Nella produzione e nella progettazione, scegliere il materiale giusto è essenziale — influisce direttamente sulle prestazioni e sulla durata di un prodotto. I materiali metallici, in particolare, offrono una vasta gamma di caratteristiche e sono utilizzati in ogni cosa, dai prodotti industriali e gli edifici ai componenti meccanici.

Questo articolo fornisce una panoramica chiara di cosa siano i materiali metallici, dei tipi di metalli ferrosi e non ferrosi, delle loro proprietà principali (resistenza, durezza, tenacità, peso specifico), nonché dei metodi base di lavorazione e dei punti da considerare nella scelta dei materiali. È pensato per ingegneri e progettisti che desiderano una comprensione solida e strutturata dei materiali metallici.

Cosa sono i materiali metallici?

I materiali metallici sono materiali i cui componenti principali sono elementi metallici. Sono ampiamente suddivisi in metalli ferrosi e non ferrosi e sono ampiamente utilizzati in prodotti quotidiani e attrezzature industriali. I metalli sono noti per la loro lucentezza, l'elevata conducibilità elettrica e termica e l'ottima lavorabilità, come duttilità e malleabilità. Quando vengono legati con altri elementi, le loro proprietà possono essere ulteriormente migliorate e diversificate.

Metalli Ferrosi

I metalli ferrosi sono leghe a base di ferro (Fe) con contenuto controllato di carbonio. La loro durezza e resistenza variano con il livello di carbonio. Le principali categorie includono:

• Acciai al carbonio (gradi SS, SC) utilizzati in strutture e componenti automobilistici
• Acciai inossidabili (gradi SUS) noti per l'elevata resistenza alla corrosione
• Acciai da lega (gradi SKH, SKD) utilizzati per utensili da taglio e stampi
• Ferro fondente, apprezzati per la loro eccellente colabilità

I metalli ferrosi offrono una combinazione equilibrata di resistenza e lavorabilità, rendendoli ampiamente applicabili in vari settori.

Metalli Non Ferrosi

I metalli non ferrosi sono metalli e leghe che non contengono ferro come componente principale. Sebbene generalmente più costosi, molti offrono vantaggi quali peso ridotto, eccellente conducibilità, resistenza alla corrosione e proprietà non magnetiche.
Esempi comuni includono:

• Alluminio – leggeri, utilizzati in aerei e automobili
• Rame – altamente conduttivo
• Titanio – forti e resistenti alla corrosione
• Oro e argento – ampiamente utilizzati in elettronica e oggetti decorativi
• Ottone e bronzo – materiali d'lega popolari

Questi materiali svolgono ruoli importanti in applicazioni specializzate.

Principali proprietà dei materiali metallici

Le proprietà dei materiali metallici determinano come si comportano nella progettazione meccanica e nella lavorazione, influenzando la loro idoneità per diverse applicazioni. Ogni metallo ha caratteristiche proprie, e migliorare una proprietà spesso comporta compromessi su altre. Comprendere queste relazioni è essenziale per selezionare il materiale giusto.

Le quattro principali proprietà comunemente usate per descrivere il comportamento dei metalli sono resistenza, durezza, tenacità e peso specifico.

Resistenza

La resistenza è la capacità di un materiale di sopportare forze esterne. Viene spesso descritta come “durabilità” e viene tipicamente valutata tramite resistenza alla trazione, il carico massimo che un materiale può sopportare senza rompersi.

Sebbene i materiali subiscano vari tipi di forze — compressione, taglio, flessione — queste possono essere ricondotte a forze di trazione a livello microscopico. Per questo motivo, la resistenza alla trazione è considerata un indicatore chiave della “resistenza” generale di un materiale.”

I materiali ad alta resistenza dovrebbero essere selezionati per componenti che subiscono carichi significativi.

Durezza

La durezza descrive la resistenza di un materiale a deformazioni locali o danni superficiali, come graffi o impronte. Mentre la resistenza consente al materiale di sopportare deformazioni, la durezza riflette la sua capacità di resistere completamente alle deformazioni.

La durezza è strettamente correlata a resistenza all'usura, e può essere migliorata attraverso trattamenti termici come la tempra. Tuttavia, una durezza maggiore spesso significa una lavorazione più difficile. Per parti esposte a attriti ripetuti — come ingranaggi e cuscinetti — si raccomandano materiali ad alta durezza.

Tenacità

La tenacità indica la capacità di un materiale di assorbire energia e resistere alla frattura — la sua “resilienza”. A differenza di materiali fragili come la ceramica, i metalli tenaci si deformano invece di rompersi improvvisamente quando sottoposti a forza.

La tenacità misura quanta energia un materiale può assorbire oltre il suo carico massimo prima che si verifichi una frattura completa. Materiali con alta tenacità sono ideali per ambienti che comportano urti o carichi fluttuanti.

Peso specifico

Il peso specifico è il rapporto tra la densità di un materiale e quella dell'acqua e serve come misura intuitiva del peso. I materiali con alto peso specifico sono più pesanti; quelli con basso peso specifico sono più leggeri.

Sebbene la densità sia il termine formale utilizzato in standard come JIS, nella progettazione e nell'ingegneria si preferisce spesso la gravità specifica per la sua facilità di comprensione quando si stima il peso dei materiali.

Come le proprietà dei metalli si interrelazionano tra loro

Le proprietà dei metalli mostrano diverse tendenze generali:

• Una maggiore resistenza è spesso accompagnata da un peso più elevato.
  I metalli veramente resistenti e leggeri sono relativamente rari.
• Una durezza maggiore riduce solitamente la tenacità.
  Per esempio, le ceramiche resistono all'indentazione ma si rompono facilmente sotto impatto.
• Una durezza più elevata aumenta generalmente la resistenza.
• I materiali diventano più difficili da lavorare man mano che aumentano la resistenza o la durezza.
  Proprio come la carne congelata è più difficile da tagliare rispetto a una banana, i materiali forti e duri sono più difficili da lavorare o modellare.

Poiché il miglioramento di una proprietà spesso influisce su altre, la scelta dei materiali richiede un bilanciamento di queste caratteristiche in base alle esigenze progettuali.