I materiali. I materiali. Introduzione al corso. Tecnologia di produzione. I materiali. La misura della durezza

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1 Introduzione al corso Tecnologia di produzione La misura della durezza Le prove meccaniche distruttive Prove non distruttive La meccanica dei materiali Politecnico di Torino 1

2 Obiettivi della lezione Conoscere gli elementi caratteristici di metalli e polimeri Distinguere i campi di impiego dei diversi materiali in funzione delle loro caratteristiche chimico-fisiche Conoscere l effetto dei principali trattamenti termici e superficiali Saper valutare l effetto della temperatura sulla formazione dei legami polimerici 3 Bibliografia per la lezione Sistemi di Produzione A. Villa, G. Murari, D. Antonelli C.L.U.T. Editrice, 2004 capitolo 2 paragrafi 1 e 2 Tecnologia Meccanica e Studi di Fabbricazione Santochi, Giusti Casa Editrice Ambrosiana, 2000 capitolo 3 paragrafi 4 e Politecnico di Torino 2

3 La struttura metallica Il reticolo cristallino I metalli: tipologie I metalli: i trattamenti termici polimerici Politecnico di Torino 3

4 Classificazione dei materiali Materiali metallici Materiali di natura organica (Plastiche) Materiali di natura inorganica (Ceramiche) 7 Modello di Bohr hanno una struttura atomica: le caratteristiche fisiche e chimiche di un atomo dipendono dal numero e dalla disposizione orbitale degli elettroni di valenza Politecnico di Torino 4

5 Modello di Bohr hanno una struttura atomica: le caratteristiche fisiche e chimiche di un atomo dipendono dal numero e dalla disposizione orbitale degli elettroni di valenza un atomo da cui è stato rimosso un elettrone è denominato ione 9 Legame metallico Uno o più elettroni si allontanano dall atomo originario e vengono condivisi tra più atomi vicini creando un numero elevato di ioni positivi immersi in una nuvola di cariche negative Politecnico di Torino 5

6 Legame metallico Ioni positivi 11 Legame metallico Nuvola elettronica negativa Politecnico di Torino 6

7 Legame metallico Gli elettroni costituiscono cariche vaganti negative che si insinuano nello spazio liberato dagli ioni positivi 13 Legame metallico Gli elettroni costituiscono cariche vaganti negative che si insinuano nello spazio liberato dagli ioni positivi La coesione è stabilita dalle forze di attrazione tra la nuvola elettronica e gli ioni Politecnico di Torino 7

8 Legame metallico Gli elettroni costituiscono cariche vaganti negative che si insinuano nello spazio liberato dagli ioni positivi La coesione è stabilita dalle forze di attrazione tra la nuvola elettronica e gli ioni Se gli ioni si allontanano tra loro, la nuvola elettronica tende a fissarli in equilibrio stabile, secondo distanze ben definite Politecnico di Torino 8

9 La struttura metallica Il reticolo cristallino I metalli: tipologie I metalli: i trattamenti termici polimerici 17 Il reticolo cristallino La struttura che si presenta è composta da un elevato numero di ioni metallici distribuiti nello spazio a formare il reticolo cristallino Politecnico di Torino 9

10 Il reticolo cristallino La struttura che si presenta è composta da un elevato numero di ioni metallici distribuiti nello spazio a formare il reticolo cristallino La più piccola porzione di volume che ripetuta riempie completamente il reticolo, è denominata cella unitaria o elementare 19 Forma della cella elementare Cubica a corpo centrato (CCC) Cubica a facce centrate (CFC) Struttura cristallina esagonale compatta Politecnico di Torino 10

11 Forma della cella elementare Cubica a corpo centrato (CCC) ferro-α (forma allotropica stabile fino a 770 C) vanadio (V) molibdeno (Mo) tungsteno (W) cromo (Cr) 21 Forma della cella elementare Cubica a facce centrate (CFC) ferro-γ : forma allotropica tra C alluminio (Al) nichel (Ni) argento (Ag) piombo (Pb) cobalto-ß (Co- ß) rame (Cu) Politecnico di Torino 11

12 Forma della cella elementare Struttura cristallina esagonale compatta magnesio (Mg) zinco (Zn) cadmio (Cd) berillio (Be) cobalto- α (Co- α ) titanio- α (Ti- α) 23 Il grano cristallino Rappresenta l insieme di reticoli con medesimo orientamento che compongono il metallo Politecnico di Torino 12

13 Il grano cristallino Rappresenta l insieme di reticoli con medesimo orientamento che compongono il metallo La maggior parte dei metalli è costituita da strutture policristalline 25 Il grano cristallino Rappresenta l insieme di reticoli con medesimo orientamento che compongono il metallo La maggior parte dei metalli è costituita da strutture policristalline Le dimensioni dei grani cristallini incidono sulle proprietà meccaniche dei metalli Politecnico di Torino 13

14 Il grano cristallino Rappresenta l insieme di reticoli con medesimo orientamento che compongono il metallo La maggior parte dei metalli è costituita da strutture policristalline Le dimensioni dei grani cristallini incidono sulle proprietà meccaniche dei metalli Ad esempio a dimensioni maggiori del grano corrisponde una più facile deformabilità 27 Lo scorrimento plastico La deformazione avviene sotto l azione di forze di taglio lungo i piani di scorrimento Politecnico di Torino 14

15 Lo scorrimento plastico La deformazione avviene sotto l azione di forze di taglio lungo i piani di scorrimento 29 Lo scorrimento plastico La deformazione avviene sotto l azione di forze di taglio lungo i piani di scorrimento Politecnico di Torino 15

16 La struttura metallica Il reticolo cristallino I metalli: tipologie I metalli: i trattamenti termici polimerici Politecnico di Torino 16

17 Tipologie dei metalli Le tipologie dei metalli sono determinate dalle sostanze presenti nella composizione della lega 33 Tipologie dei metalli Le tipologie dei metalli sono determinate dalle sostanze presenti nella composizione della lega La classificazione dipende dalla struttura cristallina del metallo Politecnico di Torino 17

18 Le leghe Le tipologie dei metalli sono determinate dalle sostanze presenti nella composizione della lega La classificazione dipende dalla struttura cristallina del metallo Lega aggregato cristallino dalle proprietà metalliche composto da elementi chimici di cui almeno uno è un metallo 35 Soluzione solida Sostanza costituita da un composto solido omogeneo di atomi che occupano nel reticolo posizioni statisticamente arbitrarie Politecnico di Torino 18

19 Soluzione solida di sostituzione Sostanza costituita da un composto solido omogeneo di atomi che occupano nel reticolo posizioni statisticamente arbitrarie è di sostituzione quando atomi di soluto sostituiscono atomi di solvente nel reticolo cristallino del solvente 37 Soluzione solida interstiziale Sostanza costituita da un composto solido omogeneo di atomi che occupano nel reticolo posizioni statisticamente arbitrarie è di sostituzione quando atomi di soluto sostituiscono atomi di solvente nel reticolo cristallino del solvente è interstiziale quando atomi di soluto occupano le posizioni libere fra gli interstizi degli atomi del solvente Politecnico di Torino 19

20 Altre tipologie di metalli Fase intermedia struttura cristallina diversa da quella degli elementi che compongono la lega Politecnico di Torino 20

21 La struttura metallica Il reticolo cristallino I metalli: tipologie I metalli: i trattamenti termici polimerici 41 I trattamenti termici Si possono modificare le proprietà meccaniche dei metalli con cicli termici Politecnico di Torino 21

22 I trattamenti termici Si possono modificare le proprietà meccaniche dei metalli con cicli termici Operazioni mediante le quali un metallo o una lega metallica viene sottoposto a cicli termici senza arrivare alla sua fusione 43 I trattamenti termici Ricottura Tempra Rinvenimento Bonifica Cementazione, nitrurazione Normalizzazione Politecnico di Torino 22

23 I trattamenti termici C Tempo 45 I trattamenti termici C A 1 Temperatura di inizio formazione austenite Tempo Politecnico di Torino 23

24 I trattamenti termici C A 3 A 1 Temperatura di fine trasformazione in austenite Tempo 47 La ricottura Un riscaldamento a temperatura elevata seguito da un raffreddamento lento in aria o in forno per rendere più omogeneo e lavorabile il materiale Diminuisce la resistenza ma aumenta la lavorabilità Politecnico di Torino 24

25 La ricottura C A 3 A 1 Tempo 49 La ricottura C A 3 A 1 Raffreddamento lento in forno Tempo Politecnico di Torino 25

26 La ricottura C A 3 A 1 Raffreddamento veloce fino a temperatura ambiente Tempo 51 La tempra Un riscaldamento a temperatura elevata ( C) è seguito da raffreddamento rapido in acqua od olio L'acciaio assume elevate caratteristiche di durezza e di resistenza meccanica, ma accompagnate da fragilità a causa della struttura martensitica Politecnico di Torino 26

27 La tempra C A 3 A 1 Tempo 53 La tempra C A 3 A 1 Raffreddamento veloce per ottenere martensite Tempo Politecnico di Torino 27

28 Il rinvenimento Riscaldamento intorno a C sotto la temperatura di inizio formazione di austenite Raffreddamento controllato per aggiungere agli effetti della tempra una buona tenacità, riducendo la durezza e la fragilità 55 Il rinvenimento C A 3 A 1 Tempo Politecnico di Torino 28

29 La bonifica C A 3 A 1 TEMPRA RINVENIMENTO Tempo 57 La normalizzazione Ad un riscaldamento a temperature di tempra è seguito un raffreddamento in aria per attenuare la durezza eccessiva conseguente al primo trattamento Rende omogenea la struttura dell acciaio eliminando le tensioni interne Politecnico di Torino 29

30 La normalizzazione C A 3 A 1 Tempo 59 Trattamenti superficiali Cambiano solo le proprietà della superficie del pezzo I principali trattamenti sono: per rimozione dello strato superficiale (meccanica, mediante solventi) per conversione della superficie (ossidazione, anodizzazione, fosfatazione, cromatura) termici (cementazione, nitrurazione) per deposizione (elettrochimica, meccanica) Politecnico di Torino 30

31 Conversione della superficie Questi trattamenti hanno lo scopo di aumentare la resistenza alla corrosione Ossidazione con mezzi chimici o mediante riscaldamento ad elevata temperatura della superficie del pezzo (acciaio) 61 Conversione della superficie Questi trattamenti hanno lo scopo di aumentare la resistenza alla corrosione Ossidazione con mezzi chimici o mediante riscaldamento ad elevata temperatura della superficie del pezzo (acciaio) Anodizzazione dell alluminio ossidazione controllata della superficie dell alluminio per immersione in soluzione acquosa collegamento di un generatore di tensione all anodo Politecnico di Torino 31

32 Trattamenti termici superficiali Comprendono: trattamenti di tempra superficiale trattamenti di diffusione di un elemento nello strato superficiale 63 Trattamenti termici superficiali Comprendono: trattamenti di tempra superficiale trattamenti di diffusione di un elemento nello strato superficiale I trattamenti di diffusione sono: aggiunta di carbonio all acciaio allo stato austenitico (carbocementazione) aggiunta di azoto a 500 C (nitrurazione) per formare dei nitrati con gli elementi leganti presenti nell acciaio Politecnico di Torino 32

33 La struttura metallica Il reticolo cristallino I metalli: tipologie I metalli: i trattamenti termici polimerici Politecnico di Torino 33

34 Caratteristiche principali Elevato rapporto resistenza/massa Basso costo Bassa conducibilità elettrica Alta resistenza agli agenti chimici Elevato coefficiente di dilatazione termica Elevata versatilità d impiego Facilità di lavorazione 67 I polimeri Termoplastici ottenuti per processo di calore si possono modellare più volte Politecnico di Torino 34

35 I polimeri Termoplastici Termoindurenti modellazione per reticolazione il materiale base è allo stato liquido non si può rimodellare il materiale 69 I polimeri Termoplastici Termoindurenti Elastomeri comportamento elastico dei modelli siliconi, gomme Politecnico di Torino 35

36 La vulcanizzazione Lo zolfo crea un legame di saldatura forte fra le macromolecole della gomma naturale 71 Il processo di solidificazione Volume specifico T g T m T C Politecnico di Torino 36

37 Il processo di solidificazione Volume specifico Temperatura di transizione vetrosa T g T m T C 73 Il processo di solidificazione Volume specifico Temperatura di fusione T g T m T C Politecnico di Torino 37

38 Il processo di solidificazione Volume specifico Solido vetroso T g T m T C 75 Il processo di solidificazione Volume specifico Liquido viscoelastico T g T m T C Politecnico di Torino 38

39 Il processo di solidificazione Volume specifico Liquido viscoso T g T m T C 77 Il processo di solidificazione Volume specifico Termoplastici cristallini T g T m T C Politecnico di Torino 39

40 Il processo di solidificazione Termoplastici amorfi Volume specifico T g T m T C 79 Requisiti per un materiale polimerico Un polimero termoplastico amorfo T g < T esercizio Politecnico di Torino 40

41 Requisiti per un materiale polimerico Un polimero termoplastico amorfo T g < T esercizio Un polimero termoindurente T esercizio < T g rigidezza T esercizio > T g deformabilità 81 Caratteristiche fisico chimiche Bassa densità (< 1 Kg/dm 3 ) Resistenza a trazione su valori (R M < 70 MPa) Resistenza all urto ( J/m) Capacità di isolamento elettrico (15 70 V/m) Bassa T massima ( C) eccetto il teflon (290 C) Politecnico di Torino 41

42 Sommario della lezione La struttura metallica Il reticolo cristallino I metalli: tipologie I metalli: i trattamenti termici polimerici Domande di riepilogo Politecnico di Torino 42