Comprendere la materia scomponendola in unità elementari, scoprire i legami e i fenomeni alla base della metallurgia fisica per l’impiego industriale.

Questo articolo introduce la metallurgia fisica, come risultato del mio studio su questa materia ampia e complessa, lasciando spazio e tempo per ulteriori e successivi approfondimenti.

Inserito dai docenti all’inizio del corso IFTS, questo argomento mi sembrava distante dalle funzioni di un disegnatore, ma presto ho capito che le conoscenze di un tecnico devono spaziare in diversi ambiti.

L’interesse è rivolto allo studio e alla comprensione dei meccanismi fondamentali che sono alla base dei fenomeni metallurgici. La loro conoscenza è estremamente importante per la valutazione della interazione dei parametri che controllano la qualità dei metalli e le loro caratteristiche di impiego.
 

Tipi di materiali da costruzione

I materiali da costruzione vengono classificati in quattro gruppi:

Ceramici (ossidi e silicati): hanno una struttura cristallina, sono duri e fragili e cattivi conduttori di calore e di elettricità.

Polimerici: sono composti organici macromolecolari, sintetici o naturali, hanno scarsa stabilità dimensionale e densità; amorfi e facilmente modellabili, si deformano o bruciano con l’aumentare della temperatura.

Compositi: materiali composti dalla combinazione di almeno due materiali tra loro chimicamente differenti: rinforzo e matrice.

Metalli: hanno una struttura cristallina, buona resistenza meccanica, elevata densità e buona elasticità; sono deformabili, buoni conduttori di calore e di elettricità, sono opachi (non trasparenti).

Legame metallico

Il reticolo cristallino è una struttura molto regolare formata da una massa di ioni metallici positivi, equidistanti e immersi in una nube di elettroni negativi che hanno lasciato gli atomi trasformandoli appunto in ioni positivi. Tale teoria è chiamata Modello di Drude.

Questa struttura rende molto forte il legame di attrazione elettrostatico fra le cariche positive e quelle negative. Ciò spiega le caratteristiche proprie dei metalli quali l’alta densità, la non solubilità e i punti di ebollizione e fusione molto alti. La presenza di tale legame di natura elettrostatica non impedisce comunque lo scorrimento degli atomi esistenti in seguito a forti sollecitazioni meccaniche, la malleabilità e la duttilità dipendono proprio da questo scorrimento.

Reticolo cristallino, struttura cristallina e celle unitarie

Da un esame ai raggi X, risulta che gli atomi dei metalli sono allineati ed equidistanti, assumendo una struttura regolare.

Se proviamo ad unire tramite segmenti i vari atomi si ottiene una struttura reticolare, detta reticolo cristallino, il quale si può considerare essere generato da una struttura semplice più volte ripetuta, chiamata cella elementare o unitaria. Nella cella elementare si possono trovare:

• atomi (sito dell’atomo)
• spazi interstiziali

Esistono 14 strutture cristalline definite da Auguste Bravais nel 1848, nei metalli le strutture più diffuse sono:

Cella Cubica a Corpo Centrato – CCC

Ci sono 2 atomi per cella, il 68% di spazio è occupato da atomi, lo spazio libero (tetraedrici e ottaedrici) rimanente è disposto in modo da lasciare spazi vuoti piccoli.

Cella Cubica a Facce Centrate – CFC

Ci sono 4 atomi per cella, il 74% di spazio è occupato da atomi, lo spazio libero (tetraedrici e ottaedrici) rimanente è disposto in modo da lasciare spazi vuoti più ampi rispetto alla cella CCC.

Cella Esagonale Compatta – EC

Ci sono 6 atomi per cella, il 74% di spazio è occupato da atomi, anche in questo caso, lo spazio libero (tetraedrici e ottaedrici) rimanente è disposto in modo da lasciare spazi vuoti più ampi rispetto alla cella CCC.

Metalli e strutture cristalline, il ferro (Fe)

Nella tabella seguente è possibile conoscere le strutture cristalline dei metalli, in particolare del ferro puro in fusione che assume strutture diverse:

Nome	Sigla	Struttura
Bario	Ba	CCC
Cromo	Cr	CCC
Ferro Alfa ( raffreddamento 911 °C)	Fe-α	CCC
Ferro Delta (punto di fusione 1536 °C)	Fe-δ	CCC
Litio	Li	CCC
Molibdeno	Mo	CCC
Niobio	Nb	CCC
Potassio	K	CCC
Sodio	Na	CCC
Tantalio	Ta	CCC
Tungsteno	W	CCC
Vanadio	V	CCC
Alluminio	Al	CFC
Argento	Ag	CFC
Calcio	Ca	CFC
Ferro Gamma (raffreddamento 1392 °C)	Fe-γ	CFC
Nichel	Ni	CFC
Oro	Au	CFC
Palladio	Pd	CFC
Piombo	Pb	CFC
Rame	Cu	CFC
Berillio	Be	EC
Cadmio	Cd	EC
Cobalto	Co	EC
Magnesio	Mg	EC
Titanio	Ti	EC
Zinco	Zn	EC

Il ferro puro in fusione è allotropico (assume forme diverse) durante il raffreddamento:

Ferro Delta Fe-δ: a 1536°C (punto di fusione del ferro) verso il basso, la struttura cristallina è di tipo cubico a corpo centrato CCC  e rimane stabile fino a 1392°C

Ferro Gamma Fe-γ: a 1392°C la struttura cristallina cambia in cubico a facce centrate CFC  e rimane stabile fino a 911°C

Ferro Alfa Fe-α: a 911°C la struttura cristallina cambia nuovamente in cubico a corpo centrato CCC e rimane stabile (ferromagnetico fino alla temperatura di 769°C)

Fusione e solidificazione dei metalli

Un metallo fuso inizia a solidificarsi formando i seguenti elementi:

• Embrioni (primo avvicinamento di atomi)
• Nuclei (nucleazione, cominciano a formarsi le prime strutture cristalline stabili)
• Accrescimento (i nuclei si aggregano alle strutture più grandi seguendo le strutture cristalline)
• Grani

I nuclei solidificati attraggono gli atomi di liquido circostanti accrescendo il proprio volume; in tal modo a solidificazione avvenuta si genera il grano cristallino.

Il metallo solidificato è un aggregato di grani avente forma irregolare e bordi frastagliati. Le impurità del materiale di fusione si raccolgono lungo i bordi dei grani sotto forma di materia amorfa, la cui resistenza meccanica a bassa temperatura è considerevole.

La crescita dei grani dei metalli è di tipo dendritico (dal greco dendrite, arboreo, a forma arborescente) come quella del ghiaccio, sono visibili i bordi dei grani che durante la crescita entrano in contatto tra di loro.

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Difetti cristallini

Difetti di punto (puntuali)

• Vacanza: mancanza di un atomo proprio del materiale in un sito del reticolo
• Autointerstiziale: atomo proprio che occupa uno spazio interstiziale
• Sostituzionale: atomo estraneo che occupa un sito di atomo proprio
• Interstiziale: atomo estraneo che occupa uno spazio interstiziale

Difetti di linea (dislocazioni)

• Dislocazione a spigolo: una porzione del reticolo, delimitata da un piano detto fronte di separazione o piano di scorrimento, scorre sulla porzione sottostante secondo una direzione parallela al piano. Si ha quindi una configurazione deformata, caratterizzata dal fatto che si ha un intero piano di atomi della porzione dislocata che non ha corrispondenza nella zona non dislocata e quindi, a causa del disordine locale che si verifica tra gli atomi disposti da una parte e dall’altra del piano si verifica uno stato di tensione.
• Dislocazione a vite: lo scorrimento interessa solo una parte del cristallo.
• Dislocazione mista: a spigolo + a vite

Difetti di superficie

• Processo di solidificazione: i grani, di forma poligonale irregolare, hanno un orientamento nello spazio differente rispetto a quella dei grani che lo circondano. Si forma quindi una zona di confine, di transizione, un difetto visibile detto bordo grano. Ricordiamo che le zone di confine tra i grani hanno una resistenza alla deformazione plastica maggiore rispetto all’interno dei grani stessi.

Incrudimento a freddo

L’aumento delle dislocazioni può essere provocato con deformazioni meccaniche a freddo, le deformazioni plastiche facilitano lo scorrimento dei piani cristallini che si spostano attraverso il materiale.

A bassa temperatura questi difetti tendono a moltiplicarsi e ad accumularsi quando il materiale viene lavorato (ad esempio a causa del meccanismo di Frank-Read), finendo per interferire tra loro, bloccandosi a vicenda, incrementando i difetti puntiformi ed aumentando quindi la resistenza meccanica.

Le dislocazioni in movimento si accumulano contro i bordi di grano (che sono barriere al moto delle dislocazioni), provocandone la rottura. Il risultato di tale sconvolgimento è la deformazione dei grani cristallini e il loro allungamento nella direzione dello sforzo.

L’effetto è sfruttato per migliorare le proprietà meccaniche dei prodotti in campo elastico, come le corde da chitarra e le molle.

Nei prossimi articoli dedicati alla metallurgia fisica, si parlerà delle leghe di ferro (ghise e acciai) con diagramma ferro-carbonio (Fe-C) e dei trattamenti termici.

Entrare nel mercato del lavoro puntando sulla formazione professionale. Descrizione del corso IFTS da disegnatore meccanico.

A 50 anni suonati lavoro nel settore che mi ha sempre affascinato, ma prima di ripropormi come dipendente sentivo il bisogno di qualificarmi attraverso una formazione specifica, il corso IFTS.

Tra i molti significati attribuibili al termine formazione, è la connotazione tecnicista a prevalere, cioè la parola si colloca sul piano della formazione professionale o aziendale, per indicare quel complesso di pratiche volte alla trasmissione-acquisizione di competenze tecniche relative a obiettivi strategici.

La meccanica in campagna

Come figlio di agricoltori, ho vissuto parte della mia esistenza in campagna, dove la meccanica si esprime in modo semplice e pratico nel lavoro quotidiano. Prima del corso ritenevo di aver raggiunto un ottimo livello di conoscenza tecnica, ma mi sbagliavo.

C’è un episodio emblematico nella mia esperienza, una pratica in agricoltura che in alcuni periodi dell’anno prevede la sostituzione delle ruote originali in gomma dei trattori con ruote in acciaio, ruote ferrate o volgarmente chiamate “gabbie” in ferro. Questo sistema permetteva una migliore distribuzione della massa del mezzo agricolo sulla superficie del terreno, per non “pestare” troppo la terra.

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Nell’azienda agricola di famiglia, sul mozzo delle ruote posteriori del Landini R 4000 erano inseriti due perni cilindrici, due riferimenti che in meccanica si definiscono “spine”. Questi elementi cilindrici permettono un avvicinamento agevolato, un accoppiamento preciso tra il semiasse del trattore e la flangia con i fori per le viti nella gabbia da montare.

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Si trattava di un lavoro faticoso, perché la gabbia doveva essere ruotata sul terreno e sollevata manualmente in modo impreciso, fino ad ottenere un primo accoppiamento con le spine del semiasse, poi con le viti prigioniere e infine il semiasse col foro ruota.

Analogia progettuale inaspettata

Per me questa era la meccanica, faticosa, ma era la meccanica, come era stata progettata per le attrezzature che si utilizzavano in azienda. Quando suggerivo a mio padre delle modifiche per risparmiare le nostre fatiche venivo rimproverato, perché la meccanica era così, punto e basta. Questo è l’errore fatale che compiono spesso i padri con i figli, allontanandoli da sé.

Durante lo stage collegato al corso, ho lavorato per un progetto che prevedeva un accoppiamento foro-albero concettualmente simile a quello delle gabbie del nostro trattore. La soluzione rivelatami dal tutor era diversa e meno faticosa di quella che in azienda utilizzavamo da anni.

Nell’istante in cui ho realizzato l’errore progettuale, frutto dell’esperienza pregressa, il mio pensiero è stato di nostalgia e tenerezza per mio padre, per la nostra genuina e buona ignoranza contadina.

Questa esperienza mi ha insegnato un principio che ritengo importante:

Ogni dispositivo, ogni progetto meccanico può essere migliorato o perfezionato rispetto alle condizioni originali e alle nostre personali convinzioni, fino a raggiungere un giusto equilibrio tra costi di produzione e benefici per l’utilizzatore.

Il corso IFTS Tecnico Disegnatore

Nel percorso scolastico, la scelta di un istituto tecnico industriale mi ha permesso di conoscere, oltre agli aspetti tecnici e pratici della meccanica, anche quelli scientifici come le caratteristiche dei metalli, gli strumenti di misura e il disegno tecnico.

Grazie al corso IFTS ho avuto la possibilità di aumentare la conoscenza e le competenze sugli aspetti della meccanica industriale, tipica e caratteristica del nostro territorio produttivo.

La struttura del corso

Il percorso formativo esprime tutte le materie tipiche del bagaglio professionale del tecnico disegnatore e progettista, lasciando poi all’allievo la possibilità di approfondire o specializzarsi in una delle tante applicazioni della meccanica.

Per apprendere al meglio, ho suddiviso i contenuti in macro argomenti per una ottimale organizzazione del materiale didattico e di quello raccolto o prodotto in proprio:

• strumenti tecnologici per il disegnatore e la progettazione industriale
• disegno meccanico come linguaggio e mezzo di comunicazione
• metallurgia
• prodotti meccanici e loro caratteristiche
• metodi di produzione
• elettrotecnica
• informatica
• lean manufacturing
• lingua inglese
• competenze trasversali
• sicurezza sul lavoro

Durante il corso, tra coordinatori, tutor, docenti e imprenditori, visite ad aziende e fiere, ho avuto la possibilità di relazionarmi con più di venti esperti del settore meccanico e della formazione.

Oggi ho la consapevolezza di conoscere meglio il mondo della meccanica, di quanto esso sia ampio, variegato e promettente dal punto di vista professionale.

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Il traguardo lavoro

La meccanica ha una pessima reputazione presso i giovani, l’officina è considerata un luogo poco attraente. Eppure, l’Emilia-Romagna è un posto meraviglioso che ha dato i natali a persone straordinarie come Enzo Ferrari, Ferruccio Lamborghini e Alex Zanardi, che nelle fabbriche, in pista o sulle strade hanno vissuto e vivono ancora, grazie ai lavoratori che proseguono il loro operato.

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La terra della velocità

Sono nato e vivo da sempre nella Motor Valley; ho respirato le stesse nebbie dei miei illustri conterranei, ho udito il suono inconfondibile dei trattori agricoli al lavoro nei campi. Landini e Lamborghini sono così affini e geograficamente vicini che sanno di casa.

Rivendico la mia opportunità di entrare da protagonista in questo mondo, vorrei disegnare, progettare, scrivere sulla vita di persone che hanno tracciato la nostra storia.

Vorrei incontrare i tanti giovani in cerca di lavoro per spiegare a loro che la meccanica non è soltanto una questione di moda, lusso o prestigio, ma che essa è bella e appassionante in ogni suo aspetto.

Durante le lezioni di lean manufacturing, ho appreso che in Giappone le persone professionalmente mature hanno una posizione privilegiata all’interno dell’industria, come formatori per nuove generazioni di lavoratori.

In Italia, questa filosofia imprenditoriale è considerata scandalosa, ma credo che sia corretto non disperdere l’esperienza, fare tesoro della memoria di coloro che umanamente e professionalmente hanno già dato tanto alle nostre aziende.

Non credo che ci possa essere futuro nel mondo del lavoro, senza cultura del proprio passato.

Link utili:

http://www.unife.it/tecnopolo/mechlav

http://www.unife.it/tecnopolo/cento

http://www.centoform.it/