Materiali metallici
I materiali metallici possono essere costituiti da un solo elemento chimico, e in tal caso si parla di metalli puri o da più elementi chimici, e allora si parlerà di metalli impuri o leghe.
Metalli puri
Un metallo può considerarsi costituito da un reticolo compatto di ioni
tenuti assieme da elettroni comuni di valenza distribuiti su un grande numero
di orbitali metallici che costituiscono i legami tra gli atomi del metallo.
I metalli puri allo stato solido si aggregano in strutture cristalline che
si sviluppano in svariate direzioni originando un reticolo policristallino.
Un metallo allo stato solido è formato dai molti cristalli disposti secondo
l'orditura di una cella elementare (che si ripete secondo le tre dimensioni
dello spazio), e dagli elettroni di valenza che si muovono liberamente entro
il reticolo ionico.
Ai vertici di ogni cella elementare si trovano gli ioni positivi del metallo,
privi degli elettroni di valenza. Le caratteristiche di ogni cella elementare
possono essere completamente definite dai tre vettori $a↖{→}$,
$b↖{→}$ e $c↖{→}$ e dagli angoli $α$, $β$
e $γ$ da essi formati .
Strutture cristalline fondamentali
Le strutture cristalline fondamentali sono qui di seguito elencate:
● Reticolo cubico a facce centrate (FCC). Ogni atomo è legato con quattro atomi adiacenti del piano cristallino su cui si trova con quattro atomi del piano cristallino sovrastante e con quattro atomi di quello sottostante; in totale ciascun atomo è legato con 12 atomi. Possiedono questa struttura il piombo, l'argento, l'oro, l'alluminio, il rame, il platino;(FCC Face Centered Cubic).
● Reticolo cubico a corpo centrato (BCC). Ogni atomo si trova al centro di un cubo con otto atomi posti ciascuno su ogni vertice. Possiedono questa struttura il litio, il potassio, il sodio, il molibdeno, il cromo, il vanadio; (BCC Body Centered Cubic).
● Reticolo esagonale compatto (HCP). Ogni atomo è legato con sei atomi adiacenti del piano cristallino su cui si trova, con tre atomi del piano sovrastante e con tre di quello sottostante; in totale ciascun atomo è legato con 12 atomi. Possiedono questa struttura il cadmio, lo zinco, il cobalto, il magnesio;(HCP Hexagonal Close Packed).
● Struttura policristallina. I metalli sono raramente costituiti da una struttura cristallina formata da una cella unitaria che si ripete molte volte in un'unica direzione; di solito sono formati da strutture cristalline (grani) di uguale cella unitaria ma orientate nello spazio in varie direzioni.
Un metallo in genere possiede una struttura policristallina nella quale i vari grani sono strettamente uniti fra loro. Il punto di unione fra i vari grani costituisce una discontinuità per la struttura (bordo del grano). In questo punto del cristallo la densità degli atomi è minore, per cui anche le forze di legame sono più deboli; gli agenti corrosivi riescono a reagire ed ad alterare le caratteristiche fisico-chimiche del metallo agendo proprio su questi punti. Le proprietà plastiche del materiale (a temperatura ambiente) sono migliori per i materiali policristallini a grani piccoli che per quelli a grani grossi.
Metalli impuri
Nei metalli impuri sono presenti, in una percentuale compresa fra lo 0,01 e l'1%, atomi differenti da quelli dell'elemento chimico del metallo. Gli atomi estranei si sostituiscono agli atomi originali nel reticolo.
Leghe metalliche
Le leghe si formano aggiungendo intenzionalmente a un metallo puro elementi chimici differenti. La lega è detta monofase se gli elementi dispersi nel reticolo cristallino dell'elemento principale generano un unico tipo di reticolo, è detta polifase se è possibile determinare fra i vari elementi superfici di separazione. Nel reticolo di un metallo puro sono presenti atomi della stessa specie, mentre nel reticolo di una lega sono presenti atomi di specie diverse; per questo motivo i reticoli delle leghe differiscono da quelli di un metallo puro. Si possono avere due tipi di leghe, e quindi di reticoli:
● Le leghe di sostituzione, caratterizzate dal fatto che alcuni nuclei del reticolo del metallo vengono sostituiti da nuclei di un altro tipo secondo un certo rapporto ; affinché si possa formare una lega di questo tipo è necessario che i raggi atomici e la struttura atomica dei due o più atomi che formano la lega siano pressoché identici. Nel disegno seguente viene schematizzata la struttura di una lega metallica ottenuta per sostituzione dove gli elementi bianchi sono associati ad un ipotetico ione A, mentre quelli neri ad un eventuale ione B.
● Le leghe di inclusione, caratterizzate dal fatto che fra i nuclei di un cristallo puro si includono i nuclei di atomi di una specie diversa; il nucleo dell'atomo da includere deve avere dimensioni ioniche molto minori rispetto a quelle dei nuclei del cristallo. In un cristallo, comunque, non si può includere un numero di nuclei superiore al 10% di quello che forma il cristallo . Nel disegno seguente è schematizzata una lega metallica ottenuta per inclusione. I cerchi bianchi sono lo ione A, quelli neri rappresentano lo ione B.
Nel legame metallico, gli elettroni di legame sono delocalizzati in tutto il volume del cristallo; non danno quindi luogo a legami direzionali, e ciò fa sì che i metalli possano subire deformazioni senza sensibili alterazioni della loro struttura cristallina.
I piani del cristallo possono scorrere uno rispetto all'altro pur restando costantemente legati dal gas di elettroni, conferendo ai metalli le loro caratteristiche di duttilità e malleabilità.
La lucentezza dei metalli è conseguenza del fatto che essi possiedono molti elettroni disposti in orbitali con livelli di energia di poco differenti, per cui sono in grado di assorbire ed emettere i fotoni corrispondenti a tutte le frequenze dello spettro visibile.
Materiali metallici ferrosi
I materiali metallici sono formati da metalli o loro leghe ricavati dalla
lavorazione di minerali ferrosi attraverso vari processi metallurgici.
Non tutti i minerali ferrosi contengono ferro in proporzioni tali da renderne
economicamente utile l'estrazione. I minerali contengono elevate percentuali
di ferro sono la magnetite, l'ematite, la limonite, la siderite.
Questi minerali si trovano in natura assieme ad altre sostanze in minore
quantità, definite impurità.
Tali sostanze, unendosi al ferro e al carbonio durante il processo di fusione,
caratterizzano la qualità del prodotto siderurgico.
La struttura chimica dei materiali metallici è isotropica e a seconda della
loro composizione possono essere ferrosi o non ferrosi.
N.B. col termine isotropia si intende la caratteristica di un materiale
per la quale le proprietà vettoriali (cioè quelle dipendenti dalla direzione)
assumono gli stessi valori qualunque sia la direzione nella quale vengono
misurate. In queste condizioni il materiale presenta le stesse proprietà
fisiche in tutte le direzioni.
I materiali metallici ferrosi sono costituiti quasi esclusivamente da ferro e da carbonio. La percentuale di quest'ultimo, pur non raggiungendo mai il 7%, è di importanza fondamentale per definire la caratteristica della lega: tanto maggiore è la percentuale (o tenore) di carbonio tanto più il materiale è duro, difficilmente saldabile, con comportamento fragile. Con tenori di carbonio oltre il 2,11% la lega si presenta sotto forma di ghisa, mentre al di sotto di tale valore si hanno gli acciai che, al decrescere del tenore di carbonio perdono progressivamente la loro durezza e la fragilità diventando sempre più duttili e malleabili .
Riportiamo nello schema seguente una classificazione di massima degli acciai in funzione del loro possibile impiego.
Ferro
Il ferro (Fe) è un elemento chimico e non un materiale. Esso non viene utilizzato in siderurgia se non sotto forma di ghise e acciai, ottenuti dalla fusione di minerali che contengono ferro. Espressioni come "tubo di ferro" e altre simili sono dunque improprie. Quello che viene chiamato ferro dolce, e che dovrebbe essere più propriamente chiamato acciaio extradolce, non è altro che una lega nella quale il carbonio, che è impossibile eliminare completamente dai processi siderurgici, vi compare in minima quantità. Gli acciai extradolci sono utilizzati soprattutto nelle lavorazioni per fucinatura.