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Materiali strutturali convenzionali

Il primo tipo di impiego dei materiali è stato di carattere strutturale. Con questo termine ci si riferisce all'utilizzo di un materiale per applicazioni nelle quali sono rilevanti le sue caratteristiche meccaniche. A titolo di esempio, rientrano tra gli impieghi strutturali l'utilizzo dei materiali per le costruzioni, per la realizzazione di manufatti quali ad esempio ruote, attrezzi di lavoro, armi, recipienti, eccetera. In tutti questi casi ciò che si chiede un materiale è tipicamente di essere lavorabile, cioè modificabile con sforzo meccanico ragionevole; e, una volta lavorato nella maniera voluta, di essere in grado di sopportare adeguate sollecitazioni meccaniche. Le proprietà meccaniche tuttavia non esauriscono le caratteristiche richieste ad un buon materiale strutturale. Infatti un buon materiale strutturale deve essere in grado di reggere le condizioni ambientali in cui esso viene impiegato: ad esempio esso deve essere in grado di sopportare temperature elevate o shock termici; e, d'altra parte, deve anche poter reggere all'interazione chimica con l'ambiente circostante. Ulteriori richieste possono derivare da specifici contesti di impiego. Per esempio nella scelta dei materiali impiegati nella realizzazione della struttura esterna dei satelliti, oltre alle ordinarie caratteristiche plastiche e ad una notevole capacità di resistenza agli shock termici (le differenze di temperatura tra la superficie di un satellite artificiale esposta al sole e in ombra è dell'ordine di 600° C!), deve anche essere in grado di non alterare le proprie caratteristiche in presenza di radiazioni ionizzanti di elevata intensità, caratteristiche dello spazio extraterrestre.

Storicamente i primi metalli e le prime leghe utilizzate dall’umanità furono il rame ed il bronzo, entrambi caratterizzati da una elevata malleabilità ed una facile lavorabilità a caldo.  Né rame né bronzo presentano tuttavia caratteristiche meccaniche e di stabilità chimica eccezionali, e quindi l'appropriazione delle tecnologie del ferro (XII secolo a.C.) rappresentò un risultato essenziale nella abilitazione di nuove tecnologie e nella stabilizzazione delle tecnologie già implementate nell'epoca del bronzo.

Ferro, rame, bronzo e poche altre leghe – unitamente a legno, pietra – costituirono per millenni gli unici materiali strutturali disponibili. Occorre fare un salto di alcuni millenni dall’era del ferro perché il rapporto tra sviluppo della tecnologia e sviluppo di materiali si ribalti, determinando la nascita e lo sviluppo di nuovi materiali strutturali: acciai, alluminio e sue leghe e, in epoca successiva, ceramici strutturali e polimeri.

Le applicazioni strutturali non sono le sole per le quali occorrono materiali nuovi. I materiali funzionali sono almeno altrettanto importanti, e su di essi si è spesa molta della creatività degli scienziati dei materiali negli ultimi secoli.