniera dello stato liquido, tenendo conto solo dell‘energia superficiale; si suppone, quindi, che il fenomeno sia regolato da caratteristiche di bagnabiltà, dall‘attrazione capillare e da diminuzioni volumetriche a causa della porosità. Se questa teoria fosse completamente esatta, si avrebbero delle percentuali di variazioni dimensionali negative. Questo può essere spiegato affrontando un discorso di tipo chimico, invece di considerare l‘energia superficiale, consideriamo l‘energia di omogeneizzazione che è 10 volte superiore rispetto alla prima; per cui il processo è governato da una diffusione tra le varie specie, invece, di una riduzione superficiale. Questa energia è caratterizzata dalla temperatura e dal tipo di diagramma di fase; una riduzione di energia libera, causata dall‘energia di omogeneizzazione, porta al raggiungimento di un equilibrio chimico prima di quello fisico.
L‘energia libera totale è uguale alla somma dell‘energia di alligazione e l‘energia superficiale; può capitare che la prima diminuisca e la seconda aumenti notevolmente, ma il risultato tende lo stesso a essere minore di quello di partenza. L‘aumento dell‘energia superficiale, infine, porta ad un accrescimento dei pori: ecco spiegato perché il pezzo tende ad aumentare di volume.
Un altro concetto molto importante è il meccanismo delle fasi: il processo di sinterizzazione si dice attivato se la formazione della lega coincide con l‘effetto capillare; in caso contrario il processo si dice disattivato. Un errore da non compiere è pensare che il solido passa a liquido perché i coefficienti di diffusione nel liquido sono maggiori che viceversa:
essi non si possono paragonare come se fossero uguali perché siamo in presenza di due fasi distinte. Gli atomi del solido per cambiare fase devono oltrepassare un elevata barriera di energia (data dalla somma dei calori latenti di fusione e dall‘energia necessaria per raggiunge la temperatura di fusione), così da ottenere la rottura del legame tra l‘atomo e il bulk.
Per cui, in una prima fase iniziale, il liquido passerà nel solido e, nella fase successiva, avverrà la dissoluzione del solido nel liquido.

Fino a questo punto abbiamo analizzato come si comportano a livello chimico le due fasi (solido/liquido) durante la sinterizzazione. Ora affronteremo le delle eventuali variazioni dimensionali causate da questo trattamento termico.

 

Nell‘immagine A si ha una preponderanza della base rispetto all‘additivo. Durante la permanenza nella zona calda (hot-zone) del forno possono verificarsi due casi:

1. La diffusione dell‘additivo nella base: avviene in questa maniera un aumento del volume del provino a causa di una migrazione atomica da un reticolo all‘altro. Le particelle che perdono più atomi di quelli che acquistano tendono a ritirarsi (figura B) e viceversa;

2. La diffusione della base nell‘additivo: è un procedimento uguale al precedente, ma si può avere un allargamento o un restringimento del provino (figura C). Infatti, la variazione di volume è legata alla scomparsa delle vacanze presenti nella base: se sono compensate dalle dislocazioni allora il pezzo si ritira; se interagiscono con i pori allora il campione si dilata.

 

Per quanto riguarda la LPS (fig 3.4) la presenza di una fase liquida porta ad un‘improvvisa accelerazione nella formazione della lega, all‘aumento della temperatura e alla variazione dimensionale. Come spiegato precedentemente, il passaggio di liquido nel solido determina un aumento di volume e la dissoluzione delle particelle solide nel fuso causando il ritiro del pezzo dovuto a forze capillari. Il processo può avvenire solo se il li quido ha una solubilità nel solido molto bassa; in caso contrario il campione si dilata.
Di solito si cerca di mantenere, entro stretti margini, le tolleranze dei pezzi pressati sinterizzati poiché, un'elevata variazione dimensionale, può causare delle distorsioni dei pezzi sinterizzati ed, eventualmente, il loro scarto. Le composizioni delle polveri, pertanto, sono formulate in modo che possano essere prodotti dei componenti che combinano buone proprietà meccaniche con piccole variazioni dimensionali durante la sinterizzazione.

 

• Caratteristiche del forno

 

Il forno può essere suddiviso in più parti, ciascuna con il suo ruolo attivo nel processo:
- Dewaxing zone: è la zona in cui avviene la delubrificazione tramite cracking termico o bruciatura (burn off). E‘ una fase importante perché tracce di lubrificante possono provocare dei problemi in fase di sinterizzazione.
- Heating zone: è la zona di riscaldamento e serve a portare i pezzi alla temperatura di sinterizzazione.
- Hot zone: è la zona di sinterizzazione vera e propria. La massima temperatura raggiungibile è limitata dalle caratteristiche del forno e del nastro a 1150°C.
- Slow cooling zone: zona in cui avviene un primo raffreddamento dei pezzi. In realtà è un‘estensione della hot zone senza elementi riscaldanti e con un sottile isolamento attorno.
- Water cooling zone: Zona di raffreddamento ad acqua. Il nastro si trova a scorrere in una camicia raffreddata da scambiatori ad acqua.
Le atmosfere utilizzabili nel forno sono di vari tipi:
- neutre: atmosfere a base di azoto e vuoto;
- riducenti: ammoniaca dissociata, atmosfere a base di idrogeno, gas endotermici;
- ossidanti: gas esotermici e vapor d‘acqua.

Fonte: www.ing.unitn.it

PROPRIETA’ DEI MATERIALI E NORMATIVA

Moltissime norme relative ai materiali inorganici (lapidei, ceramici tradizionali e speciali, leganti, aggregati, ecc.) sono intese a quantificare varie proprietà pertinenti a questi materiali o ai loro componenti di base oppure a valutare il comportamento dei prodotti finali in esercizio, e quindi tenendo conto dei parametri “ambientali” in senso lato e del tempo: ad es., agenti atmosferici e modalità di carico per materiali lapidei o calcestruzzo o materiali ceramici usati in esterno o con  funzioni strutturali, interazione con sostanze chimiche, alte temperature e carichi per materiali ceramici refrattari, ecc..
Nella normativa c’è lo sforzo di valutare le varie proprietà fondamentali dei materiali secondo delle procedure standard che quantifichino le proprietà in modo univoco e che diano quindi dei parametri di riferimento abbastanza rigorosi per il controllo della qualità di un materiale o un prodotto finito da immettere sul mercato.
Mentre per gran parte delle industrie e per molti tipi di materiali il controllo della qualità è una pratica consolidata e codificata, è solo in tempi relativamente recenti che si è presentata questa necessità anche nel campo dei materiali lapidei poiché è cambiato molto il mercato dei lapidei, ora accresciuto a scala mondiale, ma fino a poco tempo fa sviluppato prevalentemente su scala locale (e quindi bastava l’esperienza del progettista, che osservava il comportamento in opera del manufatto lapideo). Il mercato attuale infatti vede l’ingresso di sempre maggiori quantità di materiali lapidei provenienti da varie parti del mondo e che vengono trasformati e lavorati in Europa e di cui è necessario valutare il comportamento in esercizio in modo affidabile.
Inoltre il controllo di qualità dei lapidei locali è un modo per rivalutare un “prodotto” nazionale e renderlo vendibile su un mercato ampio.
Un altro fattore che caratterizza le nuove tendenze del mercato dei lapidei  è quello di riproporre la pietra, variamente associata ad altri materiali, in alternativa ai e in concorrenza coi materiali artificiali in svariate applicazioni riguadanti pavimentazioni speciali, rivestimenti, ecc.. Queste applicazioni sottopongono il componente lapideo a sollecitazioni particolari nella lavorazione e in esercizio con effetti che non sono prevedibili valutando il comportamento del lapideo stesso nelle sue applicazioni tradizionali.

I vari enti normativi nazionali ed internazionali continuamente revisionano l’insieme delle norme cercando di eliminare quelle obsolete e soprattutto progettano nuove norme che parametrizzino caratteristiche o proprietà dei materiali/prodotti non ancora codificate ma che sono risultate di fondamentale importanza per le applicazioni in base all’osservazione del comportamento dei materiali/prodotti in esercizio oppure che si rendono necessarie per verificare l’idoneità di certi materiali/prodotti in applicazioni innovative.

Per gli studiosi di Scienze della Terra che si occupano di materiali, è di interesse valutare come la normativa relativa a materiali naturali lapidei e materiali compositi e non più affini a quelli naturali lapidei (es., cementi-calcestruzzi, ceramiche tradizionali, vetri e certi tipi di ceramiche tecniche come i refrattari) affronta la problematica delle proprietà dei materiali.

PROPRIETA’ DEI MATERIALI

Le proprietà dei materiali possono essere raggruppate in diverse categorie generali: proprietà fisico-meccaniche, proprietà termiche, proprietà chimiche e proprietà elettriche.
Ad esempio, per i lapidei o per materiali con funzioni portanti, come calcestruzzi e laterizi comuni e refrattari, sono fondamentali le proprietà meccaniche e, in aggiunta, alcune proprietà chimiche (es., resistenza agli attacchi chimici) e termiche (es., espansione termica). Molte applicazioni delle ceramiche sono basate su combinazioni di proprietà fisiche e termiche o chimiche, e per ceramiche tecniche avanzate (che però si discostano molto dai materiali naturali), anche su proprietà elettriche e magnetiche.
Le proprietà di maggior interesse per i materiali lapidei naturali e per i materiali ceramici s.l. più simili ai materiali naturali, sono le seguenti:

PROPRIETA’ FISICHE E MECCANICHE
Fisiche:

• densità
• porosità
• punto di fusione

Meccaniche:

• elasticità
• resistenza meccanica s.l. (alla compressione, durezza, tenacità, ecc.)

PROPRIETA’ TERMICHE 

• espansione termica
• capacità termica
• conducibilità termica
• punto di fusione

 

PROPRIETA’ CHIMICO-BIOLOGICHE

• inerzia chimica
• resistenza alla corrosione
• compatibilità biologica

Di grande interesse è anche valutare la persistenza delle varie caratteristiche/proprietà dei materiali in esercizio, e cioè in funzione di fattori quali il tempo (soprattutto), la temperatura e gli agenti ambientali s.l..
Per materiali lapidei e compositi con funzioni portanti va valutata l’abilità a mantenere le migliori prestazioni meccaniche nel tempo (con carico continuato, sotto l’azione di agenti atmosferici acqua, ecc.). Per certi tipi di materiali ceramici impiegati in condizioni di esercizio molto severe (es., i refrattari) la questione è cruciale.

Diventa quindi importante valutare:

• meccanismi di rottura e deformazione nel tempo
• erosione meccanica
• effetti chimici
• reazioni gas-solido (ossidazione, riduzione, interazione con vapore acqueo)
• reazioni liquido-solido (corrosione a T°C ambiente e ad alta T°C, ecc.)
• reazioni solido-solido
• shock termici

 

Nella certificazione di un materiale, le misure delle sue varie proprietà dovrebbero essere fatte esattamente secondo le prescrizioni contenute nella normativa, a partire dalla descrizione del materiale (terminologia), preparazione del materiale, forma e dimensioni e peso del provino, tipo di strumentazione e suo assetto, tempi e condizioni ambientali, trattamento dei dati, ecc.. Esistono dei laboratori specializzati nella certificazione dei materiali.

Cosa si valuta nei materiali lapidei ed affini (es., calcestruzzi)?

Caratteristiche fisico-meccaniche

• densità
• porosità
• permeabilità (acqua, gas)
• resistenza meccanica (compressione, flessione, durezza, urto, usura o durevolezza, resistenza al gelo, ecc.)
• lavorabilità (durezza, spaccabilità, perforabilità, scolpibilità, segabilità, possibilità di trattamento della superficie, …)

 

Caratteristiche termiche

• resistenza agli sbalzi termici
• espansione termica (per calcestruzzi in certe applicazioni)

 

Caratteristiche chimiche

• inerzia chimica
• resistenza agli agenti chimici (specialmente per calcestruzzi, tra cemento e legante)
• resistenza alla corrosione

 

Cosa si valuta nelle ceramiche s.l.?

Caratteristiche fisico-meccaniche

• densità  (generalmente bassa)
• resistenza meccanica (resistenza alla compressione, alla flessione, all’usura, durezza ecc.)
• stabilità dimensionale
• resistenza meccanica alle alte temperature

 

Caratteristiche termiche

• espansione termica
• refrattarietà
• resistenza agli shock termici  (ma è bassa nei vetri comuni)
• conducibilità termica
• stabilità dimensionale ad alta temperatura

Caratteristiche chimico-biologiche

• inerzia chimica
• resistenza alla corrosione (alta/bassa T°C)
• compatibilità biologica
• proprietà catalitiche

 

Caratteristiche elettriche

• resistività: alta in isolanti e variabile in semiconduttori (tramite doping)
• piezoelettricità

 

 

PROPRIETA’ FISICO-MECCANICHE

Le proprietà fisico-meccaniche governano la risposta del materiale alle varie sollecitazioni meccaniche e sono dipendenti dalla struttura interna del materiale stesso.

PROPRIETA’ FISICHE

 

DENSITA’ E PESO SPECIFICO

La densità (o massa volumica) è definita come la massa (m) per unità di volume (V) di un materiale, ed è riportata in unità di misura come g/cm3, kg/m3 o tonn/m3 (UNI).

E’ influenzata da vari fattori:

• dimensione e peso atomico degl elementi presenti
• impacchettamento degli atomi nella struttura cristallina
• (grado di) porosità alla microscala

Il termine “densità” è usato in vari modi e con diversi significati:

• densità cristallografica (d. ideale di una struttura cristallina specifica)
• densità teorica (true density; per un materiale a microporosità nulla)
• densità totale (bulk density; misurata su un corpo nel suo complesso, includendo porosità, difetti reticolari e tutte le fasi)

• gravità specifica o desnità relativa (numero adimensionale che indica il rapporto tra la densità di un materiale  e quello di un ugual volume di acqua a 4°C

Il peso specifico g di una sostanza è il rapporto tra peso e volume di un suo frammento. Poiché a differenza della massa,  il peso varia con la forza di gravità, il peso specifico è la quantità meno indicata per confrontare dati di materiali in laboratori diversi.

Quindi è la densità, o massa volumica, la proprietà che viene considerata nella normativa. Si possono distinguere due fondamentali categorie di misure. Una si esegue sul provino allo stato naturale, considerando nel volume totale anche i vuoti e nelle masse o pesi anche quelli dell’acqua che imbeve il provino: si tratta di densità o peso specifico apparente. L’altra si esegue su un materiale privato dei vuoti, ovvero polverizzato (a meno che non sia compatto) e fornisce dati di densità e peso specifico reali.
Nella normativa si prescrivono le misure di massa volumica apparente  e di massa volumica reale (es., UNI 9724/2 e UNI 9724/7 - lapidei; UNI 4452 - refrattari).

Nella determinazione della densità la massa si misura per confronto con un’unità convenzionale tramite una bilancia ordinaria oppure si ricava dal peso

La densità si esprime anche per confronto con un materiale noto (c) a parità di volume (gravità specifica)

I volumi si possono determinare direttamente se il materiale ha una forma geometrica semplice (es., con un calibro) oppure, più comunemente, per immersione in liquidi (metodo del cilindro graduato) (Fig. 1). La misura più precisa si ottiene col metodo del picnometro o volumometro (dotato anche di termometro) (Fig. 2), che però non è adatto a misure di densità e peso specifico apparente nelle rocce, poiché il contenitore dello strumento è piccolo. Il picnometro è però usato per materiali granulari e per polveri, per la determinazione della densità o massa volumica reale (cioè del materiale privo di porosità) di materiali lapidei e ceramici, che richiede la polverizzazione del provino. In alternativa si usa la bilancia idrostatica di precisione (Fig. 3), con piatto adattabile a misurare sia rocce che manufatti ceramici.
La densità o massa volumica apparente è il rapporto (in kg/m3) tra massa e volume apparente, cioè il volume delimitato dalla superficie esterna del provino.
Per i materiali sciolti si considera il peso in mucchio e si determina la massa volumica apparente di un aggregato non addensato, che comprende i vuoti intergranulari ed i pori e che viene valutato su diverse frazioni granulometriche ottenute setacciando il materiale tramite sets di crivelli e setacci a luce standard (serie italiana UNI, serie americana ASTM, serie tedesca DIN, ecc.).
La determinazione della densità dei materiali è di particolare interesse perché essa è collegata col peso specifico dei componenti minerali nella proporzione in cui essi sono contenuti nel lapideo o nel manufatto ceramico, e quindi fornisce un’indicazione di massima della compattezza del materiale.
La Tab. 1 riporta la classificazione delle rocce in base ad intervalli di valori di peso g. Le Tab. 2 e 3 riguardano le densità apparenti di vari tipi di rocce comuni e le densità assolute di minerali costitutivi delle rocce. La Tab. 4 riporta dati relativi ai materiali sciolti.
La tessitura influenza in modo determinante il peso specifico e la densità apparente, poiché governa la presenza dei vuoti all’interno di una roccia. Ad es., un calcare poco cementato può avere densità 1.1 g/cm3, mentre un calcare molto compatto o un marmo possono arrivare a 2.75 g/cm3. Nei lapidei i processi che diminuiscono il volume dei pori naturali ed aumentano la densità sono la diagenesi, il processo metamorfico e certi processi metasomatici. Nei materiali incoerenti è invece importante l’assortimento delle dimensioni dei granuli, le loro dimensioni assolute, la loro forma, il costipamento e la presenza d’acqua. Ad es., quanto più  vario è l’assortimento, tanto più elevata sarà la densità apparente. Nello stesso senso opera la forma appiattita o allungata dei granuli e l’aumento della dimensione assoluta di questi.
Nei lapidei la densità è un dato importante quando si devono calcolare, ad es., i carichi dei manufatti, i costi per gli acquisti di lapidei a peso, i costi di trasporto, ecc.. Infatti sono state osservate relazioni tra la densità apparente dei lapidei e la loro resistenza meccanica e durevolezza (Fig. 4).
Nel caso di materiali ceramici la densità tiene conto della composizione chimica, della proporzione tra fasi cristalline e fasi non cristalline e della porosità microstrutturale. Le ceramiche hanno di solito basse densità essendo costituite da elementi a basso numero atomico, ma ci sono delle eccezioni (ad es., le ceramiche a base di zirconio o afnio). La Tab. 5 riassume alcune proprietà di materiali refrattari comuni e riporta, in particolare, dati relativi ai pesi specifici caratteristici di questi tipi di materiali ceramici. La Tab. 6 riporta i dati di densità generica e cristallografica di vari materiali tecnologici tra cui anche materiali ceramici tradizionali ed avanzati.

POROSITA’

 

La porosità è un importante parametro di densità la cui misura è prevista nella normativa vigente per lapidei e ceramici perché può influenzare le proprietà meccaniche e la capacità di assorbire liquidi e gas da parte del materiale, con conseguenze negative derivanti, ad es., da eventuali interazioni chimiche (es., alterazione delle proprietà elettriche e ottiche in ceramiche speciali).
E’ fondamentale quindi determinare la natura della porosità.
La porosità totale è espressa come rapporto tra volume dei pori (Vv) e volume apparente del provino (Vtot).

Nei lapidei la porosità totale (UNI 9724/7) è misurata come rapporto percentuale tra il volume dei pori e il volume apparente del provino di cui siano state determinate le masse volumiche reali ed apparenti tramite la bilancia idrostatica (UNI 9724/2). Lo stesso procedimento è prescritto, ad esempio, per i mattoni refrattari, che vengono trattati con acqua bollente (UNI 4452).

La porosità accessibile si misura sottovuoto tramite porosimetri ad acqua deionizzata a temperatura ambiente (lapidei; UNI 9724/7) o a mercurio (ceramiche tecniche avanzate). I porosimetri ad acqua consistono in un contenitore stagno in cui mantiene il campioni sottovuoto per 24 h per eliminare l’aria e poi si fa penetrare l’acqua, in condizioni di temperatura standard, fino a completa immersione del provino, il quale, dopo 24 h viene estratto e pesato.
Lo strumento più preciso, soprattutto per le misure dei micropori, è però il porosimetro a mercurio, strumento in cui viene forzato l’ingresso di mercurio nei pori di un materiale tramite l’esercizio di una pressione, che è tanto maggiore quanto più piccolo è il poro. Quindi dal porosimetro al mercurio si ottengono dati sia della porosità utile di un campione sia della dimensione dei pori.
Le Tab. 7 e 8 riportano rispettivamente la classificazione delle rocce in termini di porosità e alcuni dati indicativi di pororsità di rocce cumuni e materiali sciolti.
Dalla misura della porosità totale si ricava il coefficiente di imbibizione, ossia il rapporto % tra massa a secco e massa dopo l’immersione secondo i tempi prescritti nella normativa, che indica quanto un materiale all’apparenza compatto, immerso in acqua, ne assorbe fino ad eventuale saturazione.
Per i lapidei (Tab. 9) fornisce indicazioni sulla compattezza e durevolezza in condizioni normali e, in particolare, in caso di contatto prolungato con acque meteoriche e terreni umidi.
Anche nel caso di manufatti in calcestruzzo si usa determinare la capacità di assorbimento di acqua da parte degli aggregati.
L’acqua e le sostanze disciolte sono tra i principali fattori di degrado a causa di interazioni chimiche (alterazione, corrosione, ecc.) ed effetti meccanici, conseguenti, ad es. alla dilatazione dell’acqua che si ghiaccia, oppure per fenomeni di rigonfiamento localizzato in caso di alterazione/idratazione e trasformazione di componenti presenti negli aggregati di un calcestruzzo (es., anidrite).
Nei materiali ceramici il controllo della porosità è fondamentale nel controllare le caratteristiche di resistenza meccanica effettiva dei manufatti, poiché le cavità possono diventare siti di concentrazione degli sforzi.

 

PROPRIETA’ MECCANICHE

Le proprietà meccaniche di un materiale determinano i limiti di impiegabilità del materiale stesso in applicazioni in cui esso debba sostenere un carico o resistere ad uno sforzo. La determinazione e la valutazione delle proprietà meccaniche dei materiali sono di fondamentale importanza nella normativa, anche se esiste il problema della discrepanza tra i valori di resistenza teorica e quelli di resistenza effettiva.
Il termine “resistenza” è ambiguo e deve essere specificato, poiché esistono vari tipi di resistenza meccanica: resistenza teorica, alla compressione, alla trazione, alla flessione, alla frattura, ecc..

 

Carico e deformazione in campo elastico – Resistenza alla frattura

 

Se si sollecita un materiale applicando un carico (o sforzo), si induce una deformazione  conseguente ad un leggero cambiamento nella spaziatura degli atomi nel materiale. La quantità e il tipo di deformazione è dipendente dalla forza di legame tra gli atomi, dallo sforzo e dalla temperatura.
Se il carico applicato è di piccola intensità, si provoca nel materiale una deformazione che può annullarsi togliendo la sollecitazione, cioè  si induce una deformazione reversibile o elastica, il cui valore è proporzionale a quello del carico.
A temperatura ambiente fino a temperature intermedie e per carichi di breve durata la maggior parte delle ceramiche si comporta in modo elastico senza deformazione plastica, sino a rottura. La fratturazione fragile delle ceramiche e dei vetri è infatti una delle caratteristiche critiche da tener presente nell’utilizzo di questi materiali in applicazioni strutturali. Anche i metalli si comportano in modo elastico fino ad un certo stress, ma poi per incremento di stress vanno a rottura dopo una fase di deformazione duttile. Le ceramiche però possono subire deformazione duttile ad alta temperatura, oppure, in caso di composti ceramici con struttura tipo NaCl (es., MgO), anche a bassa temperatura ma con carico prolungato.
Nei materiali lapidei viene valutata l’elasticità soprattutto sui materiali utilizzati per rivestimenti  e per il calcolo delle strutture.

In campo tecnologico, più che il valore assoluto del carico o della deformazione, hanno interesse i rispettivi valori specifici o unitari:
carico specifico o unitario s :  forza applicata perpendicolarmente all’unità di superficie (N/m2)
allungamento lineare unitario e :   e  = Dl/l   (adimensionale)
LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

Il rapporto tra carico specifico ed allungamento unitario, nei limiti in cui essi sono proporzionali, è definito modulo di Young, E, o modulo di elasticità

E = s/ e       (espresso in MPa o Gpa nella normativa UNI)

La Fig. 5 a-c mostra le curve sforzo-deformazione per diversi comportamenti meccanici nei materiali. La fig. 5a è quella relativa al comportamento elastico e relativa rottura in campo fragile.
Il modulo di elasticità viene determinato su provini di forma e dimensioni standard sottoposti a sforzo normale di compressione lungo l’asse longitudinale, misurando per un numero di volte standard i valori del carico e quelli della deformazione dei provini, al fine di costruire la curva sforzi-deformazione.
Dalla curva di deformazione del materiale diversi metodi grafici utilizzati nella pratica ingegneristica (Fig. 6) permettono di calcolare diversi moduli di elasticità, di cui il più utilizzato e rportato in tabelle è quello indicato come modulo di elasticità tangente Et.
Un analogo parametro, il modulo di rigidità o modulo di taglio, si ottiene in caso di deformazione reversibile da sforzo di taglio.
La Fig. 7 mostra l’esistenza di una corrlazione lineare diretta tra il modulo di elasticità, il modulo di rigidità e la resistenza alla compressione monoassiale di un materiale, mentre nella Fig. 4b è mostrata la relazione tra modulo elastico e densità.

In generale, il valore del modulo elastico è determinato dalla forza dei legami atomici nel materiale. Più questi sono forti, maggiore sarà lo stress richiesto per aumentare lo spazio interatomico e quindi più il materiale si comporterà in modo elastico ed avrà un alto valore del modulo elastico. Ceramiche a forte legame covalente hanno modulo elastico molto alto (altissimo nel diamante, 1035 Gpa). Le Tab. 10 e 11 presentano dati di modulo elastico per vari tipi di materiali a temperatura ambiente, mentre la Tab. 12 presenta valori di E caratteristici per materiali rocciosi.
Nei materiali lapidei il modulo elastico (modulo di elasticità normale, UNI 9724/7) viene misurato come rapporto tra il valore dello sforzo normale di compressione esercitato sul corpo roccioso ed il valore della diminuzione di lunghezza che il corpo subisce. Il modulo elastico definisce il grado di elasticità di una roccia e viene quindi utilizzato per i controlli di stabilità e di sicurezza statica su elementi sottoposti a sollecitazione meccanica. Il modulo mette poi in risalto eventuali alterazioni o microfratturazioni che abbassano sensibilmente il valore rispetto a quello del materiale sano. Analogamente ad altre prove, la valutazione del modulo di elasticità nei lapidei viene effettuata perpendicolarmente ai piani di divisibilità preferenziale della roccia, ma, in caso di richiesta specifica può essere eseguita anche con carico agente anche parallelamente a tali piani di divisibilità.

Il rapporto tra il modulo elastico di una sostanza pura (monocristallo) e la sua spaziatura interatomica fornisce l’espressione della resistenza teorica della sostanza pura alla frattura. La resistenza alla frattura di un materiale policristallino è generalmente molto inferiore (1/100) rispetto a quella teorica.
La forza di legame, e quindi il modulo elastico, variano nelle diverse direzioni cristallografiche. Tale anisotropia deve essere considerata quando si ha a che fare con cristalli singoli o con materiali caratterizzati da orientazione cristallografica. L’anisotropia elastica è nota sia nei metalli che nelle ceramiche. La maggior parte delle ceramiche è policristallina e costituita da cristalli con orientazione casuale. Se l’orientazione è effettivamente casuale, il modulo elastico generale può essere considerato una media dei moduli elastici nelle diverse direzioni cristallografiche. Ma sebbene nelle tabelle venga fornito un singolo valore di modulo elastico per le ceramiche policristalline, è necessario tener presente che ogni singolo cristallo nella microstruttura è anisotropo e che possono esser presenti stress interni che vanno a combinarsi e ad influire sulle reali prestazioni del materiale.
Anche la porosità influenza negativamente il modulo elastico. Infatti la presenza di discontinuità come una microfrattura (discontinuità planare), un poro o un’inclusione (discontinuità tridimensionali) contribuiscono ad abbassare ulteriormente la resistenza meccanica di un materiale. Le discontinuità causano infatti la concentrazione di stress in varie modalità influenzate da abbondanza, relazioni spaziali e dimensioni delle discontinuità presenti nel materiale e, per quanto riguarda le inclusioni, dalle differenze nel modulo elastico e in altre proprietà (come, ad es., il coefficiente di espansione termica) tra l’inclusione e la matrice. Queste precisazioni valgono in modo particolare nella valutazione della resistenza dei materiali ceramici tradizionali (piastrelle, ecc.) e tecnologici.
Nell’ambito di materiali fragili come i vetri, è nota infatti l’altissima fragilità dei vetri contenenti bolle o a causa di cattivo degassamento durante la lavorazione oppure per insufflamento di aria mirato a creare effetti estetici particolari (per vetri artistici).
Anche la quantità di fase vetrosa in un manufatto ceramico influenza la fragilità di quel manufatto. Prodotti ceramici come mattonelle, piastrelle, vasellame, fabbricati con argilla, sono indicati su alcuni testi come “prodotti vetrificati”. La loro fabbricazione richiede la formazione di una fase vetrificata, prodotta con tempi e temperature tali da provocare un fuso silicatico che bagna il solido residuo. Durante il raffreddamento il vetro che si forma riduce la porosità e la permeabilità superficiale, impartendo una miglior resistenza al deterioramento indotto da cause ambientali. In via teorica, secondo quanto sopra, sarebbe opportuno che la presenza della fase vetrificata fosse estesa il più possibile nel manufatto, per conferire una sempre miglior resistenza. In realtà una notevole presenza di vetro è dannosa perché aumenta anche la fragilità del prodotto.

La Fig. 8 mostra gli effetti della temperatura sul modulo elastico di varie ceramiche. In ogni caso il modulo elastico decresce leggermente con l’aumento di temperatura, in seguito ad un aumento di distanza interatomica conseguente all’espansione termica. Con l’aumento della distanza tra gli atomi meno sforzo è necessario per un’ulteriore separazione. Ciò si traduce nella tendenza ad una minore resistenza meccanica dei materiali con l’aumento di temperatura.

 

Durezza E RESISTENZA ALL’USURA

La durezza di un materiale rappresenta la resistenza alla deformazione permanente della sua superficie.
La durezza è un dato tecnologico molto importante. Presenta due aspetti interessanti: la facilità di misura e la possibilità di correlarla con la resistenza meccanica del materiale.
La durezza dei cristalli è una proprietà abbastanza ben definibile, anche se esistono varie metodologie per determinarla, e quindi varie “durezze”.
La resistenza alla scalfittura è un tipo di durezza e si valuta empiricamente graffiando i cristalli con materiali più duri e confrontando la scalfittura o misurando la polvere ottenuta (es., scala di Mohs, in cui un cristallo ha durezza uguale a quella di un termine della scala se lo riga e ne è rigato).
Nelle Tab. 12 e 13 sono riportate la Scala di Mohs e la durezza dei minerali più comuni espressa secondo la Scala di Mohs.
Misure di questo tipo sono ormai superate dai tests che forniscono dati di durezza alla penetrazione di utensili duri di dimensioni e foggia speciali (durimetri) e caricati con un peso costante per un tempo standard. Si ottiene un’incisione con forma dipendente dal tipo di durimetro e di profondità proprozionale alla durezza del materiale in prova, alla quale si risale mediante formule convenzionali.
Principali metodi di misura:

• Brinell (BHN) -  larghezza impronta di sfera d’acciao ( Æ = 10 mm) con carico di 500-3000 kg
• Rockwell (R) – profondità impronta di corpo penetrante molto piccolo (cono diamante o sferetta d’acciaio come penetratore e carico tra 60 e 150 kg).
• Vickers (VHN) – dimensione impronta di piramide di diamante
• Knoop (HK) – numero di durezza corrispondente a dimensione di impronte eseguite al microscopio da piramide di diamante caraicata in modo variabile (microdurezza).

La Fig. 9 confronta la forma delle impronte dei diversi durimetri.
La Tab. 14 mostra la correlazione tra i minerali di riferimento della Scala di Mohs, la durezza misurata tramite i metodi Vickers e Knoop e le resistenze alla trapanazione e all’abrasione. La Tab. 15 confronta e correla gli indici di durezza ottenuti con diversi durimetri.
I metodi Vickers, Rockwell e Knoop sono impiegati in test standards per metalli e per materiali ceramici.
Alla durezza può venir collegata la resistenza meccanica, però la stessa relazione non è valida per tutti i materiali. Tuttavia per i materiali duttili la resistenza meccanica può esser determinata con un errore del 5-10%. L’imprecisione è compensata dal fatto di evitare la prova di trazione (che richiede l’uso di provini appositamente fabbricati), per cui la prova di durezza è molto usata  per determinare la resistenza meccanica di materiali, specialmente negli acciai. I materiali fragili come le ceramiche non si prestano a questo tipo di considerazioni, perché durante la prova possono generarsi fessurazioni che la inficiano.
Le Tab. 16 e 17 confrontano misure di durezza di vari materiali ceramici (abrasivi e non) con proprietà quali la resistenza alla compressione e la temperatura di fusione. In particolare viene evidenziata una relazione diretta tra la durezza (abrasività) e la refrattarietà di alcuni materiali ceramici, proprietà dipendenti da fortissimi legami metallo-non metallo presenti nella struttura di questi materiali.

Il concetto di durezza dei cristalli non è direttamente applicabile agli aggregati perché la durezza delle rocce implica una serie di fattori quali: durezza dei singoli componenti, loro percentuali volumetriche, caratteristiche tessiturali (orientazione e forma dei granuli), natura dei cementi (in caso di rocce sedimentarie terrigene), granulometria, stato di alterazione. La durezza in una roccia può quindi variare da punto a punto. Fino a tempi recenti la durezza delle rocce era stata espressa in modo qualitativo facendo ricorso alle scale empiriche, non lineari e inadeguate come la scala di Mohs. Ma nei lapidei la durezza è una proprietà troppo importante e troppo difficile da valutare adeguatamente in modo empirico. Quindi la normativa europea e quella italiana prevedono l’utilizzo di un test quantitativo, effettuato tramite la misura della microdurezza Knoop.
La microdurezza Knoop si misura caricando in modo variabile la punta diamantata (Fig. 10) in un numero stardard di punti variabile a seconda della granulometria e dell’uniformità della roccia (20 per rocce a grana fine/uniforme e 40 per rocce disuniformi a grana più grossa) e distanziati di 1 mm l’uno dall’altro su una superficie levigata e lucidata del materiale. Dopo il carico, col microscopio si misura la lunghezza della diagonale maggiore dell’impronta.
La durezza Knoop HK è espressa dalla formula:

dove P è il carico sul penetratore (espresso in Newton) è l è la lunghezza della diagonale maggiore dell’impronta (in mm).
Graficamente i risultati di microdurezza Knoop, in MPa, della roccia vengono rappresentati attarverso curve di frequenza cumulativa delle misure effettuate (Fig. 11 e 12a-b).
In queste curve si fa riferimento a valori corrispondenti:

• al valore medio aritmetico;
• al quartile inferiore HK25, ossia al valore di microdurezza che non viene superato dal 25% dei componenti (ovvero che viene superato dal 75% dei componenti);
• al quartile mediano HK50, o valore di microdurezza superato dal 50% dei componenti;
• al quartile superiore HK75 o valore di microdurezza che non viene superato dal 75% dei componenti.

Il rapporto tra i quartili superiore ed inferiore, HK75/HK25 fornisce l’indice di uniformità del campione in termini di durezza (uniformità per valori dell’indice prossimi a 1).

Il carattere puntuale e a scala submillimetrica della misurazione con il test Knoop mette in evidenza la disomogeneità effettiva di una roccia, materiale che può esser considerato come omogeneo solo a scala decimetrica. E’ infatti a scala submillimetrica che si esplicano le proprietà di un materiale ed i suoi comportamenti specifici, come la resistenza all’usura o la lavorabilità (specialmente di segabilità tramite lame e dischi diamantati), proprietà prevedibili in base alle caratteristiche di durezza del materiale.
Per una previsione della resistenza all’usura entrano in gioco i componenti la cui durezza è minore della media, cioè quelli che caratterizzano la metà inferiore del diagramma di Knoop. La resistenza alla segagione con lame e dischi diamantati è invece  influenzata dai componenti con durezza Knoop della parte alta del diagramma: l’azione di taglio è infatti ostacolata dalla presenza di componenti duri, anche se non in grande quantità.
Su questa base sono in corso indagini per stabilire esatte correlazioni tra il diagramma di durezza e e queste due proprietà. In linea di massima quanto più ristretta è la distribuzione della microdurezza tanto maggiori risultano, a parità di durezza media, la lavorabilità e la resistenza all’usura. Quest’ultima, in particolare, appare funzione crescente del valore HK25 e decrescente dell’indice di uniformità HK75/HK25.
Riguardo alla lavorabilità con utensili diamantati la prova Knoop è stata recentemente modificata con l’introduzione del variogramma, strumento di analisi statistica già ampiamente utilizzato in campo minerario e utile per la previsione accurata della variazione di una proprietà nello spazio.
Alcuni studi hanno messo in evidenza la relazione diretta tra le durezze misurate in vario modo (es., Brinell) su rocce, la resistenza alla compressione e la resistenza alla perforabilità (mm/min. di avanzamento) tramite metodi a percussione e a rotazione. La Fig. 13 mostra la perforabilità di vari tipi di rocce, con metodo a percussione, in funzione della tra durezza Brinell. Si tratta di indicazioni fondamentali per il lavoro di cava nelle fasi di abbattimento e lavorazione dei lapidei oppure per l’esecuzione di carotaggi.

La resistenza all’usura per attrito può essere considerata un tipo di “durezza” che caratterizza particolarmente le rocce. Per valutarla si compiono varie prove di resistenza:

• usura per attrito radente (prove di abrasione o levigazione)
• usura per getto di sabbia
• usura al rotolamento
• segabilità
• perforabilità

Ciascuna di queste caratteristiche dipende in modo particolare da certi caratteri mineralogici e tessiturali della roccia e quindi non presentano sempre una costante e stretta relazione reciproca.
Di particolare importanza per i lapidei è la prova di resistenza all’usura per attrito radente, contemplata tra le prove fondamentali per la certificazione dei lapidei, normata secondo un Regio Decreto (n. 2234) ma non ancora normata UNI, col risultato che esiste quindi una scarsa omogeneità di dati tra i materiali in commercio.
Il test viene effettuato con un tribometro tipo Amsler (Fig. 14) su due provini di dimensioni standard (7,1x7,1x2.5 cm) premuti con un carico standard (0.03 MPa) su un disco rotante coperto di abrasivo (una pasta di carborundum a granulometria inferiore a 0.15 mm e olio minerale) insieme ad un provino di materiale noto (Granito di San Fedelino) per confronto. Dal rapporto tra le altezze degli strati abrasi nel materiale di riferimento e nei provini si ottiene il coefficiente di abrasione relativo (Tab. 18).

LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

 

RESISTENZA ALLA COMPRESSIONE

La resistenza alla compressione rappresenta la resistenza alla frantumazione di un materiale sottoposto a carico per schiacciamento. La sua valutazione è di grande interesse per i materiali che vengono impiegati con funzioni strutturali e che devono quindi poter sopportare carichi notevoli, ossia materiali lapidei e ceramiche come laterizi comuni e mattoni refrattari. Precedentemente è stata messa in evidenza la relazione tra modulo elastico e durezza di un materiale e la sua resistenza meccanica  (Fig. 7 e Tab. 16).
Poiché la resistenza alla compressione della ceramica è di solito molto maggiore della resistenza alla trazione, si tende a progettare generalmente componenti ceramici in modo che sopportino grossi carichi in compressione piuttosto che in tensione. In realtà in alcune applicazioni in cui è prevista anche una componente di sforzo di trazione, il materiale ceramico viene “prestressato” in stato di compressione in modo da resistere ad eventuali carichi in trazione. Gli stress residuali compressivi (devono prima esser superati dagli stress tensivi) impediscono che si accumuli stress tensivo sufficiente per portare a rottura il manufatto. Un esempio di questo trattamento è nei vetri di sicurezza.
Anche i materiali lapidei, in qualità di materiali tendenzialmente fragili, mostrano valori di resistenza alla compressione molto superiori (da 4 a 10 volte) rispetto a quelli della resistenza a trazione (Tab. 19).

Il limite superiore della resistenza alla compressione di un materiale è stato definito come lo stress al quale si ha cedimento (yielding) microplastico, ossia deformazione per scorrimento lungo i piani cristallografici. In base a questa definizione lo stress di cedimento microplastico è stato messo in relazione con la microdurezza, misurata col metodo Knoop o Vickers, di vari materiali ceramici, la cui resistenza alla compressione reale corrisponde a circa la metà o ¾ dello stress di cedimento calcolato dividendo la microdurezza per 3. Tale relazione è messa in evidenza nella Tab. 16.

Le Tab. 20 e 21 mostrano la variabilità della resistenza alla compressione in rocce ornamentali italiane ed estere, con l’indicazione dei nomi commerciali.
Per i lapidei è prescritta la misurazione della resistenza a compressione in diverse condizioni, ossia si valuta il carico di rottura a compressione semplice ed il carico di rottura a compressione semplice dopo cicli di gelività (o resistenza al gelo).
Nei refrattari si misura anche la resistenza alla compressione del materiale ad alta temperatura, ossia la resistenza alla termopressione (UNI 4454). Nella scelta del miglior tipo di refrattario per un impiego specifico si deve infatti tener conto delle condizioni ambientali di esercizio, che richiedono un’alta resistenza meccanica contemporaneamente ad altri tipi di resistenza (alle alte temperature, alla corrosione, ecc.). Nella Tab. 5, nella terz’ultima colonna, sono riportati dati relativi alla percentuale di deformazione a carico costante ad alta temperatura in vari materiali refrattari.

Il carico di rottura a compressione semplice (o monoassiale o uniassiale) è una delle prove più utilizzate in ambito internazionale e, sebbene i materiali lapidei, specialmente quelli di pregio, attualmente vengano utilizzati più come rivestimenti che non con funzione strutturale, questo test fornisce comunque un parametro importantissimo per situazioni di sollecitazione con carichi permanenti.
Il carico di rottura a compressione semplice nei lapidei viene valutato tramite la procedura descritta nella norma UNI 9724/3, con pressa standardizzata per compressione verticale del provino non confinato lateralmente (procedimento uguale a quello per la determinazione del modulo elastico).
Nei lapidei, le prove di resistenza alla compressione, come di altre proprietà meccaniche, vengono eseguite col carico agente in direzione perpendicolare ai piani di divisibilità preferenziale della roccia (stratificazione, scistosità, “verso”). Possono essere anche eseguite col carico agente in direzione parallela a tali piani (a cui corrispondono valori minimi di resistenza meccanica) nei casi specifici in cui il lapideo viene tagliato secondo direzioni che meglio valorizzano l’ornamentazione ma che non necessariamente coincidono con le direzioni di massima resistenza meccanica.
Il carico di rottura a compressione semplice dopo cicli di gelività o resistenza al gelo o gelività è un dato di grande interesse per i lapidei, ma non è ancora stato normato adeguatamente e in modo definitivo.
Si dicono gelive le rocce con bassa resistenza al gelo, in particolare alle oscillazioni di temperatura tra valori sopra e sotto lo zero. Questo tipo di prova mette in evidenza i legami stretti tra porosità, permeabilità e coefficiente di imbibizione di una roccia e quanto possano essere devastanti gli effetti combinati di questi ed altri parametri sul valore del test. Si tratta di una prova da valutare congiuntamente ad altre e di fondamentale importanza per scegliere materiali e soluzioni tecniche per esterni ed in grado si sopportare situazioni climatiche difficili. Il test di gelività sinora adottato ha mostrato inadeguatezza rispetto alla realtà, soprattutto a causa dell’azione profonda che l’acqua esercita sui manufatti in esercizio. Perciò sono in studio modifiche per rendere i risultati più significativi.
Porve di resistenza meccanica in funzione della presenza di acqua e gelo vengono effettuate anche su laterizi utilizzati in esterni. Ad es., la Tab. 22 riporta le caratteristiche di resistenza alla compressione di diversi tipi di mattoni da costruzione secondo la normativa americana ASTM.

Vari fattori contribuiscono a ridurre la resistenza alla compressione misurata rispetto a quella teorica (cedimento microplastico) nei vari materiali: discontinuità come microfratture, cavità e impurità; geminazione; anisotropia elastica e di espansione termica; oppure anche errori nell’allineamento dei provini durante i test.
Anche la granulometria dei componenti sembra avere un grande effetto sulla resistenza alla compressione, che aumenta con la diminuzione della grana del materiale. Infatti, tra i molti fattori che influiscono sulla resistenza alla compressione di una roccia (tessitura, stato di alterazione, durata di applicazione dei carichi, ecc.) è particolarmente importante la struttura della roccia, da cui dipende la coesione.

La coesione si manifesta al

contatto tra le superfici esterne dei cristalli ed è maggiore in rocce aventi estese superfici individuali per unità di volume, ossia in rocce a grana fine o finissima. In rocce clastiche e nei cementi la coesione si realizza attraverso le superfici di contatto granuli-cemento, e quindi, per quanto riguarda i calcestruzzi, è fondamentale l’equilibrio nelle proporzioni delle diverse frazioni granulometriche degli aggregati e della pasta di cemento, che tra l’altro rappresenta il componente più debole del calcestruzzo.
Il calcestruzzo è definibile come un materiale composito contenente una miscela di sabbia e ghiaia (o roccia frantumata) addizionata di una pasta di cemento ed acqua che si colloca nei pori restanti nella sabbia; il cemento si idrata e funge da legante entro il calcestruzzo. Il calcestruzzo presenta i valori massimi di resistenza alla compressione soltanto dopo che il fenomeno dell’”indurimento”, conseguente al completamento delle diverse reazioni di idratazione e cristallizzazione dei componenti del cemento, è andato a compimento (Fig. 15). Il tempo medio di indurimento è di circa 28 giorni. Inoltre è stato osservato che un eccesso d’acqua nella pasta da cemento influisce negativamente sulla resistenza alla compressione del calcestruzzo (Fig. 16).

LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

 

Carico e deformazione in campo plastico – RESISTENZA ALLA TRAZIONE

Al di sopra di un certo valore critico del carico specifico si determina nel materiale una deformazione permanente non modificabile una volta tolto il carico, cioè una deformazione plastica. I materiali che vanno a rottura attraverso un meccanismo di deformazione plastica sono detti duttili.

A scala atomica, in campo elastico ogni atomo resta contornato dagli stessi atomi, mentre in campo plastico gli atomi si muovono e si legano ad atomi diversi da quelli originariamente vicini.

Nelle curve sforzi-deformazione della Fig. 5b-c sono rappresentate due modalità di deformazione plastica, la prima con modalità graduale e la seconda che avviene attraverso un brusco snervamento del materiale ben riconoscibile dalla forma della curva (yield point). Il carico che determina l’inizio della deformazione plastica è detto carico specifico di snervamento. Nel caso di deformazione graduale può esser difficile individuare un valore preciso del carico di snervamento, per cui si ricorre ad elaborazioni grafiche della curva. Oltre lo yield point, la deformazione aumenta anche per piccoli incrementi del carico.
Nel corso della deformazione plastica i materiali duttili acquistano una resistenza meccanica e una durezza maggiore in seguito al processo di incrudimento.
Il carico massimo specifico che un materiale può raggiungere, corrispondente all’apice della curva di deformazione plastica, è detto carico specifico massimo. Esso viene assunto in genere come indice della resistenza a trazione (nella Fig. 5a-b è infatti indicato con il termine tensile strength), e quindi viene interpretato come carico unitario di rottura.
La Fig. 17 mostra la configurazione di varie prove di deformazione plastica o resistenza alla trazione (a-e) variamente utilizzate per testare materiali naturali e sintetici.
La duttilità è un indice della deformazione plastica prima della rottura e, con un test come quello di trazione uniassiale (Fig. 17a)  può essere espressa come allungamento oppure come riduzione della sezione di un provino, intervenuta sotto carico. Non è possibile stabilire una correlazione esatta tra l’allungamento e la riduzione della sezione, perché la duttilità può essere la manifestazione di un fenomeno molto localizzato. Inoltre l’allungamento è frutto di uno stiramento plastico, mentre la riduzione di sezione lo è di una contrazione. Come regola generale, i materiali duttili hanno valori alti per entrambe, mentre gli altri materiali presentano valori prossimi allo zero.
Un materiale molto resistente (in grado di sopportare alti carichi specifici) e dotato di notevole duttilità (in grado di deformarsi molto prima di arrivare a rottura)  assorbirà una considerevole quantità di energia per giungere a rottura. Un tale materiale è detto tenace o resiliente e la tenacità viene indicata come l’opposto della fragilità.
Su alcuni testi (es., Van Vlack, 1984) viene fatta una distinzione tra resistenza meccanica e tenacità: la prima è rappresentata dal carico specifico necessario a portare a rottura, mentre la seconda è correlata all’energia da fornire perché si verifichi la rottura stessa. In base a questa concezione, sarebbe erroneo definire la tenacità come “resistenza”.
La quantità di energia necessaria alla rottura è fortemente legata alla forma e alle dimensioni del campione, oltre che alla velocità di applicazione del carico, perciò è ancora più importante la codificazione nelle procedure e nei provini da impiegare.
Tipici materiali a bassa tenacità sono vetro, ceramiche, ghisa grigia, alcuni polimeri, mentre tipici materiali tenaci sono i materiali duttili, come i metalli, gomme, e il vetro ad alta temperatura.

La prova di resistenza alla trazione secondo la particolare configurazione indicata come “theta” nella Fig. 17c (simile alla configurazione della cosiddetta “prova Brasiliana” di trazione indiretta), prevede l’applicazione di un carico compressivo ai due archi, che produce uno sforzo tensivo uniassiale nel setto centrale. E’ stata utilizzata sia per ceramiche che per materiali rocciosi, ma sono stati prodotti pochissimi dati a causa della grande difficoltà nella preparazione del provino.
Generalmente i materiali ceramici s.l. e i lapidei non vengono testati per la resistenza alla trazione diretta, sia a causa degli alti costi di preparazione dei provini sia perché altre proprietà meccaniche, come ad es. la durezza e la resistenza alla compressione, sono più significative.
Come infatti è stato fatto notare in precedenza, i materiali lapidei, in quanto tendenzialmente fragili, mostrano valori di resistenza alla trazione relativamente bassi, rispetto a quelli della resistenza alla compressione (si veda la Tab. 19).
Però per questi questi materiali le normative prescrivono due prove che tengono conto della maggiore o minore plasticità dei materiali: la prova di “tenacità all’urto” e la prova di resistenza a trazione indiretta tramite flessione.

La prova di “tenacità all’urto”, o resistenza all’urto di un corpo contundente, viene effettuata secondo modalità diverse nei lapidei piuttosto che negli altri materiali.
Ad esempio, nei vetri la prova più usata è quella del “pendolo”. Essa prevede l’impatto di un pendolo su provini indeboliti da un intaglio per localizzare la frattura. L’energia assorbita dal campione, quando è colpito e rotto, non è pù disponibile per la corsa del pendolo al di la del campione stesso e l’energia rimasta al pendolo è misurata facilmente in base al punto massimo raggiunto dal pendolo dopo l’impatto (Fig. 18).
Nei lapidei invece il test si attua portando a rottura quattro lastre di dimensione standard tramite la caduta di una massa battente (sfera d’acciaio) del peso di 1 kg al centro di ciascuna lastra poggiante su sabbia (detto anche test di compressione dinamica). La resistenza all’urto si misura esprimendo lìenergia impiegata per la rottura come prodotto del peso della sfera per il valore medio dell’altezza minima di caduta della sfera alla rottura dei quattro provini.

La resistenza alla trazione indiretta tramite flessione, o resistenza alla flessione, è la resistenza opposta dai materiali alle sollecitazioni che tendono a piegarli. Si tratta di una proprietà molto utile da testare sia per le ceramiche che per i lapidei e che viene misurata tramite prove di flessione su provini a sezione circolare, quadrata o rettangolare, con diverso assetto (ossia flessione a 3 punti o a 4 punti), che però, a parità di materiale, può dare risultati di resistenza diversi.

I tests sono condotti con la stessa pressa con cui si effettuano le misure di resistenza a compressione e a trazione indiretta (tipo theta), tuttavia il provino è sostenuto alle estremità da due coltelli e caricato da un coltello in centro (assetto a 3 punti) o da due coltelli in due punti intermedi (assetto a 4 punti) (Fig. 19).

LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

La resistenza alla flessione è definita come il massimo stress di trazione alla rottura, indicato spesso anche come modulo di rottura (MOR o bend strength nei testi anglosassoni) e per un provino rettangolare (es. per i lapidei) si calcola tramite la formula generale del carico di flessione S:

(M è il momento, c la distanza dall’asse del provino, o asse neutro, alla superficie di tensione, I è il momento d’inerzia). La Fig. 19 mostra la derivazione delle formule per i  due assetti di prova per barre rettangolari.
L’assetto a 3 punti fornisce valori di resistenza più alti di quello a 4 punti e, in campo ceramico, viene usato nella progettazione solo se trattato statisticamente o probabilisticamente.
Lo stress di picco è presente sull’area di tensione tra i punti di carico e decresce linearmente dalla superficie di tensione fino a zero all’asse neutro, e dai punti di carico fino a zero ai punti di sostegno alle estremità. L’area e il volume sotto e vicino allo stress di tensione di picco è molto maggiore per l’assetto a 4 punti (Fig. 20) e perciò è maggiore la probabilità di esporre a stress una maggiore quantità di discontinuità, e quindi la valutazione della resistenza è un po’ più realistica.
Inoltre la resistenza misurata nel test decresce con l’aumento della dimensione dei provini.
Per i materiali lapidei il test secondo la normativa italiana (UNI 9724/5) viene effettuato con l’assetto a 3 punti con carico perpendiccolare ai piani di divisibilità o, se richiesto, parallelamente ad essi (Fig. 21). Il dato finale di resistenza corrisponde alla media dei risultati della prova su cinque provini a travetta dello stesso materiale.
La Tab. 23 mostra i valori di resistenza a flessione di vari materiali lapidei.
La resistenza a flessione è una proprietà significativa per i lapidei perché riguarda svariate applicazioni. Le spinte prodotte dal vento – positive (o dirette) e negative, molto più nocive, cosiddette di risucchio o aspirazione - sulle lastre di rivestimenti parietali possono provocare sollecitazioni flessurali e di taglio in corrispondenza dei vincoli delle lastre, tali da raggiungere talvolta il carico di rottura e, come conseguenza, il distacco di pezzi del rivestimento. Il vento rappresenta il maggior pericolo (a parte i terremoti) per la sicurezza statica degli elementi di rivestimento. L’azione del vento è tra le più pericolose perché ha carattere affaticante; questo rende la sua valutazione uno dei problemi nella posa in opera di rivestimenti esterni, soprattutto quando si ha a che fare con bassi spessori del rivestimento lapideo e nella realizzazione di edifici di grande altezza in aree metropolitane o in aree caratterizzate da vento costante e/o periodici tifoni.
Sollecitazioni a flessione si hanno anche nella realizzazione di scale, nei manufatti con funzione di copertura (tetti), in pavimenti sopraelevati e in elementi architettonici come mensole, architravi, balconi, ecc.. Grossolanamente la resistenza alla flessione di un materiale corrisponde a circa il 5% della sua resistenza alla compressione, e, come per la resistenza alla compressione semplice, i valori variano molto se il test è eseguito perpendicolarmente o parallelamente rispetto ai piani di divisibilità del lapideo.

La Tab. 24 riporta intervalli di valori caratteristici di resistenza MOR (e pochi dati di resistenza alla trazione) di vari materiali ceramici, ottenuti con prove a temperatura ambiente.
La Fig. 22 mostra la relazione tra resistenza alla flessione e temperatura nei materiali ceramici: la resistenza decresce con la temperatura in proporzione con la diminuzione del modulo elastico del materiale. Per la maggior parte dei materiali ceramici questo accade a temperature intermedie. A temperature molto elevate la diminuzione è ancora più rapida a causa di effetti anelastici talora anche dipendenti dalla distribuzione non omogenea di componenti chimici nella matrice che, in certe condizioni di temperatura, possono portare a rammollimento localizzato con abbassamento brusco della resistenza.
LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

ALTRE PROPRIETA’ IMPORTANTI PER I LAPIDEI

Ci sono altre proprietà tecniche dei lapidei per le quali non esistono procedure di laboratorio di riferimento. Possono esser previsti dei tests specifici in alcuni paesi ma non c’è nessun tipo di standardizzazione circa il tipo di prova, la metodologia e la convertibilità dei dati ottenuti con sistemi diversi.
Queste proprietà sono definibili attraverso il comportamento in opera dei diversi materiali o, nelle fasi di estrazione-lavorazione, attraverso valutazioni soggettive.
Le più importanti sono:

• assorbimento
• igroscopicità
• permeabilità all’acqua
• permeabilità all’aria (o ai gas)
• lavorabilità
• durevolezza

LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

Assorbimento – capacità di una roccia di assumere una certa quantità di acqua per forza di capillarità o per parziale contatto con l’acqua stessa (rocce poggianti su substrato umido – falda freatica, acqua di rimbalzo per il passaggio frequente di veicoli, ecc.). L’ascesa dell’acqua si arresta dove l’evaporazione annulla l’apporto di nuovo liquido, in un’area nella quale è tipica la cristallizzazione di sali contenuti dell’acqua. Questi sali (carbonati, solfati, nitrati) danno luogo ad efflorescenze, croste e patine bianche o di altro colore che compromettono seriamente l’aspetto estetico dei materiali, nonché la loro durevolezza.
Caratteristica di cui tener conto per materiali impiegati in rivestimenti esterni, zoccolature (degradazione e “sgranamento” del materiale) e per l’effetto sui materiali metallici eventualmente abbinati (arrugginimento), sulle travi in legno vicine (che marciscono) e sulla degradazione di malte e intonaci (che si sfaldano).
Grosso problema specialmente a latitudini temperate e fredde, con scarsa evaporazione.
Può anche essere valutato l’assorbimento di liquidi di varia natura, come liquidi contenuti in adesivi impiegati per la posa in opera, inchiostro, olii e grassi, bevande, limone, detergenti, ecc..

Igroscopicità – attitudine di una roccia ad assumere umidità dall’atmosfera. Connessa in modo particolare alla presenza o meno di componenti argillosi (tendenza al rigonfiamento). Il fenomeno è anche in relazione al tipo di trattamento a cui è stata sottoposta la roccia: trattamenti che limitano l’igroscopicità sono la lucidatura e la fiammatura (trattamento della superficie ad alta temperatura, 2500°C), ma l’effetto si limita solo alla faccia della lastra trattata, ma non al resto della lastra.

Permeabilità all’acqua (o penetrabilità) – attitudine a lasciarsi attraversare dall’acqua sotto pressione. Teoricamente nessuna roccia presenta una impermeabilità assoluta, ma rocce molto compatte (a bassissima porosità) sono pochissimo permeabili. Inoltre rocce porose, ma con pori non intercomunicanti, come le pomici, hanno pure una permeabilità bassa. La microfratturazione è un altro fattore di permeabilità nelle rocce compatte ed è tipico di varie rocce vulcaniche che hanno subito raffreddamento rapido con conseguente contrazione e fessurazione interna. L’attacco d’acqua sotto pressione può essere importante da valutare per alcune applicazioni, quali opere di copertura, rivestimento di prospetti sottoposti a dilavamento, in opere fluviali, marine e in bacini artificiali ed opere di arredo urbano con presenza continua di acqua (es., basi di fontane).

Permeabilità all’aria (o ai gas) – attitudine della roccia a farsi attraversare dall’aria. Proprietà utile ai fini igienici e di benessere degli ambienti interni. Infatti, la ventilazione naturale degli ambienti, dovuta alla differenza di pressione tra interno ed esterno, è proporzionale alla permeabilità all’aria della muratura. La ventilazione naturale permette anche la sostituzione di aria umida interna con quella più secca esterna, favorendo così lo stato di secchezza dei muri. I migliori materiali in questo senso sono rappresentati dai laterizi da “tamponamento” (forati), mentre sono praticamente impermeabili i marmi, i graniti e in generale tutte le rocce molto compatte. La quantità di gas capace di attraversare un materiale è inversamente proporzionale al suo spessore. Nel caso di grandi rivestimenti esterni di edifici si può procedere con lastre molto sottili, o con montaggio di pareti ventilate, distanziando di alcuni cm lo strato lapideo dalla parete da ricoprire (altra problematica tecnica importante poi è la modalità di ancoraggio dei rivestimenti lapidei alle pareti delle strutture edilizie).

Lavorabilità – dalla cava alla posa in opera, tutti i materiali subiscono una serie di operazioni e lavorazioni come abbattimento, spaccatura,  perforazione,  segagione, trattamenti di superficie, ecc.. La lavorabilità di un materiale è l’insieme dei suoi comportamenti nei confronti di queste operazioni e può essere descritta in termini di:

• durezza
• spaccabilità
• perforabilità
• scolpibilità
• segabilità
• possibilità di trattamento della superficie.

Durezza à vedi paragrafo relativo

Spaccabilità – proprietà delle rocce a rompersi secondo superfici più o meno piane sotto l’azione di utensili a percussione (mazze, cunei, martelli pneumatici, ecc.). Proprietà storicamente tenuta in grande considerazione, specialmente quando le operazioni erano manuali, per la sua influenza nella produzione di elementi edilizi. Corrisponde in parte alla divisibilità, ma può anche essere indipendente dall’esistenza di piani di divisibilità preesistenti. Infatti a differenza di una roccia divisibile, in una roccia spaccabile si possono ricavare superfici grossolanamente piane disposte secondo la volontà dell’operatore (es., sampietrini o lastre di porfido).  La spaccabilità dipende generalmente dalla tessitura ovvero dalla disposizione più o meno preferenziale dei singoli componenti, ma in vari casi sembra dipendente anche da altri fattori più complessi e non facilmente definibili.
La spaccabilità è facile in materiali sfaldabili (rocce scistose) e meno regolare e molto meno sistematica in materiali non sfaldabili (rocce non scistose).
Tecnici e cavatori hanno coniato dei termini, variabili per località, per indicare i diversi piani di più facile spaccabilità: i più usati sono il verso (superficie di più facile suddivisibilità), il contro (superficie ortogonale al verso ma con la sua stessa direzione) e il secondo (superficie ortogonale alle altre due) (Fig. 23). Per il contro e il secondo la spaccabilità risulta meno facile rispetto al verso.

Perforabilità – i costi di abbattimento in una cava dove si fa uso di perforazione sono influenzati dai tempi richiesti per la perforazione della roccia e dal consumo degli utensili impiegati (fioretti). La perforabilità di un materiale può essere espressa in termini di velocità di avanzamento dei fioretti: in funzione della durezza della roccia può variare da alcuni cm/minuto ad oltre un metro/minuto. Diventa un parametro molto importante per le rocce che devono esser coltivate esclusivamente tramite perforazione.

Scolpibilità – attitudine dei materiali a lasciarsi scolpire con diverse tecniche scultoree mediante appositi utensili (martelli, punte, scalpelli a mano o pneumatici, ecc.). I migliori materiali scolpibili sono i marmi saccaroidi a grana finissima (Bianco Statuario). In genere offrono caratteristiche di buona scolpibilità tutte le rocce dure, semi-dure e tenere a grana uniforme e medio-piccola o quelle non particolarmente tenaci, come calcari, gessi saccaroidi, arenarie a grana fine, ecc.. Più difficilmente scolpibili, anche se comunque utilizzati, sono i graniti, per la tendenza di alcuni minerali a sfaldarsi (negativo specialmente se il granito è a grana grossolana).

Segabilità – attitudine a lasciarsi segare con tecniche quali: filo elicoidale + sabbia abrasiva, lame d’acciaio + abrasivo, seghe e dischi circolari abrasivi (carborundum, diamante), filo diamantato. E’ funzione della mineralogia, della struttura e tessitura della roccia, delle anisotropie presenti.
Agli effetti della segabilità si distinguono:

• rocce durissime (gabbri, basalti, graniti)
• rocce dure (serpentini, calcari compatti, marmi)
• rocce semidure (calcari teneri, marne)
• rocce tenere (tufi, gessi, calcari poco litificati)

La prova di microdurezza Knoop ha cominciato ad introdurre parametri per la valutazione non più empirica, ma quantitativa della segabilità delle rocce, anche se permane un approccio pratico. Questa proprietà riveste un’enorme importanza ai fini della determinazione dei costi per la realizzazione dei manufatti.

Possibilità di trattamento della superficie – costituisce un fattore qualitativo e tecnico al tempo stesso e indica la maggiore o minore applicabilità di trattamenti di finitura (lucidatura, sabbiatura, bocciardatura, gradinatura, spuntatura, fiammatura, ecc.) atti a conferire alla superficie dei manufatti un determinato aspetto estetico, in funzione della destinazione d’uso.
LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

Durevolezza – proprietà per la quale la pietra è stata sempre sinonimo di longevità ed immutabilità. E’ la capacità dei materiali posti in opera a resistere all’attacco e alle aggressioni esterne e all’usura (calpestio, carichi, consunzione, ecc.). Gli agenti atmosferici, talora con azione combinata, sono rappresentati da vento, umidità, pioggia, temperatura, sbalzi termici, nebbia, smog, a cui si aggiungono agenti biologici (licheni, microrganismi, guano). Questi fattori esercitano sul lapideo azioni chimiche e fisiche.
Il vento esercita un effetto meccanico di spinta e, a causa del di trasporto di corpuscoli e polvere, porta a corrosione meccanica. La pioggia asporta e dilava i materiali fini rimossi dall’azione eolica preparando una nuova superficie all’abrasione; se contiene anche sostanze aggressive legate prevalentemente allo smog (CO2, SO2, SO3, O3, ecc.) porta ad un profondo degrado per attacchi chimici. L’insolazione e il freddo sottopongono la roccia a cicli termici anche molto violenti e distruttivi (crioclastismo-termoclastismo). L’azione simultanea di vari fattori mette influisce sulla resistenza di un materiale determinandone la durata in opera (o durevolezza). Data l’importanza della questione sono da vari anni in studio prove tecniche per la quantificazione della durevolezza, che ha importanza ai fini della progettazione di opere nuove, ma anche per le problematiche relative al restauro dei manufatti degradati.

PROPRIETA’ TERMICHE

LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

PUNTO DI FUSIONE

 

Il punto di fusione è una proprietà fondamentale per alcuni impieghi di materiali naturali e sintetici, in particolare nel campo dei refrattari, del cemento e delle ceramiche.
Diversi materiali mostrano diverso comportamento alla fusione. Alcuni fondono in modo conguente, altri in modo incongruente (producendo un fuso che non ha la loro composizione e che contiene un residuo solido chimicamente complementare), o sublimano o si decompongono (liberando una fase gassosa e lasciando un residuo piuttosto refrattario). Alcune sostanze ad alta T°C diventano particolarmente plastiche per cui è difficile determinare l’esatta temperatura corrispondente al passaggio di stato (es., il quarzo).
In generale il comportamento di fusione o sublimazione dipende molto dalla forza del legame atomico. In generale il punto di fusione aumenta nel seguente ordine: cristalli molecolari, cristalli metallici, cristalli ionici (tipo ossidi ed alogenuri alcalini) e cristalli a legame covalente (ossidi, nitruri e carburi). Esempi di materiali con forti legami atomici e strutturali ed alte temperature di fusione sono diamante, carburo di tungsteno, allumina, metalli refrattari (come W, Ir), ecc.. Esempi di materiali con legami strutturali principali deboli e molto deboli (es., Van der Waals) e basse temperature di fusione sono i metalli molto leggeri, i polimeri, NaCl, ecc..

Le relazioni tra struttura cristallina e punto di fusione negli ossidi seguono questi trends:

• più è alto il numero di coordinazione di un catione maggiore è il punto di fusione
• più è semplice la composizione o più il rapporto tra catione ed anione è prossimo all’unità, maggiore è il punto di fusione
• minore la deviazione dal raggio ionico ideale, maggiore il punto di fusione (trend osservato in alogenuri alcalini)
• più è simile la struttura atomica di un catione a quella dei gas nobili, maggiore è il punto di fusione
• più la coordinazione tra cationi ed anioni è vicina alla simmetria sferica, maggiore è il punto di fusione

I trends 1)  e 2) derivano dal fatto che gli ossidi che hanno strutture cristalline con più alto numero di coordinazione hanno maggiore densità di impacchettamento e quindi maggiori energie di formazione. I trends da 3) a 5) indicano che i composti con strutture cristalline e legami chimici più omogenei e stabili tendono ad avere più alto punto di fusione.

Nei sistemi complessi come le rocce, la definizione di punto di fusione è ancora più aleatoria e in generale riguarda l’inizio della fusione, poiché la fusione di una roccia si svolge su un ampio intervallo di temperature. Dal punto di vista tecnico, l’intervallo di temperatura compreso tra la comparsa dei primi effetti di fusione (manifestati sotto forma di legami vetrosi nela massa raffreddata) e l’estensione del fenomeno fino alla perdita della forma originaria della sostanza riscaldata, è detto campo di vetrificazione di quella sostanza.

La Tab. 25 confronta i dati di temperatura di fusione di vari materiali, mentre la Tab. 26 riporta punti di fusione dei minerali più importanti.
Si può definire un grado di fusibilità dei materiali, misurato tramite cannello alla fiamma ossidrica (Tab. 27). La Tab. 28 riporta esempi di minerali con punti di fusione incongruente e di dissociazione.
Rispetto ad altri materiali, le ceramiche sono molto resistenti al calore. Per mostrare una qualsiasi funzione di stabilità ad alta temperatura, un materiale deve avere tale proprietà. Perciò si scelgono ceramiche con alto punto di fusione per applicazioni ad alte temperature. Ma ad elevate temperature è necessario mostrare anche altre proprietà, come la resistenza alla corrosione, resistenza meccanica, ecc..

Misura della temperatura – Le misure di temperatura in campo industriale sono effettuate con coppie termoelettriche, con pirometri ottici, con termometri a dilatazione, con termometri a tubo di Bourdon, con termometri a resistenza e con i Coni Pirometrici Standard (Pyrometric Cone Equivalent o PCE) o Coni Seger.
Una termocoppia (trasduttore di temperatura), fondamentalmente, è costituita da due qualsiasi fili metallici dissimili uniti meccanicamente ad una estremità, chiamata giunto caldo; l'altra estremità, o giunto freddo, è ad una temperatura nota di riferimento inferiore rispetto a quella del giunto caldo. Quando il giunto caldo è riscaldato si genera una forza elettromotrice che normalmente è proporzionale alla temperatura. Potenzialmente qualsiasi coppia di conduttori può essere usata come termocoppia, perciò sono state selezionate e standardizzate quelle leghe rispondenti ai migliori requisiti meccanici, elettrici, metallurgici e di costo. Le più comuni termocoppie industriali sono:
Type B : (Pt 30% Rh / Pt 6% Rh)
Type E : (Chromel / Constantan)
Type J : (Iron / Constantan)
Type K : (Chromel / Alumel)
Type S :  (Pt 10% Rh / Platinum)
Type R : ( Pt 13% Rh / Platinum)
Type T : (Copper / Constantan)
Type N : (Nicrosil / Nisil)
I pirometri ottici sono termometri ad infrarossi (a puntamento laser) precisi e semplici da utilizzare (basta puntare, misurare e leggere), che  permettono di misurare con estrema sicurezza le temperature di superfici d'oggetti incandescenti (fino a circa 900°C), pericolosi o di  difficile accesso, senza il contatto.
I termometri a dilatazione più comuni sono quelli costruiti con il mercurio o l’alcool. Però esistono anche altri tipi di termometri basati sul diverso coefficiente di dilatazione termica subita da materiali differenti saldamente vincolati l'uno accanto all'altro (lamine bimetalliche). Questi termometri sono molto diffusi sia in ambito industriale che domestico come termostati, e sono inoltre usati negli strumenti per la misura della radiazione solare (piranografi). A parità di calore fornito, una lamina si dilaterà maggiormente dell'altra, a cui peraltro è vincolata, determinando l'incurvatura della lamina stessa proporzionale alla temperatura.
I termometri a resistenza si basano sulla dipendenza della resistività dei metalli dalla temperatura.
Termoresistenze molto precise sono quelle al platino, mentre minor precisione caratterizza quelle costruite in nichel o sue leghe; queste termoresistenze hanno il difetto di essere poco lineari, tendere a derivare nel tempo e di avere una limitata temperatura di impiego.
I Coni Pirometrici Standard sono piccoli coni confezionati con diverse sostanze che si rammolliscono a temperature prefissate. La temperatura di fusione o di caduta è quella necessaria a far piegare la punta del cono fino quasi alla base sulla quale è poggiato il cono (Fig. 24). Il numero del cono che si piega ad una certa temperatura rappresenta l’equivalente della temperatura stessa. I coni sono poco più di 40 e coprono un campo di temperature compreso tra 600°C e 2000°C circa (Tab. 29). Essi sono largamente usati nell'industria della ceramica, nei forni di cottura della porcellana, terraglia, sanitari, piastrelle, laterizi, refrattari. I coni, a differenza delle apparecchiature pirometriche, possono essere agevolmente collocati nei più svariati punti della camera di cottura ad indicare le condizioni termiche in più punti col vantaggio di offrire una registrazione permanente di quelle condizioni. Ciò è particolarmente vantaggioso per monitorare lo zoning di temperatura nelle diverse parti dei lunghi forni kiln. Di solito si usano tre coni di numeri consecutivi, con al centro il cono della temperatura voluta.

CAPACITA’ TERMICA

La capacità termica c è l’energia richiesta per aumentare la temperatura di un materiale, oppure, in modo più specifico, la quantità di calore richiesta per aumentare di 1°C la temperatura di una sostanza. Nel sistema metrico la capacità termica è misurata come cal/°C o cal/g °C.
Altri due termini sono usati per riferirsi alla capacità termica: capacità di calore molare (riferito ad una mole della sostanza) e calore specifico (adimensionale; rapporto tra la capacità termica di una sostanza e quella dell’acqua a 15°C).
La Tab. 30 riporta valori di calore specifico di aria, vari metalli e materiali rocciosi.
Il calore latente invece è il calore immagazzinato per unità di massa (cal/g).

La capacità termica di un materiale è ampiamente determinato dagli effetti della temperatura su:

• energie vibrazionali e rotazionali degli atomi nel materiale
• variazione di livello energetico degli elettroni nella struttura
• variazioni nelle posizioni atomiche durante la formazione di difetti strutturali (vacanze o impurezze interstiziali), transizioni ordine-disordine, orientazione magnetica o trasformazioni polimorfe.

Per la maggior parte delle ceramiche la capacità termica cresce da zero a 0 K a circa 6 cal/g atom°C attorno a 1000°C (Fig. 25). Dalla Fig. 25 è chiaro che la capacità termica è relativamente insensibile alla struttura cristallina o alla composizione chimica. Per le applicazioni pratiche devono essere considerati altri fattori,  tra cui il più importante è la porosità. Un materiale poroso ha minor solido per unità di volume di uno con porosità nulla, il quale quindi richiederà più energia per il riscaldamento ad una certa temperatura. In base a questo principio, il rivestimento termico di un  forno industriale verrà riscaldato o raffreddato in modo più veloce ed efficiente se sarà costituito da mattoni isolanti (firebricks) porosi piuttosto che densi.

 

CONDUCIBILITA’ TERMICA

La conducibilità termica k definisce la capacità di un materiale di propagare il calore ovvero il flusso di calore entro un materiale. E’ espressa come unità di  cal/sec cm2 °C cm, ovvero quantità di calore che passa attraverso una sezione (cm2) e per una distanza (cm) nel tempo (sec). Le unità SI sono W/m K o W/cm °C.
La Fig. 26 mostra la conducibilità termica di vari materiali ceramici e metallici, mentre la Tab. 31 riporta anche dati relativi a materiali rocciosi.
Il flusso di calore è controllato dalla quantità di calore presente (dipendente dalla capacità termica volumetrica c), la natura e la velocità v del veicolo di calore nel materiale (elettroni oppure fononi, che sono vibrazioni reticolari quantizzate) e dal grado di dissipazione (funzione di effetti di scattering e considerabile in termini di distanza di attenuazione l delle onde reticolari o free path):

Nei metalli i veicoli di calore sono gli elettroni che, per la natura del legame metallico, sono relativamente liberi di spostarsi nella struttura. Questo gran numero di veicoli e l’ampio free path medio risultano nell’alta conducibilità termica dei metalli. La combinazione di metalli puri in leghe diminuisce la conducibilità termica (es., 400 W/mK per Cu o Ag puro e solo 51 W/mK per un acciaio).
La maggior parte dei materiali organici, a causa dei legami covalenti, della grossa dimensione delle molecole e della scarsa cristallinità, è caratterizzata da bassa conducibilità termica.

I materiali ceramici mostrano un ampio range di conduttività (Fig. 27). I fattori che nelle ceramiche influenzano la conducibilità termica sono il tipo di legame chimico, la purezza e la densità.
Materiali molto conduttivi sono quelli con

• forti legami chimici,
• un’alta densità di impacchettamento degli atomi nella struttura cristallina,
• un alto grado di simmetria cristallina,
• un’alta cristallinità (quindi non i vetri),
• elementi leggeri e
• strutture con il numero minimo possibile di elementi.

Tali condizioni risultano in alta mobilità e ampio free path medio dei fononi. La propagazione dei fononi è controllata/limitata da difetti reticolari nelle strutture cristalline, pori, bordi dei granuli ed impurezze o atomi estranei nella struttura.
In base a quanto sopra, il diamante e la grafite rappresentano ottimi esempi di strutture ceramiche single-element ad alta conducibilità termica: a temperatura ambiente il diamante ha k = 900 W/mK, più del doppio di quella del rame. La grafite, essendo strutturalmente anisotropa, mostra altissima conducibilità (fino a 2000 W/mK) lungo strato e molto bassa (circa 10) tra strato e strato (per la presenza di legami di Van der Waals). Diverse tecniche di fabbricazione di manufatti in grafite influenzeranno l’orientazione dei cristalli di grafite, risultando quindi in prodotti con conducibilità diverse.
Anche la formazione di soluzioni solide diminuisce la conducibilità termica, poiché le pur minime distorsioni reticolari che possono accompagnare l’ingresso nella struttura di un catione affine a quello maggiore, comportano un aumento dello scattering dei fononi (es., soluzione solida allumina – eskolaite in Fig. 28).
La conducibilità termica è influenzata anche dalla temperatura assoluta alla quale avviene il flusso di calore e, in generale, per le ceramiche diminuisce con l’aumento di temperatura. La ragione è che  dove le vibrazioni reticolari sono la modalità primaria di propagazione del calore, l’effetto di l, che è µ 1/T, domina.

Nei vetri la struttura è disordinata anche a temperatura ambiente e quindi l, già molto basso, non cambia in modo significativo con la temperatura. Perciò per i vetri la capacità termica c ha una grande influenza e quindi risulta in un aumento della conducibilità termica, come mostrato nella Fig. 26 per il vetro di silice (e in Tab. 31).
Un altro fattore dipendente in modo esponenziale dalla temperatura, è il trasporto di calore radiante. Esso può condizionare il comportamento del vetro, delle ceramiche cristalline trasparenti e delle ceramiche ad alta porosità, aumentandone la conducibilità termica a temperatura elevata.

Altri fattori che influenzano questa proprietà nelle ceramiche sono: impurità che non entrano nelle soluzioni solide, porosità, microfratture, non-cristallinità, margini cristallini, granulometria e, in un materiale polifasico, le modalità di distribuzione (dispersione) delle fasi.
Le impurità diminuiscono la conducibilità termica, ma non quanto le soluzioni solide.
Per la dispersione delle fasi (Fig. 29a-c), la conducibilità termica del materiale composito dipende dalla conducibilità di ciascuna fase e dal suo assetto spaziale. Ad es., in caso di un materiale costituito da due fasi organizzate in strati paralleli (es., rivestimenti dei forni, barriere termiche, smalti, ecc.; Fig. 29a), la conducibilità termica è direzionale (parallela agli strati) e lo strato più interno è a bassa conducibilità (per un effetto isolante). Se la seconda fase è dispersa (es., immiscibile) nella prima, più abbondante (es., in ceramiche abrasive per la tornitura dei metalli; Fig.  29b), la conducibilità della fase più abbondante domina il materiale finchè il volume della fase minore non aumenta al punto di formare films continui. La configurazione con grandi granuli isolati della prima fase separati dalla seconda fase, minore ma continua, è caratteristica di varie ceramiche vetrificate, porcellane e refrattari di vario tipo (Fig. 29c). Poiché la fase minore è quella continua, tende a dominare le caratteristiche di conducibilità termica del materiale composito.
La porosità diminuisce la conducibilità termica poiché l’aria immobile è conduce male il calore.

Nelle rocce la conducibilità termica dipende molto dalla tessitura, sia a causa degli effetti dovuti all’orientazione dei minerali sia per quelli connessi con la presenza di pori. La conducibilità termica è inversamente proporzionale alla porosità reale e direttamente proporzionale al diametro dei pori: cavità piccole ed isolate escludono l’instaurarsi di fenomeni convettivi dell’aria, che quando è in quiete è circa 100 volte meno conduttiva. La presenza di acqua nei pori fa invece aumentare la conducibilità termica anche del 35%.  La Tab. 32 riassume alcne caratteristiche di conducibilità termica nelle rocce.
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ESPANSIONE O DILATAZIONE TERMICA

Espansione termica è il termine generale usato per descrivere la variazione di dimensioni che subisce la maggior parte dei materiali con aumento o diminuzione di temperatura. Dati di espansione termica sono riportati generalmente in termini di coefficiente di espansione lineare a:

(l0 = lunghezza a =°C; D
l = variazione in lunghezza (l – l0); DT = variazione di temperatura)

Unità di misura nel sistema metrico è cm/cm/°C oppure 1/°C. Di solito i dati sono come espansione percentuale (o in parti per milione) vs. temperatura; dati per vari tipi di materiali sono rappresentati nella Fig. 30 e nella Tab. 33. L’ordine di grandezza della dilatazione lineare della maggior parte dei materiali è di alcuni milionesimi di l per grado, cioè millesimi di millimetro per grado.
Si può considerare anche la dilatazione termica volumica, o dilatazione vera, che esprime invece le variazioni di volume, altrettanto importanti non solo nelle applicazioni tecniche ma anche nei fenomeni di alterazione. La Tab. 34 riporta variazioni percentuali per riscaldamenti da 20°C fino alla temperatura indicata per una serie di materiali. Si noti come il quarzo sia un minerale tra i più dilatabili, mentre il suo vetro è uno dei materiali meno dilatabili.

L’aumento delle dimensioni risulta da un aumento dell’ampiezza delle vibrazioni tra gli atomi nel materiale con l’aumento della temperatura. L’entità di variazione dimensionale dipende dalla forza del legame tra gli atomi e la disposizione degli atomi nel materiale. Nelle strutture dense l’espansione totale è la somma dell’espansione di ciascun atomo individuale.
I metalli con strutture molto dense e legame atomico debole presentano forte espansione termica: es., i metalli alcalini. Con l’aumento della forza di legame, l’espansione termica diminuisce: si ha quindi una diminuzione di espansione da Al a Fe, Cu, Ni, W, Mo e Si (anche in Fig. 31).
I materiali con un’alta percentuale di legame ionico mostrano valori di espansione termica simili ai metalli alcalini, quindi forte espansione termica (es., NaCl), mentre se aumenta la percentuale di legame covalente, l’espansione termica diminuisce.
E’ stata osservata una correlazione inversa tra il coefficiente di espansione termica lineare a e la temperatura di fusione di metalli e ceramiche a struttura relativamente densa (Fig. 32 e 33), a causa della dipendenza di entrambe le proprietà primariamente dalla forza del legame e l’ampiezza delle vibrazioni termiche: con l’aumento della forza del legame aumenta il punto di fusione e diminuisce l’espansione termica di un materiale.
Materiali densi e a struttura cubica hanno espansione termica uniforme lungo i tre assi cristallografici e sono detti isotropi. Materiali con strutture cristalline non cubiche sono anisotrope per l’espansione termica. La Tab. 35 elenca il coefficiente di espansione termica medio in diverse direzioni cristallografiche per vari materiali anisotropi. Questi valori valgono solo per un cristallo singolo isolato o entro un materiale policristallino. Se i granuli nel materiale policristallino hanno orientazione casuale, l’espansione termica totale sarà isotropa e sarà la media delle espansioni di ciascun granulo nelle sue direzioni cristallografiche.
Riguardo alla relazione tra espansione termica e strutture e legami atomici, materiali come Al2O3, TiO2 e mullite hanno strutture non-cubiche con forza di legame atomico intermedia e mostrano espansione termica moderata con piccole differenze nelle diverse direzioni cristallografiche. In contrasto, strutture come CaCO3 e KNO3 hanno strutture altamente asimmetriche e fortissima anisotropia di espansione termica. Forte anisotropia è mostrata anche dalla grafite, per gli stessi motivi spiegati per la conducibilità termica e dipendenti dal diversi tipo di legame (covalente e tipo Van der Waals) nelle diverse direzioni cristallografiche.
Materiali come il quarzo, silicati di Li come b-spodumene e b-eucryptite, ecc. sono caratterizzati da strutture tridimensionali con legami covalenti direzionali, assetto degli atomi non denso e con cavità aperte e canali. Le strutture consistono di poliedri di atomi (es., tetraedri di SiO2) connessi dalla compartecipazione di atomi agli spigoli e variamente disposti nello spazio. Tali strutture non sono rigide e con l’aumento di temperatura i legami agli spigoli hanno la flessibilità di cambiare angolo tramite tilting o rotazione, assorbendo quindi vibrazioni termiche che in un materiale più rigido causerebbero espansione termica. Ma ciò può anche risultare in anisotropia dove si hanno fenomeni di espansione negativa (contrazione) in una direzione e positiva in un’altra. Generalmente un risultato è la distensione dei reticoli (es., nel quarzo).
Quando materiali anisotropi sono combinati a formare un corpo ceramico policristallino, l’espansione termica può essere molto bassa, come ad es. nel caso dello spodumene (in Fig. 30). Simili materiali possono quindi resistere a cicli termici estremi o shock termici senza rompersi.

Riguardo alla struttura cristallina, per molti materiali ceramici possono verificarsi variazioni strutturali a temperature specifiche per trasformazione in polimorfi. Tale trasformazione può risultare in variazioni improvvise del grado di espansione o in un’improvvisa variazione di volume, entrambi individuabili chiaramente in una curva dell’espansione termica (es., SiO2 e ZrO2 in Fig. 34). Su tale curva si possono anche riconoscere trasformazioni di struttura tipo ordine-disordine.

I solidi non cristallini mostrano un comportamento simile a quello dei solidi cristallini. Tuttavia nei vetri le caratteristiche di espansione termica sono controllate non solo dalla composizione e dalle caratteristiche strutturali, ma anche dalla storia termica, cioè la temperatura del fuso iniziale, la velocità di raffreddamento e i successivi trattamenti in temperatura. I vetri a bassa espansione termica sono importanti in molte applicazioni che richiedano un materiale trasparente resistente agli shock termici. In questa categoria rientrano alcuni vetri a borosilicati e a silicati di Li. Il vetro di silice pura è uno dei migliori materiali a disposizione resistenti a shock termici. Infatti viene impiegato in forma di schiuma porosa per rivestire parti critiche degli space shuttles esposte ad alte temperature durante le fasi di rientro. La bassa espansione termica previene lo shock termico mentre la bassissima conducibilità termica protegge le strutture sottostanti meno resistenti.

Per molte applicazioni la corretta valutazione dell’espansione termica dei materiali, specie nell’impiego di diversi materiali in abbinamento, è di importanza cruciale. Alcune applicazioni richiedono bassissima espansione termica: ad esempio per le stoviglie in vetro Pyrex o in ceramiche termoresistenti o per le più moderne piastre riscaldanti, capaci di resistere a gradienti di temperatura molto forti. Un’altra importante applicazione delle ceramiche a bassa espansione termica è quella del substrato per i convertitori catalitici per le automobili: il substrato è costituito da una struttura ad alveare di cordierite che accoglie i gas di scarico a temperatura molto alta e che deve quindi resistere a shock termici.
Prestazioni di espansione termica quasi nulla sono richieste anche per specchi ed elementi nei laser.

Anche per applicazioni che prevedono l’uso di materiali litici è importante valutare le caratteristiche di espansione termica lineare dei materiali, una volta posti in opera, per effetto di aumenti di temperatura, anche se le temperature in gioco non sono estreme come nel caso degli ambienti di esercizio di varie ceramiche. Il test risulta particolarmente probante per tutte le applicazioni in contesti climatici con notevoli escursioni termiche sia giornaliere che annue. I valori dei coefficienti di dilatazione delle rocce sono trascurabili se vien loro data la possibilità di dilatarsi, ma quando la dilatazione è impedita, si creano all’interno della roccia delle tensioni che possono spingersi oltre il valore sopportabile di resistenza alla compressione oppure che, in altri casi, provocano la flessione e l’incurvamento dei manufatti. Le variazioni di temperatura, in alcune zone, possono arrivare fino a 80°C, e ciògenera spostamenti differenziali dei punti di fissaggio in ogni singolo elemento, generati da deformazioni elastiche e di assestamento delle strutture retrostanti alle lastre di lapideo. Anche in presenza di allungamenti modesti, le rocce tendono ad un comportamento rigido e quindi le tensioni interne causate dagli sbalzi termici possono causare danni irreparabili. Nelle pavimentazioni, specialmente quelle in esterno, e nei rivestimenti esterni deve essere previsto un sistema di giunti di dilatazione, la cui larghezza deve essere proporzionale alle dimensioni delle lastre. Ad esempio, una colonna monolitica di granito alta 5 m, con una variazione di T°C pari a 50°C, si allunga di 2 mm, mentre un pilastro di calcestruzzo, alle stesse condizioni raddoppia l’allungamento.
Come riportato nella Tab. 33, i coefficienti di dilatazione delle rocce sono mediamente molto bassi, inferiori a quelli del calcestruzzo e dell’acciaio e simili a quelli dei mattoni e del vetro.
Il test di dilatazione termica lineare dei lapidei richiesto per la certificazione viene eseguito su due provini cilindrici (diametro di 3 cm e lunghezza di 20 cm) collocati in un dilatometro in vetro di silice e sottoposti a sbalzi termici tra 0°C e 60°C. Le variazioni di lunghezza vengono rilevate tramite comparatore millesimale e il risultato è espresso in 10-6/°C, o in mm/m/°C, come valore medio dei due saggi.

 

SHOCK TERMICO

Lo shock termico riguarda la formazione di stress termici in un componente in seguito all’esposizione ad una differenza di temperatura tra la superficie e il suo interno o tra diverse porzioni del componente. Per forme come una piastra infinita, un cilindro lungo (pieno o cavo) e una sfera (piena o cava), lo stress termico di picco tipicamente si verifica in superficie durante il raffreddamento, secondo la seguente equazione:

(sth = stress termico, E = modulo elastico, a= coefficiente di espansione termico, v = rapporto di Poisson* e DT = differenza di temperatura). (* il rapporto di Poisson descrive la variazione dimensionale di un provino sottoposto ad uno sforzo tensionale).

L’equazione indica che lo stress termico in un materiale aumenta con l’aumento del modulo elastico, del coefficiente di espansione termica e con l’aumento della differenza di temperatura. Per quanto riguarda il materiale, DT  può esser diminuita aumentando la conducibilità termica del materiale, mentre dal punto di vista della progettazione può essere diminuita modificando la configurazione e possibilmente le condizioni di trasferimento di calore.
La configurazione del materiale in termini di stress termico ha influenza sulle modalità di rottura del materiale attraverso il parametro R di shock termico, che controlla la generazione e l’evoluzione di microcracks all’interno del materiale. In generale, la combinazione di bassi E e v con alto s (inteso come resistenza alla flessione) fornisce, in modo un po’ paradossale, un’alta resistenza alla propagazione di cracks esistenti. Nella Tab. 36 si nota che il ceramico a base di Li (b-spodumene) è il migliore per resistenza a shock termico, anche se è il peggiore in termini di s.
Altri fattori, come la conducibilità termica e la resistenza alla frattura, hanno effetti sostanziali sullo shock termico, e in base a queste caratteristiche, materiali con forte espansione termica ma con altissima resistenza alla frattura risultano molto resistenti agli shock termici.

 

Fonte: users.unimi.it/~spoli

 

B

BARRA O BILLETTA Semilavorato a sezione quadrata con spigoli arrotondati o tondi ottenuto per laminazione a caldo o da colata continua. BONIFICA Particolare trattamento termico che consiste nella tempra e nel rinvenimento dell'acciaio secondo le esigenze di impiego.

C

CALANDRA Macchina di formatura per tubi elicoidali o per imprimere curvatura a lamiere. CALCARE (PIETRA) Sostanza usata in siderurgia per fabbricare la ghisa e serve ad abbassare il punto di fusione. Cotto e trasformato in calce viene usato in acciaieria. CALIBRATORE Macchina del ciclo di fabbricazione tubi composta da una serie di gabbie di laminazione, atta ad ottenere il diametro esterno finito, abbinando un modesto aumento di spessore. CARICO DI ROTTURA Definisce il carico che l'acciaio può sopportare prima di rompersi. In generale viene misurata sottoponendo a trazione assiale con carichi crescenti provette di forma cilindrica o rettangolare (per le lamiere). CARRO SILURO Speciale carro ferroviario rivestito internamente di mattoni refrattari in cui è versata e trasportata la ghisa liquida. CICLO A FORNO ELETTRICO Serie di operazioni che consentono di fabbricare l'acciaio partendo dal rottame. COATING Termine inglese il cui equivalente in italiano è «rivestimento". Si tratta di un processo di ricopertura superficiale del metallo e serve generalmente per preservarlo della corrosione. Lo strato di ricopertura può avere varie caratteristiche: si va dalla semplice verniciatura all'impiego di composti (TIN, TIC), di metalli (Zinco, stellite ) di prodotti di origine petrolifera o di materiali ceramici. COLAGGIO Operazione con la quale l'acciaio passa dal forno o dalla secchia alla lingottiera oppure alla macchina di colata continua. COLATA Insieme dell'acciaio o della ghisa fabbricati, in una serie di operazioni nel forno o nell'altoforno. Il termine viene utilizzato perciò per designare l'insieme dei semiprodotti derivanti da una stessa carica del forno ed aventi pertanto la stessa composizione. COLATA CONTINUA CURVA Macchina di colaggio in continuo dell'acciaio. A differenza di quella verticale occupa meno spazio in altezza in quanto il prodotto ottenuto viene curvato, fino ad avere asse orizzontale, quando ha ancora l'interno allo stato liquido. L'altezza dell'impianto può essere inferiore di un terzo rispetto a quello verticale. COLATA CONTINUA VERTICALE Macchina di colaggio in continuo dell'acciaio che non prevede la piegatura del prodotto ottenuto. Consta di una lingottiera opportunamente raffreddata dal cui fondo la bramma o il blumo che via via si formano vengono continuamente estratti. Richiede un notevole spazio in altezza (fino a 60 m), in quanto si può iniziare a tagliare il prodotto in spezzoni lunghi a piacere solo quando tutta la sua sezione si è solidificata. COMPATTAZIONE Procedimento in grado di trasformare un prodotto incoerente in un prodotto densificato della forma desiderata con densità prossima alla teorica. Può essere realizzata a freddo o, con maggior facilità, a caldo. CONDIZIONAMENTO Trattamento atto a eliminare i difetti superficiali di semilavorati siderurgici prima del processo di trasformazione finale a caldo. Eseguito mediante molatura o sfiammatura. CONTROLLI DISTRUTTIVI Controlli che implicano la distruzione di una parte del manufatto (prova di trazione, prova di schiacciamento etc.). CONTROLLI NON DISTRUTTIVI Controlli fatti sul materiale senza che lo stesso subisca distruzione o danneggiamento (nel caso di tubi: prova idraulica - ultrasuoni - correnti magnetiche - raggi X ecc.) CPM Vedi Tecnologia delle polveri. CRICCA Difetto dei laminati di acciaio che si presenta con una spaccatura più o meno profonda della superficie.

D

DECAPPAGGIO MECCANICO Trattamento atto a eliminare gli strati di ossidi superficiali formatisi durante la lavorazione a caldo, sfruttando la fragilità dell'ossido rispetto alla tenacità del metallo. Viene eseguito indirizzando getti d'aria a pressione contenenti sabbia o sferette metalliche sulla superficie del prodotto da trattare (sabbiatura o pallinatura). DECAPPAGGIO CHIMICO Trattamento atto a eliminare gli strati di ossidi superficiali formatisi durante la lavorazione a caldo. Viene eseguito immergendo i prodotti in bagni chimici atti a sciogliere o distaccare gli ossidi, minimizzando la dissoluzione del metallo base. DECARBURAZIONE Riduzione del contenuto di carbonio nell'acciaio. Può essere effettuata nell'acciaio liquido durante la trasformazione della ghisa in acciaio, nella zona superficiale dell'acciaio solido nel corso del trattamento termico o in impianti particolari per ottenere bassissimi contenuti dello stesso. DESOLFORAZIONE Trattamento mirante a ridurre la concentrazione dello zolfo nell'acciaio liquido. DIESCHER Laminatoio obliquo composto da due cilindri e due dischi, atto ad ottenere sbozzati con allungamento del forato mediante lavorazione su un mandrino, con riduzione di spessore e diametro. DISCAGLIATURA Operazione di rimozione a caldo dello strato di ossido superficiale delle billette ottenuta mediante getto di acqua o aria ad alta pressione.

E

ESTRATTORE Macchina posta a valle del laminatoio continuo a mandrino trattenuto, composta da una serie di gabbie di laminazione, atta ad estrarre il tubo dal mandrino mediante una leggera riduzione di diametro esterno.

F

FERRITE (O FERRO ALFA) Tipo di struttura cristallina del ferro o degli acciai stabile generalmente a temperature non troppo elevate. Per essere resa stabile anche ad alte temperature è necessaria l'aggiunta di opportuni elementi di lega, come, ad esempio, il cromo o il molibdeno. A temperatura ambiente la ferrite è magnetica. FERRO È un elemento chimico che si trova in natura. Costituisce il principale componente di tutti gli acciai. Il punto di fusione del ferro è di 1528 gradi C. FERRO ALFA Vedi FERRITE FERRO GAMMA Vedi AUSTENITE. FINITORE Impianto di laminazione che effettua i definitivi allungamenti e riduzioni di spessore a caldo del prodotto. FINITURA TUBI Operazioni conclusive del ciclo di fabbricazione, consistenti nella smussatura, filettatura, sbavatura, rivestimento, ecc. FONDENTE Vedi CALCARE FONDENTE Materiale aggiunto durante la fusione di un metallo per la fluidificazione degli ossidi e la formazione della scoria. FORNO DA TRATTAMENTO TERMICO È un particolare tipo di forno le cui camere di riscaldo sono rigorosamente controllate termicamente allo scopo di conferire all'acciaio le caratteristiche tecnologiche desiderate. FORNO ELETTRICO AD ARCO In questo forno il riscaldamento è prodotto da un arco elettrico che viene fatto scoccare tra elettrodi di graffite e la carica metallica. FORNO ELETTRICO AD INDUZIONE In questo forno il riscaldamento è prodotto dalla corrente elettrica indotta nel corpo da riscaldare per mezzo di una bobina induttrice. FORNO FUSORIO Impianto in cui viene effettuata la fusione di rottame, o leghe. FORNO ROTATIVO Forno di riscaldo per billette con suola di forma anulare rotante su cremagliera comandata da motori FUCINA Struttura che raccoglie gli impianti e gli accessori di fucinatura (forni, magli, presse ecc.). FUCINATO Semiprodotto ottenuto dalla fucinatura mediante opportune sagomature. FUCINATURA Lavorazione per deformazione a caldo dei metalli effettuata mediante presse, magli, martellatrici ecc. FUSIONE Passaggio di una sostanza dallo stato solido allo stato liquido mediante somministrazione di calore. FUSIONE SOTTO SCORIA Processo per la fabbricazione di un'ampia varietà di acciai speciali e leghe sviluppato recentemente. Consiste nella rifusione di un tipo di acciaio avente la composizione chimica desiderata e la sua immersione in un bagno di scoria liquida fortemente reattiva e surriscaldata fino a 1600, 1900 gradi C. Il vantaggio di questo processo di fabbricazione è quello di migliorare sia la lavorabilità a caldo sia le caratteristiche di purezza.

G

GABBIA DEL LAMINATOIO La gabbia del laminatoio è l'insieme dei cilindri e della struttura che li sostiene. È formata da due spalle in cui sono alloggiate le guarniture dei cilindri in cui ruotano i colli degli stessi. GARANZIA DELLA QUALITÀ Sistema che ha l'obiettivo di razionalizzare tutte le attività previste dal ciclo di fabbricazione, per ottenere costantemente prodotti di qualità. La qualità dei prodotti viene così costruita, garantita e certificata da un'apposita documentazione fase per fase, durante tutto il processo produttivo. GHISA Lega ferro-carbonio ottenuta dalla riduzione dei minerali caricati nell'altoforno. GIUNTO A BICCHERE Consiste in una scampanatura eseguita alle (ClLINDRO-SFERICO) estremità dei tubi e serve per la giunzione tra tubo e tubo nella posa delle condotte.

I

INCRUDIMENTO Aumento della durezza di un metallo ottenuto mediante deformazione a freddo. La deformazione a freddo agisce attraverso l'accumulo di difetti reticolari nel grado cristallino che ostacolano l'ulteriore deformazione. Il materiale può essere riportato nelle condizioni originali con un opportuno trattamento termico (ricottura).

L

LAMINATOIO Macchina per la deformazione a caldo o a freddo di metalli o altri materiali, atta a produrre tubi, nastri, lamiere, fogli, barre o vergella. L 'insieme delle gabbie di laminazione in sequenza si definisce treno. LAMINATOIO A PASSO DI PELLEGRINO Macchina molto versatile per fabbricare tubi senza saldatura a caldo di grande diametro. LAMINATOIO CONTINUO A MANDRINO TRATTENUTO Macchina per fabbricare tubi senza saldatura a caldo di medio diametro. LAMINAZIONE Deformazione plastica, a caldo o a freddo, di un materiale realizzata dai laminatoi. LAY-OUT Termine inglese che indica lo schema di disposizione delle varie parti di un impianto. LEGA Miscela omogenea (per lo più soluzione solida contenente eventualmente particelle di composti intermetallici o carburi) nella quale figurano due o più elementi. Ad esempio il Ferro in lega con percentuali più o meno rilevanti di Carbonio ed altri elementi (Cr, Mn, Ni, Mo, W ecc.) forma gli acciai. LINGOTTIERA Recipiente di ghisa a parete molto spessa (da 60 a 120 mm). Può essere di varie sezioni. In essa viene colato l'acciaio liquido per ottenere i lingotti. LINGOTTO Prodotto finale dell'acciaieria costituito da un blocco d'acciaio, di peso e dimensioni variabili, ottenuto per colata dell'acciaio liquido nella lingottiera.

M

MAGLIO Macchina per deformazione a caldo dell'acciaio mediante l'uso di una massa battente. La sua azione può essere assimilata a quella di un grosso martello. MARTENSITE Soluzione sopra satura di Carbonio nel Ferro alfa ottenuta per raffreddamento rapido (tempra) dall'austenite. Negli acciai da costruzione si forma in generale a temperature vicine o poco superiori agli 300° Possiede durezza elevata. MESSA A MILLE Termine usato per quantificare la resa di un'operazione di trasformazione o di lavorazione dell'acciaio.

N

NORMALIZZAZIONE Trattamento termico consistente nel mantenere il prodotto per un certo tempo ad una temperatura fissata. Si esegue per migliorare l'uniformità della struttura metallica e di conseguenza le caratteristiche meccaniche dell'acciaio.

O

OSSITAGLIO Macchina di taglio delle bramme e lamiere.

P

P.M.P. Sigla di «Produzione Massima Possibile», equivalente alla capacità massima di produzione annuale degli impianti siderurgici. PANIERA Componente, rivestito in materiale refrattario, facente parte dell'impianto di colata continua. La sua funzione è quella di distribuire il flusso continuo dell'acciaio liquido nelle linee di colata. PELATO-RULLATO Prodotto di sezione retta circolare ottenuto mediante macchine pelatrici, raddrizzato e levigato. Presenta le stesse caratteristiche di forma e di precisione dimensionale del prodotto trafilato. POLVERI PER ACCIAIERIA Granuli con composizione chimica variabile, che hanno differenti funzioni: per esempio di favorire la lubrificazione in colata continua o in sorgente (polveri di risalita), o di limitare il cono di ritiro del lingotto (polveri di copertura). PRESSA Macchina di fucinatura a caldo che esercita una forte pressione sul blocco o lingotto in acciaio riducendolo alle dimensioni desiderate. PRESSA AD ESTRUDERE Macchina per fabbricare tubi a caldo di piccolo e medio diametro in acciaio alto legato per impieghi particolari (applicazioni meccaniche, alte temperature ecc.) PRESSA PROVA IDRAULICA Macchina che prova idraulicamente la pressione da dare ai tubi, a seconda delle specifiche tecniche. PRODOTTO FINITO Prodotto in acciaio la cui trasformazione è generalmente ottenuta mediante laminazione o fucinatura e che non deve subire un 'ulteriore trasformazione a caldo nello stabilimento siderurgico.

Q

QUADRO Prodotto finito laminato a caldo, fucinato o trafilato, in barre di sezione retta quadrata.

R

RESILIENZA Resistenza dell'acciaio all'urto; si determina sottoponendo un campione d'acciaio di forma unificata all'urto di un maglio particolare. RETTIFICA Operazione di lavorazione meccanica di finitura nella quale, con l'uso di una mola abrasiva, si asportano quantità minime di metallo al fine di ottenere prodotti con strette tolleranze dimensionali e buona finitura superficiale. RETTIFICATO Prodotto al quale un'operazione di rettifica, seguita o no da una levigatura, migliora lo stato superficiale e la precisione dimensionale. RICOTTURA Trattamento termico che consiste nel portare il materiale ad una temperatura vicina a quella di trasformazione austenite-ferrite per un tempo sufficiente a modificare la struttura e ridurre la durezza. Viene utilizzata in generale per migliorare la lavorazione all'utensile e la deformabilità a freddo dell'acciaio. RIDUTTORE Macchina del ciclo di fabbricazione tubi, composta da una serie di gabbie di laminazione, atta ad ottenere il diametro esterno finito, con elevata riduzione di diametro e controllo dello spessore attraverso applicazione di stiro controllato RIFILATRICE BORDI Macchina che rifila contemporaneamente i due bordi delle lamiere e dei rotoli. RIGOLE Canali posti sul piano di colata in cui scorrono la ghisa liquida e la loppa, appena uscite dallo stesso. RINVENIMENTO Operazione di trattamento termico successiva a quella di tempra, che ha lo scopo di aumentare la tenacità e di ridurre le tensioni interne dell'acciaio. RIVESTIMENTO Vedi COATING RIVESTIMENTO TUBI Operazione con cui si rivestono i tubi con particolari e differenti sostanze, a seconda dell'utilizzazione finale, per isolare la struttura metallica (tipi di rivestimento: bituminoso, polietilene, epossidico, etc.)

S

SABBIATURA Vedi DECAPAGGIO MECCANICO SALDATRICI AD ARCO SOMMERSO Macchina automatica a tre elettrodi ad arco sommerso. Servono a saldare internamente ed esternamente i tubi longitudinali. SALDATURA ERW Processo di saldatura elettrica (elettric resistance welded) usato nella fabbricazione dei tubi. Serve ad unire longitudinalmente i bordi del nastro a cui è stata fatta assumere la forma circolare. SALDATURA FRETZ-MOON Processo di saldatura usato nella fabbricazione dei tubi. Saldatura per accostamento mediante pressione sui bordi del nastro portati ad incipiente fusione. Processo usato per tubi di piccolo diametro generalmente per impieghi idrotermosanitari. Fretz e Moon sono i nomi dei due ideatori. SBAVATURA Operazione meccanica che si esegue alle estremità dei tubi o di altri manufatti per eliminare le frange di metallo prodottesi durante il taglio alla sega. SCORDONATURA Asportazione meccanica del cordone di saldatura. SECCHIA Vedi SIVIERA. SIVIERA Contenitore rivestito di materiale refrattario. In questo viene raccolto l'acciaio liquido prima che il medesimo vada colato. SMUSSATURA (BISELLATURA) Operazione meccanica con utensile atta a preparare le estremità dei manufatti (tubi, lamiere ecc.) per la successiva saldatura. SNERVAMENTO Carico sotto il quale viene superata la capacità di resistenza elastica dell'acciaio ed inizia la sua deformazione plastica. SOTTOPRODOTTI Prodotti che si ottengono come derivati di alcuni processi di fabbricazione dell'acciaio. I principali sottoprodotti dello stabilimento si ottengono dal processo di distillazione del carbon fossile in cokeria. I principali sono: gas di cokeria, catrame, benzolo, naftalina, solfato di ammonio, ammoniaca. Per quanto riguarda altri impianti siderurgici, i principali sottoprodotti sono gas e loppa d'altoforno e gas di acciaieria.

T

TEMPRA Operazione di trattamento termico che consiste nel portare l'acciaio alla temperatura di austenitizzazione e nel raffreddarlo poi con i mezzi di spegnimento più opportuni (acqua, olio, sali ecc.) in modo da provocare la formazione di martensite. TEMPRA A INDUZIONE Operazione di trattamento termico che si effettua per mezzo di riscaldo a corrente indotta e successivo rapido raffreddamento. TENACITA’ Misura dell'energia necessaria per fratturare l'acciaio ottenuta frequentemente dalla prova di resilienza. TONDO Semiprodotto e prodotto finito di sezione circolaci. TRAFILATO Prodotto avente differente forme di sezione retta, ottenuto per deformazione a freddo senza asportazione di materiale. Questa lavorazione conferisce al prodotto particolari caratteristiche di forma, precisione dimensionale e strato superficiale. Prodotto ottenuto dalla trafilatura, generalmente si tratta di barre tubi o fili tondi. TRAFILATURA Deformazione a freddo senza asportazione di materiale di barre tubi laminati a caldo o di vergella su un banco-trafila. Riduzione di sezione per mezzo di una filiera. TRANCIATURA Operazione meccanica di taglio a freddo avente la funzione di separare in più parti il materiale. TRATTAMENTI ACCIAIO Consistono nell'elaborare l'acciaio liquido, in particolari condizioni, delle ferroleghe e consentono di fabbricare prodotti ad alta tecnologia, attraverso il miglioramento della qualità. Ve ne sono di vari tipi: RH/OH e DH/OH (che trattano l'acciaio sotto vuoto, per renderlo più puro); C AH (impianti di insufflaggio polveri per la globulizzazione delle inclusioni); CAS/OH (un impianto di messa a punto dell'analisi e della temperatura dell'acciaio) TRENO DI LAMINAZIONE Vedi LAMINATOIO. TUBO Prodotto finito lungo, cavo, ad estremità aperte la cui sezione trasversale è circolare o di altra forma, ottenuto generalmente per trafilatura, laminazione estrusione o saldatura di lamiere e nastri. TUBO SALDATO Tubo ottenuto per formatura di un prodotto piatto laminato (nastro o lamiera) e successiva saldatura dei bordi adiacenti. La saldatura può essere longitudinale od elicoidale. TUBO SENZA SALDATURA A CALDO Tubo ottenuto, partendo da billetta o blumo, mediante laminazione o estrusione a caldo. TUBO SENZA SALDATURA A FREDDO Tubo ottenuto, partendo da un tubo senza saldatura a caldo e sottoposto a trafilatura o laminazione a freddo. TUNDISH Termine inglese al quale corrisponde l'italiano "paniera della colata continua".

V

VERTICALIZZAZIONE Sviluppo della produzione avente lo scopo di evitare la commercializzazione di semilavorati, in generale poco remunerativi, e di spingere la catena di produzione il più possibile vicino al prodotto idoneo all'utilizzo finale.

Fonte: www.emmeengineering.com/

LAVORAZIONE DEI METALLI

 

Fonderia :
Le operazioni di fonderia ci permettono di ottenere pezzi metallici sciogliendo le leghe in forni speciali e colando il materiale fuso nelle forme. Le leghe più usate sono : Ghisa, bronzo, ottoni, leghe leggere ed ultraleggere.
Le operazioni sono :

Costruzione del modello :
È una fedele riproduzione del pezzo. Può essere costituita in legno, metallo, gesso o resina.

 

Formatura:
E’ l’operazione con la quale si ottiene l’impronta negativa dell’oggetto. In questa impronta, fatta generalmente di terra e argilla, verrà colato il metallo liquido.

 

Fusione e colata:
Il metallo viene sciolto nel forno e il liquido versato nella forma in terra.

 

Solidificazione ed estrazione del getto:
Una volta solidificato l’oggetto vengono rotte le forme di terra ed estratti i getti che verranno posti ad operazioni di finitura. La lavorazione plastica è una proprietà dei metalli che possono deformarsi sotto l’azione di forze esterne, questa proprietà si chiama plasticità.

 

Laminazione:
Quando un pezzo di metallo passa tra due cilindri che ruotano in senso contrario tra loro e così subisce una deformazione plastica.

 

Trafilatura:
E’ un processo attraverso il quale una barra più grande passa attraverso un foro più piccolo. La barra essendo sottoposta ad uno sforzo si deforma e si allunga.

 

Estrusione:
Il materiale passa attraverso un’apertura (matrice) e assume la forma e le dimensioni della matrice.

Fucinatura, Stampaggio e Imbutitura:
Sono processi per deformare i materiali metallici  che con  urti, pressione assumono la forma dello stampo.

Saldatura:
E’ l’operazione con la quale si saldano tra loro due pezzi metallici.
Abbiamo diversi tipi di saldatura:

•  Saldatura per fusione a gas:

     viene fatta con una fiamma caldissima.
2)  Saldatura elettrica ad arco:
il calore che fonde le parti è fornito dall’energia termica      prodotta da un arco elettrico.
3) Saldatura elettrica per pressione e resistenza elettrica:
E’ un tipo di saldatura molto usata per unire per punti le lamiere, infatti,  nel punto di contatto le parti per  effetto della pressione si uniscono.

Lavorazione con macchine utensili:
Le macchine utensili trasformano un pezzo grezzo da semi lavorato, in un prodotto finito.
Ogni macchina utensile è composta da un motore elettrico, cinghie, catene e ruote dentate.
Le macchine utensili più importanti sono:

• Tornio;
• Trapano;
• Fresatrice;
• Limatrice;
• Piallatrice;
• Alesatrice;
• Rettificatrice;
• Dentatrice.
• Macchine a trasferimento.

    

www.smsalaconsilina.it/

 

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