Caratteristiche dei materiali

1. Caratteristiche dei materiali A cura dei prof. Andrea FANELLI prof. Leone DILORENZO

2. ***: Caratteristiche dei materiali • Definizioni • Esercizi risolti • Esercizi da risolvere uscita

3. ***: Notevole importanza assume la conoscenza delle caratteristiche ( meccaniche, elettriche, termiche, durata nel tempo, ecc.) dei vari materiali in qualsiasi campo della tecnica e quindi anche delle Tecnologie Chimiche. Individuato il materiale o i materiali, si dovrà scegliere la soluzione ottimale tra caratteristiche e costo del materiale. La ricerca scientifico-tecnologica continuamente introduce nel mercato nuovi materiali che presentano prestazioni migliori rispetto a quelli già presenti ad esempio: - materiali più leggeri - materiali che offrono maggiore sicurezze ed economicità - materiali riciclabili o riutilizzabili o biodegradabili - materiali che resistono più a lungo nel tempo uscita

4. ? ***: Oggi sono quindi disponibili moltissimi materiali per i più svariati usi, alcuni visto il loro costo utilizzati solo in campi specialistici (es. materiali usati nei viaggi aerospaziali) o altri come acciai, materie plastiche, carta e derivati, vetri, ecc. di uso molto comune. Un perito chimico capotecnico, anche se non è pensabile che conosca le proprietà delle migliaia di tipi di materiali, deve però conoscere le principali proprietà dei materiali comunemente utilizzati nell’industria chimica. uscita

5. ***: Ricordiamo alcune delle caratteristiche principali dei materiali: la resistenza meccanica: essa indica la capacità di un materiale a resistere alle sollecitazioni, trazione o compressione, di un materiale. Queste possono essere elastiche, se terminata la sollecitazione la deformazione regredisce, anelastica o plastica, se la deformazione è permanente la durezza: essa indica la resistenza opposta dal materiale alla deformazione permanente della sua superficie provocata da un altro corpo la resilienza o tenacità: essa rappresenta la capacità di un corpo a resistere agli urti uscita

6. ***: • Diversi sono i materiali utilizzati nell’industria chimica, e possono essere classificati in: • materiali metallici: • ferrosi(acciai, ghise) • non ferrosi (rame, nichel, alluminio, …) • materie plastiche • materiali ceramici • altri materiali uscita

7. ***: Un fenomeno a tutti noto che cambia la natura chimico-fisica dei materiali, specialmente quelli metallici, è la corrosione (negli USA nel 1950 il costo dovuto alla corrosione era di 1.500.000.000 $). Essa avviene con vari meccanismi ad opera di agenti chimici e/o fisici, provocando un peggioramento delle caratteristiche dei materiali e quindi rendendoli non più idonei all’uso per il quale erano stati costruiti. In genere la corrosione riporta il metallo dal n.o. 0 (stato elementare), ottenuti con processi metallurgici, a stati ossidati più stabili (così come lo si trova in natura). Diverse sono le tecniche per prevenire e/o limitare opportunamente, anche se non può essere eliminato, il fenomeno della corrosione. uscita

8. ***: Esercizi svolti 1. Calcolare di quanti mm si allunga, se sottoposto ad una trazione di 2000 kgf , un provino di acciaio di diametro 12 mm e lunghezza 10 cm, sapendo che k è pari a 2.05 ·1011 Pa. Ricordando che s = k ·e posso ricavare e se calcolo prima s Quindi dalla definizione e = Dl /l0 posso ricavare Dl uscita

9. ***: Esercizi svolti 2. Calcolare il diametro in mm e la lunghezza finale i m di un filo di rame lungo 5.750 m, sapendo che presenta una deformazione elastica fino un carico s di 1.0 ·108 Pa e che k è pari a 1.10 ·1011 Pa, nell’ipotesi che deve sopportare una trazione max di 1500 kgf. Dalla relazione s = F / S posso ricavare la sezione e quindi il diametro Dalla relazione s = k ·e ricavo e Dalla definizione e = Dl /l0 posso ricavare l’allungamento e la lunghezza finale uscita

10. ***: Esercizi svolti 3. Calcolare la perdita di peso mensile di un anodo sacrificale in Mg (24 uma) sapendo che viene attraversato da una corrente di 5 A (1eq di e- o F è pari a 96500 C). La reazione di ossidazione del Mg è Mg ® Mg++ + 2e- Gli equivalenti di elettroni che sono stati scambiati dal Mg mensilmente sono Che sono pari agli equivalenti di Mg ossidati, per cui la perdita di peso è uscita

11. ***: Esercizi svolti 4. Indica quali sono le leghe formate da Fe e C a) Ottone b) PTFE c) Acciaio d) Anticorodal e) Ghisa f) Bronzo ü ü 5. Indica quale di questi meccanismi corrosivi avvengono a causa della diversa concentrazione di ossigeno presente nel fluido a)elettrochimica b) per correnti vaganti c) ambientale d) tensiocorrosione e) per aerazione differenziale f) biochimica ü 6. Indica quale di queste tecniche per prevenire e/o limitare la corrosione vede la formazione di uno strato di ossido compatto che protegge la struttura sottostante a) corretto accoppiamento fra metalli b) bonifica degli ambienti corrosivi c) formazione di strati superficiali protettivi d) uso di rivestimenti protettivi ü uscita

12. ***: Esercizi da svolgere 1. Un cavo di un certo metallo del diametro di 1.00 mm può sopportare una trazione massima di 18 kgf , un cavo di un altro metallo di diametro 0.69 mm sopporta una trazione massima di 14 kgf . Calcola il carico massimo e indica quale metallo sopporta il carico maggiore. [22.9 - 37.5 kgf / mm2] 2. Calcolare il carico specifico di un filo, lungo 3.05 m e di diametro 1.3 mm, sottoposto a una trazione di 135 N. Indica di quanti mm si allungherà nel caso fosse in rame (k=1.1 ·1011 Pa) o in acciaio (k=2.1 ·1011 Pa) [10.4 kgf / mm2, 2.8 - 1.5 mm] uscita

13. ***: Esercizi da svolgere 3. Calcolare la perdita di peso annuale di un anodo sacrificale in Zn (37 uma) sapendo che viene attraversato da una corrente di 1.0 A (1eq di e- o F è pari a 96500 C). [6.045kg] 4. Indica come si può formare la ruggine in un pezzo di acciaio nei seguenti casi: a) esposto all’aria b) interrato c) in parte esposto all’aria e in parte no d) a contatto con parti di rame e) sottoposto a un carico continuo f) immerso in mare uscita

14. ***: Esercizi da svolgere 5. Indica alcuni oggetti costruiti con: PVC, PE, PET, PTFE, ABS, PC 6. Indica come prevenire la corrosione di un’apparecchiatura in acciaio 7. Sapresti spiegare perché le finestre di lega in alluminio non si corrodono 8. Indica se è preferibile accoppiare l’acciaio con il rame o con l’alluminio e perché 9. Indica perché l'inquinamento (SOx e NOx) favorisce la corrosione di manufatti in acciaio uscita

15. Caratteristiche dei materiali indice A cura dei prof. Andrea FANELLI e- prof. Leone DILORENZO e- esci

16. Esempi di caratteristiche che i materiali devono possedere in funzione del loro uso: ØI pistoni di un compressore devono lavorare a temperature elevate e a determinati sforzi ØLa tubazione che dovrà trasportare un gas corrosivo e ad alte pressioni dovrà resistere a queste condizioni ØUn reattore chimico dovrà resistere all’attacco di acidi e/o di basi ad alte temperature ØI materiali che rivestono apparecchiature che lavorano ad alte temperature devono essere isolanti termici e anche leggeri per non appesantirle ….

17. Per misurare la resistenza meccanica si può ad esempio sottoporlo ad allungamento costruendo così la curva sforzo vs allungamento specifico. Lo sforzo o carico unitario s rappresenta la forza applicata per unità di superficie unità di misura: o L’allungamento specifico unitario e rappresenta il rapporto fra l’allungamento e la lunghezza iniziale adimensionale

18. la durezza indica la resistenza opposta dal materiale alla deformazione permanente della sua superficie provocata da un altro corpo di forma differente es. metodo Brinell (UNI 560) con penetratore sferico e indica il rapporto tra la forza applicata e la superficie dell’impronta ( kgf / mm2 ) metodo Viskers (UNI 1955) con penetratore piramidale a base quadrata di diamante e indica il rapporto tra la forza applicata e la superficie dell’impronta ( N / mm2 ) metodo Rockwell (UNI 562) con penetratore conico o sferico e indica la differenza di profondità della impronta ( mm )

19. la resilienza o tenacità rappresenta la capacità di un corpo a resistere agli urti, generalmente materiali molto duri (es. vetri, ghisa, …) presentano bassa resilienza, cioè sono molto fragili. La misura si effettua sottoponendo un provino, un prisma a base quadrata con un intaglio al centro, a un urto causato da una mazza a caduta pendolare, l’energia necessaria alla rottura è data dalla differenza fra quella potenziale della mazza alla quota iniziale e quella misurata alla quota di rimbalzo. La misura della resilienza è data dal rapporto fra l’energia necessaria alla rottura e la superficie del provino ( kgf ·m / cm2 )

20. Sulla curva sforzo-allungamento sono riconoscibili alcuni tratti caratteristici: OA deformazioni elastiche proporzionali che seguono la legge di Hooke ( s = k ·e ) fino al carico sp AA’ deformazioni elastiche non proporzionali fino al carico se A’B deformazioni permanenti (snervamento) fino al carico ss BC allungamento del provino fino al carico massimo smax CD ulteriore allungamento del provino fino al carico di rottura sr O nessun carico A limite di proporzionalità A’ limite di elasticità B snervamento C carico massimo D rottura

21. I materiali metallici, insieme a quelle plastiche, sono tra i materiali più usati sia nell’industria che in altri usi. Una teoria vede la struttura dei metalli formata da un reticolo ai cui vertici vi sono i cationi del metallo immersi in un “mare” di elettroni, liberi di muoversi, che stabilizzano la struttura. Ciò spiega molte delle caratteristiche dei metalli (conduzione elettrica, conduzione termica, malleabilità, duttilità). Inoltre i metalli si presentano solidi a temperatura ambiente (tranne il mercurio), lucenti, e formano leghe (miscele fra metalli o fra metalli e alcuni non metalli) che hanno generalmente caratteristiche diverse dai metalli di cui sono composti.

22. Gli acciai sono leghe Fe C con una quantità massima di C dell’1.78%, ma in genere non supera lo 0.9%. Una delle caratteristiche che li rende versatili è quella di cambiare le proprietà meccaniche tramite opportuni trattamenti termici (tempra, rinvenimento, bonifica, ricottura) o trattamenti superficiali come la nitrurazione. Oltre ai due elementi citati possono essere aggiunti altri leganti come Cr, Ni, Mo, Mn, V, W, Si, che impartiscono caratteristiche speciali (es. acciai inox). La scelta nelle applicazioni industriali cade spesso, ove possibile, sugli acciai comuni in quanto più economici di quelli legati (es. gli impianti spesso dopo alcuni decenni sono tecnologicamente obsoleti per cui devono essere sostituiti da uno più moderno ed efficiente).

23. Le ghise sono leghe Fe C con una quantità C che può andare dall’1.78% al 4.5%, in genere intorno al 3%. Possono essere prodotte per un uso diretto o, dopo riduzione del tenore di C mediante aggiunta di Fe o combustione con aria o ossigeno, per produrre acciaio. Una delle caratteristiche è la maggiore resistenza alla compressione rispetto agli acciai. Inoltre presentano elevata durezza e facilità di foggiatura in stampi, per cui sono molto usate per costruire monoblocchi per motori di auto, corpi per compressori, pompe, valvole, ecc..

24. Il rame ha come principale caratteristica l’elevata conducibilità sia termica che elettrica, e perciò è utilizzato nelle apparecchiature di scambio termico e nei fili conduttori di elettricità al posto del più performante argento che però ha un costo notevolmente maggiore. Inoltre resiste bene alla corrosione. Le principali leghe del rame sono: l’ottone costituito da Cu e Zn, dove lo zinco può raggiungere il 40%, ha rispetto al Cu migliori proprietà meccaniche (valvole, fasci tubieri di scambiatori di calore, …); il bronzo costituito da Cu e Sn, ha proprietà meccaniche simile all’ottone ma resistenza alla corrosione inferiore (valvole, agitatori, ingranaggi, …); il cupronichel costituito da Cu e Ni, contenete Ni tra il 10% e il 30%, presenta una notevole resistenza alla corrosione (tubi per scambiatori di calore in particolare in caso di uso di acque marine, …).

25. Il nichel e le sue leghe hanno come principali caratteristiche, la duttilità, la saldabilità, la lavorabilità alle macchine e la buona resistenza agli ambienti aggressivi da soluzioni alcaline. Il principale svantaggio è il suo costo elevato, per cui è utilizzato in lega con altri metalli.

26. L’alluminio ha come principali caratteristiche, oltre alla buona conducibilità termica ed elettrica, la “leggerezza” (basso peso specifico rispetto agli altri metalli), la buona resistenza alla corrosione (si passiva formando superficialmente uno strato compatto di ossido) ma non agli acidi e alle basi. Vista la sua leggerezza e la capacità di riflettere le radiazioni elettromagnetiche è utilizzato per contenere gli strati coibentanti delle apparecchiature che operano a temperature alte.

27. Le materie plastiche sono macromolecole ad alta massa molecolare ottenute attraverso particolari reazioni chimiche dette di polimerizzazione a partire da piccole molecole, dette monomeri. Queste hanno proprietà e campi di applicazione diverse oltre che a seconda della loro natura chimica, anche in funzione degli additivi aggiunti o delle tecnologie di produzione. Sul mercato sono disponibili più di 5.000 diversi tipi di plastica per gli usi più diversi (es. PVC, PE, PP, PS, ABS, PET, PC, PTFE, …)

28. Possono essere divise in termoindurenti, che si presentano molto rigidi e non rammolliscono al calore, e termoplastiche, che se riscaldati rammolliscono tornando rigidi per raffreddamento (quindi riciclabili). Alcune possono essere prodotte in forma espansa, con bollicine di gas all’interno, che attribuisce caratteristiche di leggerezza, isolamento termico e acustico (es. polistirolo espanso).

29. Altri materiali molto impiegati nell’industria chimica sono i cosiddetti materiali ceramici come ad esempio: laterizi, terrecotte, mattoni refrattari all’ossido di magnesio, maioliche, grès, porcellane, … I materiali refrattari, costituiti da silice o silico-alluminati, sono utilizzati come rivestimenti interni per ambienti ad alta temperatura e fra le principali caratteristiche abbiamo la resistenza alla termofrattura, all’attacco chimico, al trasferimento del calore, alla compressione e il basso peso specifico. Le porcellane, grazie alla loro resistenza a tutti gli ambienti corrosivi, alla elevata durezza e alla superficie liscia, sono utilizzati per produrre parti di pompe o intere apparecchiature (es. colonne di distillazione), rivestire ambienti di lavoro, soprattutto nell’industria agro-alimentare.

30. Fra gli altri materiali molto impiegati nell’industria chimica occorre ricordare i vetri. Questi presentano elevata durezza, ottima resistenza nei confronti di soluzioni saline, soluzioni non fortemente alcaline, soluzioni acide (eccetto l'acido fluoridrico e fosforico), trasparenza alle radiazioni del visibile, …

31. La polimerizzazione è una reazione che vede “l’unione” di una grande quantità (anche migliaia) di piccole molecole (monomeri) che possono essere tutte uguali, come un treno formato da tanti vagoni tutti uguali, o da diverse molecole, come un treno formato da più vagoni che si alternano in modo più o meno ordinato. Le ramificazioni possono estendersi solo linearmente, in modo planare e anche tridimensionalmente.

32. Gli usi delle materie plastiche sono diversi, alcuni esempi: il PVC (polivinilcloruro) usato per realizzare tubazioni, ventole, giranti di pompe, valvole, contenitori, … il PE (polietilene) e il PET (polietilentereftalato) usati per realizzare tubi e serbatoi per acqua e alimenti, raccordi, valvole, rivestimenti protettivi, cappe di aspirazione per fumi corrosivi, ventilatori, nastri trasportatori, … il PTFE (politetrafluoroetilene) o teflon è utilizzato per realizzare e rivestire apparecchiature a contatto con agenti corrosivi sia acidi che basici (vista la sua inerzia chimica), anelli premistoppa, membrane per valvole e pompe, giunti a dilatazione (visto il suo basso coefficiente d’attrito), parti che resistono alle alte temperature (visto che è autoestinguente), ... il PP (polipropilene) di cui quello con caratteristiche migliori è stato realizzato dalla ricerca italiana (il premio Nobel Giulio Natta) può essere reso antiurto, incombustibile e flessibile, è usato per contenitori resistenti agli acidi, …

33. I principali meccanismi con cui avviene la corrosione sono: la corrosione elettrochimica la corrosione per correnti vaganti la corrosione per aerazione differenziale la tensiocorrosione la corrosione biochimica la corrosione ambientale

34. La corrosione elettrochimicaè quella più diffusa ed è dovuta al fatto che il materiale, spesso a contatto con soluzioni acquose e quindi con la possibilità di avere due coppie redox diverse. Si creano così le condizioni per il passaggio, in corto circuito, di una corrente elettrica da una zona detta anodo (-) dove si ha l’ossidazione del metallo (corrosione), e una detta catodo (+) dove si ha la riduzione, in genere dell’ossigeno disciolto.

35. La corrosione per correnti vagantisi ha nei casi di materiali metallici in parte o totalmente interrati, ed è dovuta alle correnti vaganti presenti nel terreno a causa della messa a terra elettrica. Essendo la struttura metallica interrata un buon conduttore, la corrente entrerà formando una zona catodica (-) dove si ha la riduzione in genere dell’ossigeno disciolto nell’umidità del terreno, ed uscirà formando una zona anodica (+), dove si ha l’ossidazione del metallo (corrosione).

36. La corrosione per aerazione differenzialesi verifica quando il materiale è ricoperto da liquido (soluzioni, acqua, vapore condensato, ...) nel quale la concentrazione di ossigeno disciolto è diversa nei diversi punti. Si creano così zone a potenziali diverso in corto circuito, con una zona catodica a potenziale maggiore (+) dove la concentrazione dell’ossigeno è maggiore che vede la sua riduzione, e una zona anodica a potenziale minore (-) dove la concentrazione dell’ossigeno è minore che vede l’ossidazione (la corrosione) del metallo. Si ha così che la zona meno ricca di ossigeno è quella soggetta a corrosione, ecco perché le viti si arrugginiscono nella parte meno esposta all’aria.

37. La tensiocorrosionesi verifica per azione congiunta tra sforzo e corrosione, si creano delle “cricche” in direzione ortogonale allo sforzo che provocano rotture improvvise e quindi estremamente pericolose. La tensiocorrosione avviene in tre fasi successive: l’innesco (che crea le cricche dovute a rotture locali), la propagazione (dovuta all’azione corrosiva e agli sforzi applicati), rottura meccanica di schianto (a causa della diminuzione del carico che il materiale può sopportare). Un esempio è la fragilità caustica (che si verifica ad alte temperature in ambienti alcalini) 2 Fe + 2 OH- + 2 H2O ® 2 FeO2- + 3 H2 FeO2- + 2 H2O ® Fe(OH)3 + OH- C + 2 H2® CH4 Il ferro in ambiente alcalino è trasformato in ione ferrito e quindi in idrossido ferrico, l’idrogeno prodotto trasforma il carbonio dell’acciaio in metano, si ha cosi un peggioramento delle caratteristiche meccaniche del materiale e bolle di gas.

38. La corrosione biochimicaè quella dovuta all’azione diretta o indiretta dei microrganismi. • La corrosione biochimica può essere dovuta a diversi fattori: • formazione di depositi aderenti al metallo (alghe, muffe, batteri) al di sotto dei quali mancando ossigeno si instaurano meccanismi di corrosione per areazione differenziale; • liberazione di diverse sostanze chimiche aggressive che corrodono il metallo (acidi organici come acido citrico, acido lattico, …); • attivazione anodica dovuta alla presenza di microrganismi in grado di attivare l’ossidazione del ferro a ioni Fe2+ • e successivamente a Fe3+.

39. La corrosione ambientaleè quella dovuta alle condizioni in cui il materiale si trova ad esempio: • l’atmosfera a causa della presenza dell’acqua e dell’ossigeno, a cui spesso si sommano le sostanze acide inquinanti nei centri urbani e industriali (SO2, SO3, NOx, …) Formazione della ruggine SO2 + H2O ® H2SO3 SO3 + H2O ® H2SO4 2 NO2 + H2O ® HNO2 + HNO3 ……… • l’acqua marina a causa dell’elevato tenore di sali disciolti e dei microrganismi in essa presenti

40. Le principali tecniche con cui si previene e/o limitare la corrosione sono: il corretto accoppiamento fra metalli la bonifica degli ambienti corrosivi l’uso di rivestimenti protettivi la formazione di strati superficiali protettivi la protezione elettrochimica

41. Il corretto accoppiamento fra metalli si deve considerare quando si pongono a contatto materiali diversi, che hanno quindi potenziali diversi di riduzione e possono così formare coppie galvaniche che danno luogo alla ossidazione (corrosione) del metallo con potenziale inferiore. Ciò avviene anche nelle operazioni di saldatura.

42. Con la bonifica degli ambienti corrosivi si intende la riduzione degli agenti aggressivi presenti nei fluidi (liquidi o gas) con cui il materiale viene in contatto. Ad esempio l’aggiunta all’acqua di additivi che proteggono dalla corrosione, l’eliminazione di gas e/o di ioni in essa presenti, l’eliminazione di acidi o gas acidi presenti negli aeriformi, ...

43. L’uso di rivestimenti protettivi preserva il manufatto dalla corrosione in quanto impedisce al metallo di entrare in contatto con gli agenti aggressivi. I rivestimenti possono essere di diversa natura, ad esempio un altro metallo che non si corrode (zincatura),un materiale plastico (rivestimento in PVC), vernici antiruggine (al minio), che possono essere applicati con varie tecniche come la placcatura, la galvanostegia, la verniciatura.

44. La formazione di strati superficiali protettivi può essere fatta mediante: • fosfatazione, che consiste nella formazione, sulla superficie del metallo (es. zinco, alluminio, acciaio), di uno strato di fosfati, mediante acido fosforico (es. i convertitori di ruggine); • passivazione anodica, che consiste nel creare uno strato di ossido del metallo compatto, ad esempio all’anodo di una celle elettrolitica, che impedisce agli agenti aggressivi di raggiungere gli strati inferiori e corrodere la struttura (molto usata per l’alluminio, si parla perciò di alluminio anodizzato).

45. La protezione elettrochimica o protezione catodica può essere attuata in due diversi modi: • con l’anodo sacrificale, cioè collegando elettricamente alla struttura con un blocco di un metallo “meno nobile” (es. magnesio, zinco, alluminio) che si ossiderà rispetto al metallo che costituisce la struttura; • con la corrente impressa, cioè collegando la struttura ad un generatore di corrente continua in modo che funzioni da catodo e quindi non possa ossidarsi.