LE PROPRIETÀ DEI MATERIALI. Ingegneria Industriale

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1 LE PROPRIETÀ DEI MATERIALI Ingegneria Industriale

2 Proprietà dei Materiali Ogni materiale può essere pensato come un insieme di attributi - proprietà Non è un materiale per sé che il progettista cerca ma una specifica combinazione di attributi Con il nome di un materiale identifichiamo un particolare profilo di proprietà

3 COME USARE LE PROPRIETÀ DEI MATERIALI NELLA PROGETTAZIONE? COME IDENTIFICARE I MATERIALI CHE SODDISFANO LE CONDIZIONI DEL PROGETTO?

4 1 METODO RICERCA DELLE PROPRIETA DEI MATERIALI IN LIBRI SOFTWARES INTERNET leghe di alluminio

5 2 METODO Uso di Grafici e Tabelle delle Proprietà dei Materiali Es.: selezionare un materiale con E > 100 GPa Divisione in classi di materiali

6 Price (EUR/kg) 2 METODO Es.: Trovare un materiale poco costoso e molto rigido Gold Aluminum nitride Polyetheretherketone (PEEK) CFRP, epoxy matrix (isotropic) 10 1 Brick Polyvinylchloride (tppvc) Wood, typical across grain Low carbon steel 0.1 Concrete Ceramics and glasses Metals and alloys Polymers and elastomers Hybrids: composites, foams, natural materials

7 Young's modulus (GPa) 2 METODO Es.: Trovare un materiale poco costoso e molto rigido 1000 Tungsten carbides Tungsten alloys CFRP, epoxy matrix (isotropic) Concrete Lead alloys Polyetheretherketone (PEEK) Polychloroprene (Neoprene, CR) Flexible Polymer Foam (VLD) Ceramics and glasses Metals and alloys Polymers and elastomers Hybrids: composites, foams, natural materials

8 Price (EUR/kg) 1000 Tungsten carbides Tungsten alloys CFRP, epoxy matrix (isotropic) METODO Young's modulus (GPa) Concrete Lead alloys Polyetheretherketone (PEEK) POSSIBILI CANDIDATI: Calcestruzzo prezzo 0,04 eur/kg E GPa Acciaio da costr. prezzo 0,7 eur/kg E GPa Polychloroprene (Neoprene, CR) Flexible Polymer Foam (VLD) Ceramics and glasses Metals and alloys Polymers and elastomers Hybrids: composites, foams, natural materials Gold Aluminum nitride Polyetheretherketone (PEEK) CFRP, epoxy matrix (isotropic) Brick Polyvinylchloride (tppvc) Wood, typical across grain Low carbon steel Concrete Ceramics and glasses Metals and alloys Polymers and elastomers Hybrids: composites, foams, natural materials

9 Price (EUR/kg) 1000 Tungsten carbides Tungsten alloys CFRP, epoxy matrix (isotropic) METODO Young's modulus (GPa) Concrete Lead alloys Polyetheretherketone (PEEK) POSSIBILI CANDIDATI: Calcestruzzo prezzo 0,04 eur/kg E GPa Acciaio da costr. prezzo 0,7 eur/kg E GPa Polychloroprene (Neoprene, CR) Qual è la combinazione Flexible Polymer Foam (VLD) Ceramics and glasses Metals and alloys Polymers and elastomers Hybrids: composites, foams, natural materials Gold migliore?? Aluminum nitride Polyetheretherketone (PEEK) CFRP, epoxy matrix (isotropic) Brick Polyvinylchloride (tppvc) Wood, typical across grain Low carbon steel Concrete Ceramics and glasses Metals and alloys Polymers and elastomers Hybrids: composites, foams, natural materials

10 3 METODO: Impareremo un metodo più efficiente per arrivare facilmente alla migliore soluzione possibile

11 LE CLASSI DI MATERIALI più di 30 tra proprietà meccaniche e termiche dei materiali sono di primaria importanza nella progettazione. in base a queste è possibili dividere i materiali ingegneristici in grandi classi si ottengono maggiori informazioni rappresentando una proprietà rispetto ad un altra

12 GRAFICO MODULO DI YOUNG-DENSITÀ scala log-log

13 GRAFICO MODULO DI YOUNG-DENSITÀ molte informazioni insieme le bolle grandi rappresentano le classi le bolle piccole le sub-classi: la variabilità è dovuta a proprietà dipendenti dalla struttura in realtà è un insieme discreto di punti c è comunque grande variabilità di proprietà anche all interno delle singole sub-classi

14 GRAFICO MODULO DI YOUNG-DENSITÀ La densità di un solido dipende: peso degli atomi: varia molto, H = 1 U = 238 dimensioni atomi: non varia molto, 1 4 x10-29 m 3 disposizione nello spazio: non varia molto disposizioni chiuse, fattore di impacchettamento 0,74 disposizioni aperte (diamante), fattore di imp. 0,34 I metalli hanno densità elevata perchè sono fatti di atomi pesanti strettamente impacchettati I polimeri hanno basse densità perchè sono fatti di carbonio (12) e idrogeno in strutture amorfe o poco cristalline

15 Grafico Modulo di Young-Densità il modulo di Young, E dipende: forza del legame atomico, E densità dei legami 0 S r intensità di legame dimensione atomo legame covalente legame metallico, ionico legami Van-der-Waals S = N/m S = N/m S = 0,5 2 N/m

16 Grafico Modulo di Young-Densità E S r 0 intensità di legame dimensione atomo DIAMANTE (ceramici) E alto r 0 del C piccolo S covalente alto METALLI E alto S metallico alto stretto impacchett alta densità di legami POLIMERI E basso S covalente alto S VanderWaals basso

17 Grafico Modulo di Young-Densità le celle collassano Tg sotto la Tamb E min S r 0 0, GPa

18 Grafico Modulo di Young-Densità la trasmissione del suono nei solidi è una propagazione di onde elastiche la velocità del suono dipende da E e da r v r E 1 2 che in forma logaritmica diventa: log E = log r + 2 log n

19 Grafico Modulo di Young-Densità log E = log r + 2 log n

20 Grafico Modulo di Young-Densità la velocità del suono nei solidi varia tra 5x10 1 m/s (elastomeri) 1x10 4 m/s (ceramici)

21 ESEMPIO: cerco un materiale leggero e rigido

22 ESEMPIO: cerco un materiale leggero e rigido a quanta r posso rinunciare per avere E maggiore?

23 GRAFICO RESISTENZA MECCANICA - DENSITÀ

24 RESISTENZA MECCANICA - DENSITÀ La resistenza meccanica assume significato diverso a secondo dei materiali La resistenza meccanica è espressione dell intrinseca resistenza della struttura allo scorrimento plastico

25 RESISTENZA MECCANICA - DENSITÀ La plasticità è data dal movimento dei piani cristallini all interno della struttura reticolare: nei metalli questo richiede poca energia (dislocazioni), nei ceramici moltissima (legame covalente), nei polimeri coinvolge legami secondari. Nei metalli la resistenza aumenta introducendo ostacoli allo scorrimento: elementi di lega, bordi di grano, altre dislocazioni. Nei polimeri aumentando il cross-linking o l allineamento.

26 RESISTENZA MECCANICA - DENSITÀ grande variabilità

27 Young's modulus (GPa) GRAFICO MODULO - RESISTENZA 1000 Non-technical ceramics Technical ceramics 100 Metals and alloys 10 Foams Composites 1 Polymers 0.1 Natural materials 0.01 Elastomers Tensile strength (MPa)

28 GRAFICO MODULO - RESISTENZA f E c Deformazione Limite Elasto/Plastica

29 GRAFICO MODULO - RESISTENZA valore teorico della deformazione: f E 1 10 (un legame si rompe se allungato più del 10% della lunghezza iniziale) Elastomeri = 1-10 Polimeri = 0,01-0,1 Metalli = 0,001 Ceramici = 0,0001

30 GRAFICO MODULO - RESISTENZA

31 RIGIDEZZA SPECIFICA RESISTENZA SPECIFICA

32 RIGIDEZZA SPECIFICA RESISTENZA SPECIFICA E/r /r E -

33 GRAFICO TENACITÀ MODULO duttili fragili

34 GRAFICO TENACITÀ MODULO duttili K1c /E fragili

35 GRAFICO TENACITÀ RESISTENZA d y K 2 1C 2 f Plasticizzazione prima della Frattura Diametro dell area in prossimità dell apice della cricca Frattura prima della plasticizzazione

36 CONDUCIBILITÀ TERMICA - RESISTIVITÀ

37 CONDUCIBILITÀ TERMICA - RESISTIVITÀ La conduzione termica avviene per vibrazione del reticolo Gli elettroni contribuisco no alla conduzione termica

38 CONDUCIBILITÀ E DIFFUSIVITÀ TERMICHE λ α = ρc p = C v

39 ESEMPIO - DEVO TROVARE UN MATERIALE CHE RISPETTI QUESTE DUE CONDIZIONI: E > 10 GPa r > 3 Mg/m 3 grafico: Modulo elastico-densità

40 MODULO DI YOUNG-DENSITÀ

41 HO TROVATO UN INSIEME DI MATERIALI CHE RISPONDONO AI REQUISITI MINIMI MA.. HO BISOGNO DI ALTRI CRITERI PER STABILIRE UN ORDINE DI PRIORITÀ TRA I MATERIALI SELEZIONATI