L’acciaio: il materiale principe dell’ingegneria

L’acciaio è diventato il materiale principe delle costruzioni e dell’ingegneria più in generale. È arrivato anche a significare “indistruttibile” o “potente”, tanto che alcune figure storiche sono state chiamate uomini o donne d’acciaio, o più semplicemente “Acciaio”.

Metallurgicamente è definito come una lega di ferro e carbonio, con una concentrazione di carbonio minore di 2.06%. Sopra questa percentuale, ci si trova tra le mani la ghisa, molto più fragile e dura dell’acciaio. Il ferro, a discapito di quanto si possa pensare, è quasi sempre prodotto direttamente come ghisa o acciaio, anche anticamente. Questo si deve al fatto che il ferro veniva scaldato bruciando il legno. Il carbonio presente nel legno bruciato veniva infatti trasferito al ferro, producendo ghisa o acciaio appunto.

La produzione degli acciai

Il ferro è un metallo altofondente, questo vuol dire che richiede alte temperature per la fusione. Da qui scaturisce il nome dei forni di fusione, chiamati altiforni, con eccesso di fantasia. L’altoforno è il metodo principe per la produzione dell’acciaio.

Solitamente tutti i processi produttivi dell’acciaio cominciano attraverso del ferro in un altoforno, che richiede una meticolosa preparazione. Non si può buttare a casaccio il ferro o il combustibile dentro a un altoforno. Questo perché il forno non viene scaldato dall’esterno, ma le reazioni esotermiche avvengono all’interno. Infatti, vengono usate le cosiddette reazioni Redox, di ossidoriduzione, per scaldare e sciogliere il metallo.

Il ferro trovato nelle miniere non è puro, ma si trova allo stato di ossido. Quindi, non si deve solo scaldare il minerale, ma lo si deve anche ridurre a ferro puro. Questo è il motivo del particolare ordine con il quale l’altoforno deve essere caricato.

 

Si carica l’altoforno a strati perché questo tipo di forno funziona a gravità. Infatti, il processo di carica comincia dall’alto e il materiale fuso si trova in basso. Per questo, gli strati sono di metallo e coke uno intervallato all’altro. Oltre a conferire le reazioni che permettono di ridurre lo ione ferro presente nei minerali, trasformandolo in ferro puro, permette un migliore riscaldamento del ferro. Ma il potere riscaldante non arriva solo dal coke.

Gli altiforni sono forni “a vento”. Questo vuol dire che l’aria viene forzata a passare dentro al forno per riscaldare il contenuto. L’aria fatta passare nei forni è solitamente riscaldata a una temperatura di 1000/1100°C. Gli altiforni servono però quando si produce metallo dai minerali (non sono limitati solo al ferro). Quando invece si usano rottami di ferro per la produzione di acciaio, è più comodo utilizzare forni elettrici.

Alcune proprietà dell’acciaio

L’acciaio è diventato il materiale principe dell’ingegneria in generale. Si può trovare nei grattacieli e nelle navi, negli aerei e nei viadotti. La particolarità degli acciai è la sua forte flessibilità di usi, data dal suo modulo elastico particolarmente alto. Il modulo elastico è la misura della resistenza alla deformazione elastica, prima che le deformazioni diventino irreversibili. Si usa parlare soprattutto del modulo di Young, ovvero la resistenza a trazione dell’oggetto. Per l’acciaio questo valore varia, ma può arrivare fino ai 210 GPa, (il titanio, per confronto, ha un modulo elastico di 110 GPa, quasi la metà).

Il problema dell’acciaio sta solo nella sua densità, 7,8 g/cm³, cioè 7800 kg/m³, significativamente più alto di quello di titanio e alluminio. Questo è il motivo per cui gli aerei o i razzi non sono mai costruiti in acciaio. Però, in virtù delle sue proprietà, gli acciai si fanno strada anche all’interno di un aereo. Infatti, le gambe dei carrelli di atterraggio sono fatte di acciaio (sugli aerei di dimensioni medio-grandi) per le forze che questo deve sopportare negli atterraggi.

 

 

La più grande flessibilità degli acciai sta nel suo basso prezzo. Questo perché molto dell’acciaio prodotto viene dai cosiddetti ferri vecchi. L’acciaio è uno dei materiali più riciclabili e riciclati. A differenza di altri materiali, come ad esempio la carta, l’acciaio non si deteriora al riciclo. Oppure, non ha bisogno di materiale nuovo durante il riciclo.

I diversi tipi di acciai

Un asso nella manica degli acciai è anche la sua flessibilità operativa. Gli acciai sono di diversi tipi e ce ne sono veramente per tutti i gusti. Ci sono gli acciai da utensili, che richiedono una durezza superficiale molto alta per poter tagliare quasi tutto. Qualora questo non fosse abbastanza, si potrà aggiungere del diamante per permettere a questi di tagliare anche altri diamanti.

Per ottenere le diverse proprietà dell’acciaio, si utilizzano diversi alliganti. Gli alliganti sono elementi messi in diverse percentuali per affinare le caratteristiche dell’acciaio. L’elemento quasi sempre presente è il carbonio. Se si vuole un acciaio inossidabile (che non arrugginisce) si usa il cromo. Invece, se si vuole diminuire la presenza di ossigeno, si usa il manganese. Se si vuole aumentare la malleabilità si usa il magnesio.