Materiali. Prof. Davide Russo Dipartimento di Ingegneria DISEGNO TECNICO INDUSTRIALE FACOLTA DI INGEGNERIA UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 1

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1 Knowledge Aided Engineering Manufacturing and Related Technologies DISEGNO TECNICO INDUSTRIALE Materiali Prof. Davide Russo Dipartimento di Ingegneria UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 1

2 Nella lezione precedente Introduzione sui collegamenti smontabili non filettati Chiavette Linguette UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 2

3 ... in questa lezione Concetti generali Materiali Acciaio, Ghisa, Alluminio, Rame, etc. Designazione dei materiali UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 3

4 Concetti generali (1/5) Dal materiale dipendono: le caratteristiche di resistenza e di durata del pezzo il procedimento tecnologico di produzione l aspetto con cui si presenta all utilizzatore la possibilità di riciclo o l eliminazione al termine del ciclo di vita il costo Lo studio dei materiali, dei criteri di scelta, dei trattamenti termici e delle lavorazioni non è un obiettivo di un corso di Disegno tecnico industriale Cenni sui materiali e sulla indicazione nei disegni UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 4

5 Concetti generali (2/5) Materiali più comunemente utilizzati nelle costruzioni meccaniche: metalli ferrosi (acciai, ghise, super leghe a base Fe) metalli non ferrosi (Al, Cu, Ni, e loro leghe) polimeri (materie plastiche, termoplastiche e termoindurenti) elastomeri (gomme naturali e sintetiche) compositi ceramici, vetri, carbonio, La scelta dei materiali dipende da numerose esigenze disponibilità, peso, possibilità di lavorazione, caratteristiche elettriche, magnetiche, termiche, resistenza a corrosione,... UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 5

6 Concetti generali (3/5) La scelta dei materiali dipende resistenza meccanica capacità di un materiale di non rompersi sotto l azione di determinate forze che lo sottopongono a sollecitazioni: * di trazione, di compressione, di taglio, di flessione e di torsione * stabili nel tempo (statiche), variabili istantaneamente (urti) o ripetutamente nel tempo (sollecitazioni dinamiche, di fatica), a freddo o a caldo resistenza meccanica resistenza a trazione UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 6

7 Concetti generali (4/5) Resistenza a trazione F forza agente in senso assiale Diagrammi sforzi deformazioni Provino UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 7

8 Concetti generali (5/5) Parametri meccanici significativi sforzo (carico unitario) di rottura R (s r ) sforzo (carico unitario) di snervamento S (s s ) modulo di elasticità o di Young allungamento percentuale a rottura A resilienza (o resistenza all urto) K lavoro necessario per spezzare un provino indice della fragilità del materiale durezza superficiale valutata mediante l impronta lasciata da un penetratore di forma diversa (durezza Brinell HB, Rockwell HRC, Vickers HV) UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 8

9 Acciai Leghe metalliche costituite essenzialmente da ferro con carbonio fino al 2% ed eventuali aggiunte di altri elementi in percentuali variabili a seconda delle caratteristiche che si vogliono ottenere Gli acciai sono i principali materiali da costruzione grazie alle caratteristiche di resistenza lavorabilità Hanno caratteristiche variabili in funzione: della composizione dei trattamenti termici UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 9

10 Acciai Trattamenti Termici (1/5) I trattamenti termici modificano la struttura del materiale UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 10

11 Acciai Trattamenti Termici (2/5) I principali trattamenti termici sono: ricottura (e normalizzazione) tempra si effettua dopo fusione o fucinatura, prima di lavorazioni meccaniche, per rendere il materiale omogeneo e lavorabile; consiste in un riscaldamento a temperatura elevata con successivo raffreddamento lento, in forno o in aria riscaldamento a temperature fra gli 800 e i 900 C seguito da raffreddamento rapido in acqua o olio; rende l acciaio molto duro e resistente ma piuttosto fragile UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 11

12 Acciai Trattamenti Termici (3/5) rinvenimento riscaldamento intorno ai C, dopo il trattamento di tempra, per eliminare parzialmente gli effetti di questa; migliora resistenza e tenacità, riducendo durezza e fragilità bonifica trattamento di tempra seguito da rinvenimento distensione riscaldamento a temperatura non superiore a 200 C, per eliminare tensioni interne dovute ai trattamenti precedenti termochimici di arricchimento superficiale trattamenti a determinate temperature in ambienti in grado di cedere elementi allo strato superficiale dei pezzi, in modo da modificarne le caratteristiche, con i sottostanti invariati UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 12

13 Acciai Trattamenti Termici (4/5) trattamenti termochimici di arricchimento superficiale (non confondere con deposizione superficiale di materiali, es. cromatura) cementazione arricchimento superficiale di carbonio, seguito da tempra provoca un indurimento della superficie (e quindi una maggiore resistenza all usura) carbonitrurazione arricchimento superficiale di carbonio e azoto nitrurazione arricchimento superficiale di azoto sulfinizzazione diffusione di zolfo e formazione superficiale di solfuri di ferro UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 13

14 Acciai Trattamenti Termici 5/5) Ulteriori trattamenti superficiali di indurimento tempra superficiale riscaldamento degli strati superficiali mediante fiamma od induzione deformazioni a freddo (rullatura, pallinatura) migliorano la resistenza a fatica UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 14

15 Acciai Designazione (1/9) Per tipologie che richiedono un trattamento termico è prevista l indicazione degli elementi di lega Quando non sono previsti trattamenti termici è presente l indicazione di altri dati quali la resistenza a trazione, od altre caratteristiche meccaniche Classificazione secondo UNI EU 27 acciai designati in base alle caratteristiche meccaniche o di impiego acciai designati in base alla composizione chimica UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 15

16 Acciai Designazione (2/9) Acciai designati in base alle caratteristiche meccaniche Fe valore del carico di rottura a trazione minimo garantito in N/mm 2 E + carico di snervamento (limite delle deform. elastiche) G per getti + carico di rottura (simbolo el. chimico) aggiunto per dare particolari caratteristiche ( A B C D) crescente insensibilità alla frattura fragile (crescente idoneità alla saldatura) (numero) per spec. qualità Es. Fe Fe E Fe G Fe 440 Pb - Fe 440 D - Fe G UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 16

17 Acciai Designazione (3/9) Acciai designati in base alle caratteristiche di impiego Fe lettera numero (impiego) Es. Fe B 2 B = acciao per cemento armato UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 17

18 Acciai Designazione (4/9) Acciai designati in base alla composizione chimica acciai non legati * per cui è previsto un trattamento termico * per impieghi particolari acciai legati * debolmente legati (nessun elemento di lega > 5%) * fortemente legati (almeno un elemento di lega > 5%) UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 18

19 Acciai Designazione (5/9) Acciai non legati - trattamento termico C % carbonio x 100 (simbolo el. chimico per carat. part.) Es. C 40 C 30 Cr Acciai non legati per usi particolari C lettera indicante impiego % carbonio x 100 (simbolo el. chimico per caratt. part.) D per vergella B per bulloneria G per getti Es. C G 20 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 19

20 Acciai Designazione (6/9) Acciai legati debolmente legati (nessun elemento > 5%) (G ) per getti % carbonio x 100 simbolo principali el. di lega tenori percentuali x 4 x 10 x 100 x 1000 Co, Cr, Mn, Ni, Si, W Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr N, P, S B x 4 x 10 x 100 x 1000 Es. 18 Ni Cr 16 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 20

21 Acciai Designazione (7/9) Acciai legati fortemente legati (almeno un elemento > 5%) X % carbonio x 100 simbolo principali el. di lega tenori percentuali gli elementi sono indicati in ordine decrescente di presenza i tenori percentuali sono riportati tali quali la lettera G precede eventualmente la X Es. X 200 Cr 13 - G X 15 Cr 13 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 21

22 Acciai Designazione (8/9) Per tutti gli acciai: la sigla può essere seguita da due lettere che indicano: un particolare requisito una ulteriore specificazione del requisito R finitura superficie M opaca R L N rugosa liscia lucida UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 22

23 Acciai Designazione (9/9) Per tutti gli acciai la sigla deve necessariamente chiudersi con il riferimento alla norma Es. X 200 Cr 13 KU UNI 2955 la sigla KU indica che l acciaio in questione è adatto alla costruzione di utensili La designazione degli acciai è in continua rielaborazione per l armonizzazione delle normative internazionali UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 23

24 Acciai Classificazione (1/4) Classificazione in base alla pratica quotidiana Acciai non legati (acciai comuni) acciai dolci C tra 0.1% e 0.2%, R tra 350 e 500 N/mm 2, per pezzi poco o mediamente sollecitati, possibilità di cementazione acciai semiduri C fino a 0.5%, R fino a 800 N/mm 2, pezzi mediamente sollecitati, trattamento di bonifica acciai duri C fino a 0.6%, R fino a 900 N/mm 2, pezzi fortemente sollecitati ma senza urti e flessioni, trattamento di bonifica acciai extraduri C oltre 0.7% e 0.2%, R fino a 1200 N/mm 2, per utensili e simili, durissimi ma fragili UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 24

25 Acciai Classificazione (2/4) Acciai legati (o speciali) da costruzione da bonifica, da cementazione, da nitrurazione, per tempra superficiale, per molle, per cuscinetti Es. C 25 UNI EN C 45 UNI 8787/ Cr 4-36 Cr Mn 5 50 Cr V 4-42 Cr Mo 4-39 Ni Cr Mo 3 acciai da bonifica C 10 UNI 7846/ C Ni Cr 3-16 Cr Ni 4 acciai da cementazione per utensili caratteristica fondamentale è la durezza anche alle alte temperature conferita da elementi quali Cr, W, Mo; Mn migliora la temprabilità; V e Co la stabilità strutturale Es. C 100 KU UNI X 205 Cr 12 KU - 55 Ni Cr Mo V 7 KU X 30 W Cr V 5 3 KU UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 25

26 Acciai Classificazione (3/4) Acciai legati (speciali) inossidabili non subiscono ossidazioni per la presenza in percentuali elevate di Cr e Ni; C < 0.2%; Mn, Si, Mo, Ti contribuiscono a resistenza a caldo, durezza, * martensitici temprabili, Cr fino a 13% * ferritici non temprabili, Cr dal 14% al 30%, stampabili, magnetici * austenitici Ni dal 6% al 22%, Cr dal 16% al 28%, resistenti agli urti e alla corrosione, amagnetici Es.: X 30 Cr 13 UNI 6900 martensitico X 8 Cr 17 UNI 6900 ferr. - X 10 Cr Ni 1809 UNI 6900 aust. per applicazioni particolari resistenti alle t elevate, per applicazioni criogeniche, per valvole, al Pb e/o S per migliorare la lavorabilità, UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 26

27 Acciai Classificazione (4/4) Acciai per uso generale (indicati in base alla resistenza) sono commercializzati con svariate forme lamiere, barre, tubi, profilati (a L, a T, ) per particolari lavorazioni imbutitura, tranciatura, La normativa prevede tabelle non tanto per i materiali quanto per i semilavorati Molti produttori indicano i materiali con sigle proprie UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 27

28 Ghise (1/9) Leghe di ferro e carbonio in percentuali tra il 2% e il 6% Possono essere presenti altri elementi per conferire particolari caratteristiche (Si, Mn, ) Carbonio presente non solo combinato ma anche sotto forma di grafite, come lamelle o noduli Le ghise sono lavorate prevalentemente per fusione UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 28

29 Ghise (2/9) Classificazione (sulla base della ripartizione fra carbonio allo stato di grafite oppure combinato) ghise grigie: 3 3,5 % C lamellare, 1,5 % Si ghise bianche: C è presente prev. come carburi di ferro ghise malleabili ghise sferoidali ghise meehanite, aciculari,... UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 29

30 Ghise (3/9) Caratteristiche meccaniche temperatura di fusione 1100 C per ghisa bianca 1200 C per ghisa grigia (però è più lavorabile) elevata colabilità durezza ghisa grigia: mediocre buona lavorabilità alle m. u. ghisa bianca: elevata resistenza compressione: elevata trazione: ridotta (per incrementarla: elementi in lega, trattamenti termici) limite di fatica: elevato (rispetto a quello di trazione) elevata capacità smorzante di vibrazioni buona resistenza alla corrosione UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 30

31 Ghise (4/9) Trattamenti termici agiscono sul carbonio combinato, non hanno effetto su quello grafitico ricottura a bassa temperatura per eliminare le tensioni interne che si realizzano durante il raffreddamento per le differenze di spessore riscaldamento a C, raffreddamento lento durata 4 6 ore non incide sulla durezza e sulla lavorabilità ricottura ad alta temperatura per migliorare la lavorabilità (anche per malleabilizzazione ghisa bianca) riscaldamento a C altro tipo di ricottura C su ghisa grigia per ottenere la ghisa sferoidale bonifica trattamento utilizzato per la ghisa sferoidale nitrurazione segue la bonifica e conferisce elevata durezza superficiale UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 31

32 Ghise (5/9) Tipo Denom. Rif.UNI R N/mm 2 A % HB grigia 100 ISO mall. bianca W ISO mall. nera B mall.perlitica P sferoidale ISO sferoidale UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 32

33 Ghise (6/9) Tipo Denom. R kg/mm 2 grigia G 10 UNI G 15 UNI G 20 UNI G 25 UNI G 30 UNI G 35 UNI Tipo Denom. HB grigia per usi aut. Gh 130 UNI Gh 190 UNI Gh 230 UNI UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 33

34 Ghise (7/9) Tipo Denom. R kg/mm 2 HB kg/mm 2 ghisa malleabile bianca GMB 35 UNI GMB 40 UNI GMB 45 UNI GMB 50 UNI GMB 55 UNI GMB 65 UNI GMB 70 UNI UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 34

35 Ghise (8/9) Tipo Denom. R kg/mm 2 HB kg/mm 2 ghisa malleabile nera GMN 35 UNI GMN 37 UNI GMB 45 UNI GMN 50 UNI GMN 55 UNI GMN 65 UNI GMN 70 UNI La ghisa malleabile ha caratteristiche meccaniche prossime a quelle degli acciai UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 35

36 Ghise (9/9) Tipo Denom. R N/mm 2 A % ghisa sferoidale GS UNI GS UNI GS UNI GS UNI GS UNI GS UNI Le ghise meehanite sono ghise in cui la grafite è dispersa in modo uniforme e molto fine Il getto risente meno delle tensioni interne per le differenze di spessori UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 36

37 Alluminio (1/3) Le leghe dell alluminio sono utilizzate in fonderia e per lavorazioni plastiche nell industria meccanica ed aeronautica per la leggerezza (g = 3 kg/dm 3 ) Sono caratterizzate da: elevata resistenza meccanica (R fino a 70 kg/mm 2 ) elevata resistenza alla corrosione (da agenti atmosferici, fumi) elevata conduttività termica elevata conduttività elettrica amagneticità lavorabilità valore di recupero UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 37

38 Alluminio (2/3) Designazione G GD P lega per getti in sabbia e in conchiglia lega per getti colati a pressione lega da lavorazione plastica Elementi di lega: Si aumenta la colabilità (silumin, silafont) Cu aumenta la resistenza meccanica (duralluminio, avional) Zn aumenta resistenza e corrodibilità (ergal) Mg resistenza alla corrosione (peraluman, anticorodal) UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 38

39 Alluminio (3/3) Designazione UNI Trattamento R N/mm 2 A % HB Nome commer. P-AlCu4MgMn 9002 bonificato duralluminio P-AlMn1, estruso aluman P-AlMg4, estruso peraluman P-AlMgSi 9006 ricotto anticorodal P-AlZn4,5Mg 9007 bonificato ergal G-AlSi silumin G-AlCu10FeMg ,5 75 alcufont G-AlZn5MgFe 3602 invecchiato inafond G-AlSi10CuMgNi 3050 bonificato 300 0,4 110 termafond UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 39

40 Magnesio Il magnesio e le sue leghe sono usati per la grande leggerezza (g = 1,8 kg/dm 3 ) Sono distinte in: leghe allo stato di pani leghe allo stato di getti G Gs Gc GD lega allo stato di pani lega per getti in sabbia lega per getti in conchiglia lega per getto colato a pressione GD Mg Al 8,5 Zn Mn UNI UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 40

41 Rame (1/4) Il rame puro è tenero e malleabile, facilmente saldabile, ed ha elevata conduttività termica ed elettrica. Difficoltà di fusione Leghe del rame: Cu + Sn Cu + Zn Bronzi Ottoni UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 41

42 Rame (2/4) Bronzi ordinari Sn dal 2 al 25% (all aumentare di Sn aumenta la durezza e diminuisce la malleabilità) speciali con Al (dal 3 al 10%) tenaci e resistenti alla corrosione fosforosi duri e resistenti all usura al Mn elevata resistenza meccanica ed alla corrosione in mare al Ni inossidabili e fucinabili al Si elevata conducubilità elettrica UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 42

43 Rame (3/4) Ottoni ordinari (binari) Zn dal 10 al 35% (all aumentare di Zn aumenta la durezza e diminuisce la malleabilità) speciali con Al costruzioni navali con Pb lavorazioni alle macchine utensili sono caratterizzati da forte resistenza alla corrosione atmosferica buona saldabilità buona deformabilità a freddo (imbutitura) e a caldo (forgiatura) buona lavorabilità alle macchine utensili UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 43

44 Rame (4/4) Tipo Denom. Rif.UNI R N/mm 2 A % HB bronzo P-CuSn ottone P-CuZn ottone P-CuZn bronzo G-CuSn ottone G-CuZn38Pb bronzo G-CuSn5Zn5Pb UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 44

45 Materiali antifrizione Utilizzati per realizzare cuscinetti a strisciamento (bronzine) Metalli bianchi antifrizione Sn Sb 6,5 Cu 3,5 UNI 4515 Sn Sb 8 Cu 7 UNI 4515 Sn Sb 11 Cu 6 UNI 4515 Sn Sb 11 Cu 9 UNI 4515 Sn Sb 12 Cu 6 Pb 2 UNI 4515 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 45

46 Gomma ed elastomeri La gomma è un materiale naturale che si ottiene vulcanizzando il lattice ottenuto dalla pianta della gomma Gli elastomeri sono invece materiali sintetici ottenuti mediante polimerizzazione (isoprene, neoprene, buna,...) NBR 50, NBR 70 elastomeri a base nitrilica UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 46

47 Documentazione E. Chirone, S. Tornincasa, Disegno Tecnico Industriale, Vol. 1, 2, Edizioni Il Capitello, Torino, 1997 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BERGAMO 47