PUNTI ESSENZIALI LEZIONE 2

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1 PUNTIESSENZIALILEZIONE2 Disomogeneità Gerarchizzazione Strutturecellulari Ceramicinaturali Presenzadidiversefasi(compositi) Porositàvariabile(tipicadeiceramici) Simmetriaadelica Esempidistrutture:legno,osso,seta Proprietà,effettodeidifetti,aerofoil Materialiauxetici TeoriadiWeibullsullaprobabilitàdirottura Esempidistrutture:abalone,ossidiseppia

2 ELASTICITA',DUREZZA,TENACITA',DUTTILITA' Elasticità:Resistenzaalladeformazione.Unmaterialeelasticohaunbasso livellodideformazioneplastica(nonrecuperabile)quandovieneapplicatauna forza(peresempioditrazione) Durezza:Resistenzaallapenetrazione(superficiale).Unmaterialeèpiùdurodi unaltro,senonpermetteaquest'ultimodipenetrare,quandoèpremutocontrola suasuperficie TenacitàResistenzaallapenetrazionedellacricca(difettosità).Unmateriale tenacenonsifessurafacilmente(ononlasciafacilmentepenetrarelefessure esistenti)quandoèsoggettoadunaforzaimprovvisa(impatto) Duttilità:Unmaterialeduttileforniscedelleindicazionimacroscopichesulla prossimitàarotturadelmateriale(principalmenteun'evidentestrizione),a differenzadiunmaterialefragilechesirompesenzaevidenti segnali L'acciaioèelastico,ildiamanteèduro,ilcalcestruzzoètenace,l'alluminioèduttile

3 DIAGRAMMISFORZO DEFORMAZIONE Pervalutareloscostamentodeimaterialidauncomportamentoelastico, siutilizzanoigraficisforzo deformazione. Losforzo σ=f/s,dovefèlaforzaapplicataesèl'areadellasezione del provino di materiale: ha le unità di una pressione, quindi pascal (Pa),madisolitoèpiùappropriatoilmegapascal(MPa)=106Pa. LadeformazioneεèunnumeropuroesimisuracomeΔl/l,doveΔlèla variazione di lunghezza del provino e l è la lunghezza iniziale del provino. Condizione necessaria, ma non sufficiente, per utilizzare il materiale è checisiaqualcheformadiproporzionalitàtralosforzoapplicatoela deformazioneottenuta. Nel caso più semplice che il materiale sia elastico, il coefficiente di proporzionalitàottenutoe=σ/εsidefiniscecomemoduloelasticoodi Young,esiesprimedisolitoinMPaoinGPa(gigapascal)=109Pa.

4 DIAGRAMMASFORZO DEFORMAZIONE (atrazione)diunacciaiogenerico La deformazione dell'acciaiodipende molto dal contenuto in C, dagli elementi leganti e dai trattamentitermici. LadiminuzionedisforzodopoilpuntoCèinrealtàsoltantoapparente, inquantoilmaterialesièmoltoassottigliato,subendostrizione(necking), equindilosforzorealeèconsiderevolmenteaumentato IlmoduloelasticovienecalcolatodallapendenzadeltrattotraAeB. Illimitediutilizzodelmaterialeèsempreinferioreallimiteelastico. IltrattotraAeBèindicatocomesnervamento(yielding).

5 ALTRITIPIDICOMPORTAMENTO NONTOTALMENTELINEAREELASTICO(atrazione) Ilcomportamentodellagomma(curvaaS)indicachenonc'èmaiunadeformazione totalmenteelastica(nonc'èunveroepropriotrattorettilineo),poic'èunagrande deformazioneedinfineilcaricosalefinoarottura,perchéc'èunanotevolestrizione. Nellestrutturenaturali(curvaaJ)invecesipreferisceavereprimaunagrande deformazionemaconcaricobassissimo,poiresisterefortementeaqualunque indesiderabile deformazione(ilcaricosalequasiverticalmente)(es.cartilagine). Inpratica,nellestrutturedicertianimalimarini(stellaoricciodimare)cisonodeitessuti dicollageneconduevaloridiversidelmoduloelastico,unobassoperilmovimento internoedunoaltoperlaresistenza)

6 STRUTTURECELLULARIREGOLARI NATURALI BIOMIMETICHE Nidodivespe Aladiunafarfalla Dalie INGEGNERIZZATE Schiumapolimericaanidod ape Nanoparticelledipolistireneautoassemblatesuvetro osservateall AFM(microscopioaforzaatomica) Leparticelle,didimensione465nanometri(pariadunalucevisibileblu)si dispongonoinunarrangiamentoesagonaleestrettamenteimpacchettato. Poichéladimensionedelleparticelleèquelladiunraggiodilucevisibile, l interazionedellaluceconilcristalloformatoproducefenomeni didiffrazioneofiltrazionemimandol iridescenzatipicadeimaterialibiologici. Questoèunesempiodiun applicazionepraticacheprendespunto dastruttureesistentiinnatura.

7 SCHIUMEPOLIURETANICHE(tipicomaterialecellulare) Ilpoliuretanocambianotevolmentediproprietà infunzionedelladensità,cheèinversamente proporzionaleallaquantitàdivuoti (unpoliuretanoideale,senzaporosità,hauna densitàdicirca1,1 1,2) Notarecomenelle provedicompressione sihaunapartelineare epoiunabreveparte apendenzacrescente (schiacciamento) SchiumadiPUcon15,20,25% difibrediferro(orientate permagnetizzazione) Schiumadizirconiaparzialmentestabilizzataconittria (PSZ)ottenutaperimpregnazionedelleparetidiuna schiumapoliuretanicaconunasoluzionedipsze combustionedellaschiumaa1000 Ccon conservazionedellastrutturacellulare.

8 MATERIALIVISCOELASTICI Il comportamento di un materiale viscoelastico, a differenza di quello di un materiale elastico, dipendedaltempo. Questo significa che il suo comportamento cambia a seconda della velocità o della frequenza (numero di cicli al secondo, o Hertz) con cui vieneapplicatoilcarico. Inoltre, questo significa anche che se il materiale vienesollecitatoperuncertotempo,continuaa scorrereedadeformarsiplasticamentedurante tutto quel tempo (quindi senza recupero, nemmenosescaricato). Questo scorrimento viscoso dipende dal carico applicato,edimpediscediapplicareipolimeriin molte applicazioni (es., giunzioni di precisione molto sollecitate, binari o guide esposte agli agenti atmosferici) dove le tolleranze sono ridotte. Curveisocrone diuntendine Curvediscorrimento(acaricocostante) diunpolipropilene

9 TASSONOMIADEIPOLIMERI Polietilene(PE) Polipropilene(PP) Polibutilene(PB) Termoplastici Termoplasticibiodegradabili Termoindurenti Termoindurentibiodegradabili Inrealtàepossidizzati Poliolefine Polivinilcloruro(PVC) PET Acetatodicellulosa Poliammidi(nylon)epoli immidi(bmi) Polistirene Acidopolilattico(PLA) Policaprolattone(PCL) Polibutilsuccinato(PBS) Amidodimais,dipatata,disorgo,ecc. Policarbonato(PC) Poliestere Epossidiche Polifenoli Teflon(PTFE) Poliuretani Resineureicheemelamminiche ABS(acrilonitrile butadiene stirene) Gommenaturali(poliisoprene1,4cis)esintetiche Resineoleose(oliodisoia,oliodiricino)

10 TERMOPLASTICOETERMOINDURENTE. TEMPERATURADITRANSIZIONEVETROSA(Tg) Laformazionedilegamiincrociati(odireticolazione)sipuòotteneregrazieallaluce, alcaloreodall'aggiuntadialtricompostichimici:èunprocessoirreversibile. Aldisopradiunacertatemperatura(Tg)ilpolimerodiventa,davetroso,gommoso egradatamentemenoresistente,finchésidecompone,semoltoreticolato (quinditermoindurente)oppurefonde,sepocoreticolato(quinditermoplastico)

11 COMPORTAMENTOATRAZIONEPOLIMERO SEMI CRISTALLINO Ilmoduloelasticodeipolimerièinrealtàscarsamente rappresentativodelcomportamentocomplessivodelmateriale (superamentilocalidellimiteelasticosonopossibiliancheinservizio)

12 STRUTTURADEIPOLIMERINATURALI (SETARAGNI) Lasetadacamminoneiragniconsistediproteinedeltuttoripetitive,le spidroine: la spidroina contiene regioni di polialanine fatte da 4 a 9 molecole di alanina, che le danno la resistenza, e regioni ricche di glicinacheledannol'elasticità,quindidiun'alternanzadiregioni cristalline(orientate)eamorfe(disordinate).

13 FRAGILITA'EDASSENZADISTRIZIONE Curvaditrazionediunceramicoinnovativo (es.zirconia,allumina) Neiceramiciladeformazioneèspessoailiniti dellamisurabilità,specienelcasodiproveditrazione, nellequalilapropagazionediunsingolodifettoportaarottura. Questorendepreferibiliprovediflessione

14 CERAMICITRADIZIONALI Comeesempiodiceramicotradizionale, ilbasaltovieneutilizzatoperleproprietà ignifugheediresistenzaall'urto,edèpossibile produrloinfibre,lecuicaratteristichesono paragonabiliallealtrefibrepiùdiffuse. Laproduzionediceramicitradizionali(es.,ceramica,porcellana,grés)ècondizionatadaltipodiminerali disponibili(quimostraticome%inpeso)sullacrostaterrestre. Lamaggiorquantitàdiossigenosuggeriscecheimineralipiùdiffusisianobasatisuossidi,inparticolare disilicio(silice,quarzo:sio2)edialluminio(allumina:al2o3),quindisilico alluminati,allevolte conpresenzadiossididipotassio,disodioedimagnesio. Laformazionediceramicisibasaprincipalmentesullafrantumazionedeiminerali,esull'impasto conacquaericottura,finoatemperaturedi C,maconelevatocontenutodi porositàedincerticasiconpianidiclivaggio(sfaldamentoastrati).siliceedallumina siutilizzanoanchecomeabrasivi. Notarecome,escludendosilicioedossigeno,glialtriseimaggioricomponentidellacrosta terrestresianometalli.

15 CERAMICIAVANZATI:SINTERIZZAZIONE Lasinterizzazioneèunprocessodicompattazionedellepolveriadaltatemperatura (anchefinoa2200 C)espessoadaltapressione(anchefinoa200atmosfere),finoa creareunaconsistenteinterferenzatraleparticelledipolvereequindiaridurrela porosità. Iceramiciinnovativipiùdiffusisonocarburodisilicio(semiconduttore,puntautensileda utensilidataglio,abrasivo),carburoditungsteno(ancheinrasoi,dispersoridellepennea sfera),eossidodizirconio(zirconia,disolitostabilizzataconittria),anchecome biomaterialedentarioocomeelettrolitanellecelleacombustibile.

16 PROVEPERMICRO DEFORMAZIONI: NANOINDENTAZIONE Nanoindentazionediunfilmdipolicarbonato (curvediscorrimentoeisocrone) Nanoindentazionedeifrustuli dellediatomee(strutturesilicee) (curvecarico spostamento) Lananoindentazioneconsentediavereun valoreorientativodelmoduloelasticoin condizioni particolarmente difficili, tuttavia il valore ottenuto è sempre puntuale (dipendente dal punto in cui il materialevieneindentato). Nanoindentazione diunfilmdipolicarbonato (modello3 Decurva dellaprofonditàdi indentazione)

17 PROPAGAZIONEDICRICCA: MECCANICADELLAFRATTURA LINEAREELASTICA(teoriadiGriffith) LateoriasviluppatadaGriffithvolevaspiegare larotturaimprovvisanelvetro,edèpartitadalla constatazionechelapresenzadiundifetto, ocricca,consideratopersemplicitàcircolare, producevaunaumentoditrevoltedellosforzo realeapplicatosulmateriale. Quandolosforzoandavaasuperareunvalore critico,dipendentedalmaterialeedalledimensioni deldifetto,lapropagazionedellacricca divenivainstabileesiarrivavarapidamente arottura. Considerandoilvetro,Griffithimmaginòchela propagazionedellacriccafosselineareelastica, quindichenoncifossenessuntipodi strizione (odimovimentononnelladirezionedellarottura dellacricca).

18 TEORIADIGRIFFITHEGERARCHIZZAZIONE Nelcasopiùgenerale,idifettisonoellitticielapropagazionenonavvieneinunaqualunque direzionedeldifetto circolare,malungol'apicedellacricca.inoltre,losforzoreale,dato che la cricca è così orientata è molto più grande di tre volte quello applicato, dipendendo dall'angolo dell'apice della cricca (più è stretto più lo sforzo aumenta), e quindiilsuperamentodelvalorecriticoèinrealtàpiùfacilecheperdifetticircolari. Notare che nelle strutture gerarchizzate, dove si parte dalla cellula, qualunque difetto nella cellulanondiventamaiabbastanzagrandedapotersuperareilvalorecriticostabilitoda Fuller definiva tensegrity, cioè essere Griffith, e questo causa quel che Buckminster sempreintensione(sottosforzo)mamantenerelapropriaintegrità.

19 FRATTURANEICERAMICIGERARCHIZZATI: L'OSSO Grazie alla struttura gerarchica, l'osso può riprendere lo sviluppo anche dopo che una sollecitazione di tipo diverso ed imprevedibile ne ha provocato la frattura Losviluppodell'innestoosseosugliscaffolddeve essereilpiùpossibileadattatoaltipodifratturae quindiallacompensazionedellasollecitazioneche l'haprodotta

20 TENACITA' Latenacitàèdataapprossimativamente dall'areasottolacurvasforzo deformazione, nelcasodifessurazioneserveavalutarequantoil materialesioppongaallacrescitadellacricca.

21 COMPRESSIONEMATERIALIEDILI Disposizionesperimentale percompressionesumuratura E'essenzialecheiprovini percompressionesiano dialtezzaridottarispetto allasezione,perevitare (datocheilmaterialenon èmaiisotropo) diavereimbozzamento (buckling) Indicazioniperprovedicompressionesucalcestruzzo Malteecalcestruzzisonoentrambiottenutidaacqua,cementoedelementilapidei (sabbia,ghiaia,ecc.):laddoveladimensionemassimadiquestiultimi(aggregati) nonsuperai5mmsiparladimalte,incasocontrariodicalcestruzzi. Ilrapportoacqua/cementodeveessereottimizzatoasecondadell'uso: abbastanzaaltodaconsentirelalavorabilitàdelcalcestruzzo,manontroppodarenderlofragile.

22 PROVETECNOLOGICHE:LADUREZZA Leprovetecnologichedannodeivaloricomparativi(enonassoluti)esono utilipereffettuaresceltesuimateriali. Laprovadidurezzasibasasullacapacitàdiunindentatoredipenetrarenel provinodimateriale. Nell'acciaio,ladurezzaBrinellèproporzionaleallaresistenzaarottura attraversouncoefficientediproporzionalitàchedipendedaltipodiacciaio

23 DUREZZAROCKWELL (perplastiche:indentatoresferad'acciaio) Susuperficimoltopiccoleematerialimoltoduri,siutilizzaancheladurezza Knoop(almicroscopio)conperindentatoreunapiramideasimmetrica chelasciaun'improntaaformadirombomoltoallungato

24 DUREZZASHORE (A:perplastichemenodure;D:perplastichepiùdure) Sipuòavereancheunaprovadidurezzaistantaneaper1secondo:unvalore100in entrambelescalerappresentaunapenetrazionedi2.5mm.perunmaterialespesso6.4mm UnaltrotipodiprovadidurezzaèladurezzaBarcol,chesiservediunapuntad'acciaio affilata,eservepervedereseneipolimeritermoindurentilapolimerizzazioneèterminata (ladurezzaallapenetrazionedeveesserealmenoil90%diquellasullasuperficie).

25 DUREZZAEDELASTICITÀVARIABILE INNATURA:ILCETRIOLODIMARE L'epidermidedelcetriolodimare,cheèunechinodermasimilealla stellamarina,èunmaterialeconduediversivaloridimodulo elastico(ingenerale:curvaaj)edidurezza(superficiale)dovuti alladiversadisposizionedellefibrilledicollagene. E'ancheunodeipiùnoticasidiauto rigenenerazione,emettendoi visceriincasodipericoloericostruendoliinbrevissimotempo.

26 RICERCADILETTERATURASCIENTIFICA: esempio abaloneshell ; STRUTTURADIUNSOMMARIO(ABSTRACT) Nelsommarioc'èscrittonell'ordine:cosasièfatto,comelosièfatto,checosa siètrovato,checosasignifica(secondonoiesecondolaletteraturaprecedente)