unità A1 - Caratteristiche dei materiali e leghe del ferro

Premessa: gli argomenti di questo capitolo, salvo qualche concetto generale, sono poco pertinenti per un elettronico. La trattazione è ridotta al minimo indispensabile.

Obiettivo: conoscere le caratteristiche dei materiali per capire come utilizzarli.

Tecnologia: studia come trasformare i materiali per utilizzarli al meglio.

Esistono materiali:

• naturali (es legno, sabbia, lana)
• naturali modificati (es. tessuto, legno compensato)
• artificiali/sintetici (es. carta, plastica, nylon, leghe metalliche)

I materiali vengono classificati come:

• metalli: solidi, lucenti e opachi; deformabili e resistenti; conduttori di calore ed elettricità (es. ferro, argento, oro, rame)
• non metalli: gassosi o amorfi; poco resistenti; cattivi conduttori di calore ed elettricità (es. ossigeno, azoto, vetro)
• leghe: metalli uniti con altri elementi per avere caratteristiche migliori (es. bronzo, ottone, acciaio)
• miscugli: miscela di più elementi (es. granito, calcestruzzo)

Un materiale viene scelto in base alle sue proprietà, al costo e al tipo di trasformazioni che può subire.

Nei materiali interessano le proprietà:

• chimiche, che riguardano la composizione chimica del materiale
• fisiche, che riguardano il comportamento del materiale sottoposto ad agenti esterni (es. calore, elettricità, magnetismo)
• meccaniche, che riguardano il comportamento del materiale sottoposto a forze esterne (es. pressione, deformazione, urti)
• tecnologiche, che riguardano la capacità di trasformare il materiale mediante lavorazioni

Alcune proprietà fisiche:

• temperatura di fusione [°C] (>2000°C per i refrattari come le ceramiche, < 300°C per i basso fondenti come lo stagno)
• massa volumica (o peso specifico) [kg/m³]
• capacità termica (o calore specifico) `[J/(°C * kg)]`
• dilatazione termica [1/°C]

Per le proprietà meccaniche, a seconda del tipo di sollecitazione, si parla di:

• resistenza alla deformazione quando le sollecitazioni sono costanti (es. trazione, compressione, flessione)
• resilienza quando le sollecitazioni sono brevi (forze d'urto)
• resistenza a fatica quando le sollecitazioni si ripetono nel tempo (es. motore a scoppio)
• durezza quando le sollecitazioni sono concentrate in un punto (es. chiodo e martello)
• resistenza all'usura quando il materiale è soggetto ad attrito radente o volvente

Le proprietà tecnologiche più importanti sono:

• fusibilità: permette di colare il materiale in uno stampo
• saldabilità: permette di unire più pezzi tramite fusione
• truciolabilità: permette di dare forma al materiale con degli utensili (es. frese, tornio)
• plasticità: permette di modellare il materiale applicando delle forze esterne (es. laminazione, trafilatura)

Premessa: Nel campo dell'elettronica e dell'elettrotecnica il ferro è utilizzato principalmente nella realizzazione delle macchine elettriche (es. motori, generatori, trasformatori) e di altri dispositivi elettromagnetici (es. relè) per le sue proprietà magnetiche. In questo contesto i paragrafi del libro sulle proprietà meccaniche del ferro e le tecnologie ad esso collegate sono poco rilevanti e verranno solo accennati.

Il ferro (simbolo Fe) è un elemento metallico molto comune in natura; viene estratto da alcuni minerali (magnetite, ematite, ecc.) e trasformato, con i processi industriali della siderurgia, per poter essere utilizzato. Il prodotto finale è una lega di ferro e carbonio impiegata perlopiù come materiale di costruzione (es. lamiere, telai di automobili, scafi delle navi, elementi portanti nell'edilizia) o nella realizzazione di macchine elettriche ed elettromagneti.

Negli stabilimenti siderurgici i minerali ferrosi vengono fusi in un altoforno e lavorati per produrre le due leghe principali del ferro: la ghisa e l'acciaio. Entrambe contengono una piccola percentuale di carbonio ma hanno caratteristiche differenti.

La ghisa contiene dal 2% al 6% di carbonio e presenta queste caratteristiche:

• è grigia
• resiste alla corrosione (ruggine)
• è dura ma fragile (cioè tende a spezzarsi invece che a deformarsi)
• ha proprietà meccaniche inferiori all'acciaio
• ha scarsa plasticità (cioè è poco “lavorabile”)
• ha una buona fusibilità, quindi è adatta a produrre pezzi tramite stampi (es. monoblocchi dei motori, stufe, basamenti)

In ambito elettronico non viene utilizzata.

L'acciaio contiene meno del 2% di carbonio e presenta queste caratteristiche:

• è lucente
• si ossida facilmente producendo ruggine (tranne l'acciaio inox e l'acciaio zincato)
• ha ottime proprietà meccaniche (migliori rispetto alla ghisa e al ferro puro)
• non è adatto alla fusione ma ha una buona plasticità e viene lavorato a caldo (forgiatura o fucinatura)

In genere viene prodotto sotto forma di lamiere o profilati e successivamente lavorato per ottenere il prodotto finale. Nel campo elettrico/elettronico viene utilizzato per realizzare la struttura e i circuiti magnetici dei dispositivi elettromagnetici (es. motori elettrici, generatori, trasformatori, relé).

Con i trattamenti termici, riscaldando e raffreddando il materiale, è possibile migliorare le seguenti caratteristiche di una lega:

• durezza
• resistenza
• lavorabilità

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