SISTEMI DI PRODUZIONE

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1 SISTEMI DI PRODUZIONE Dario Antonelli Lezione A3 Introduzione alla 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 1

2 Moduli del corso A: I materiali B: Formatura C: Deformazione D: Taglio e Controllo Numerico E: Altri Processi Lezioni del Modulo A Introduzione al corso Tecnologia di produzione I materiali La misura della durezza Le prove meccaniche distruttive Prove non distruttive La meccanica dei materiali 2

3 I metalli Legame metallico I materiali 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 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 3

4 Legame metallico Ioni positivi Nuvola elettronica negativa 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 4

5 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 Cella elementare Cubica a corpo centrato (CCC) ferro-a (forma allotropica stabile <770 C) vanadio (V), molibdeno (Mo) tungsteno (W) cromo (Cr) Cubica a facce centrate (CFC) ferro-g (forma allotropica C) alluminio (Al) nichel (Ni), argento (Ag), piombo (Pb) cobalto-β (Co- β), rame (Cu) Struttura cristallina esagonale compatta magnesio (Mg) zinco (Zn), cadmio (Cd), berillio (Be) cobalto- a (Co- a ) titanio- a (Ti- a) 5

6 Cristallo cubico a corpo centrato Struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC): cella elementare; modello teorico; cristallo con più celle elementari Grano cristallino Insieme di reticoli con medesimo orientamento Prevalenza strutture policristalline Dimensioni grano incidono su proprietà meccaniche Esempio: dimensioni maggiori deformabilità 6

7 Miscela Un miscuglio è detto omogeneo se i suoi componenti non sono più distinguibili all'osservazione diretta e si presenta in un'unica fase Un miscuglio omogeneo in cui una sostanza è in netta prevalenza rispetto alle altre prende il nome di soluzione I miscugli omogenei possono essere separati solo attraverso passaggi di stato che coinvolgano i componenti in maniera differente Un miscuglio è eterogeneo (o meccanico) se è costituito da due o più fasi La sospensione è un esempio di miscuglio eterogeneo. I miscugli eterogenei possono essere separati più facilmente dei miscugli omogenei, anche attraverso metodi meccanici Soluzione solida Sostanza costituita da una miscela solida omogenea 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 7

8 Lega Una lega è una combinazione, sia in soluzione o in miscela, di due o di più elementi, di cui almeno uno è un metallo Una lega con due componenti è denominata una lega binaria; con tre è una lega ternaria; con quattro è una lega quaternaria Le leghe hanno solitamente proprietà più desiderabili di quelle dei loro componenti Per esempio l'acciaio (lega ferro-carbonio) ha una resistenza meccanica maggiore del ferro, l'ottone (lega rame-zinco) è più duro del rame La temperatura in cui comincia la fusione è denominata solidus e quella in cui la fusione è completa è denominata liquidus. Leghe con un singolo punto di fusione sono definite eutettiche. I trattamenti termici 8

9 Effetto del carbonio sulle proprietà meccaniche Diagramma Fe-C 9

10 Diagramma Fe-C ACCIAIO GHISA Diagramma Fe-C Il diagramma Fe-C esprime le combinazioni (leghe) tra i due elementi Fe e C Le leghe che hanno una percentuale di C fino al 2% sono acciai Leghe oltre il 2% fino al 5% circa sono ghise Leghe oltre il 5% di C non possono essere utilizzate come materiale da costruzione Gli acciai sono arricchiti da altri elementi in lega che conferiscono caratteristiche particolari. 10

11 Proprietà acciaio e ghisa Acciaio Ottima plasticità buona resilienza, buona malleabilità e duttilità Elevata resistenza a trazione, flessione e torsione Buona lavorabilità per asportazione di truciolo Buona colabilità Buona saldabilità Ghisa Elevata durezza ottima resistenza compressione e usura Ottima colabilità molto adatta per getti Elevata fragilità bassa resistenza flessione e torsione, bassa reilienza Ottima lavorabilità per asportazione di truciolo Non adatta a deformazione plastica I trattamenti termici 22 Si possono modificare le proprietà meccaniche dei metalli con cicli termici Operazioni mediante le quali un metallo o una lega metallica viene sottoposto a riscaldamento senza arrivare alla sua fusione e successivo raffreddamento Alla base di molti trattamenti termici sta il diverso comportamento di austenite e martensite 11

12 Austenite L'austenite è una soluzione solida primaria di tipo interstiziale di carbonio nel ferro γ (il quale presenta un reticolo cubico a facce centrate o "CFC"). L'austenite è generalmente stabile solo ad alta temperatura (sopra i 723 C) Può contenere al massimo il 2,06% di carbonio alla temperatura di 1148 C La presenza nella soluzione solida, oltre al ferro e al carbonio, di altri metalli in lega modifica la temperatura minima per ottenere l'austenite Il molibdeno, il cromo e il silicio tendono a innalzarla, mentre il manganese e il nichel tendono ad abbassarla. Nel caso di acciai inossidabili austenitici, l'austenite è stabile a temperatura ambiente. Martensite La martensite è una forma allotropica metastabile dell'acciaio, sovrassatura di carbonio, nel reticolo del ferro α. È una fase che non sussiste in equilibrio, ma può essere ottenuta mediante congelamento strutturale dell'austenite per brusco raffreddamento A temperatura ambiente sarebbe stabile la struttura perlitica, una miscela etereogenea di ferro alfa e cementite (Fe 3 C) il raffreddamento troppo rapido fa sì che la massa metallica "non riesca" ad arrangiarsi nella struttura stabile ferritica Le sue notevoli deformazioni reticolari, che ostacolano il movimento delle dislocazioni, sono la causa prima dell'indurimento. La martensite è una fase che presenta alta durezza e resistenza meccanica ma elevata fragilità 12

13 Principali trattamenti termici 25 Ricottura Tempra Rinvenimento Bonifica Cementazione, nitrurazione Normalizzazione I trattamenti termici 26 C A 3 A 1 Temperatura di fine trasformazione in austenite Temperatura di inizio formazione austenite Tempo 13

14 La ricottura 27 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 La ricottura 28 C A 3 A 1 Raffreddamento lento in forno Tempo 14

15 La ricottura 29 C A 3 A 1 Raffreddamento veloce fino a temperatura ambiente Tempo La tempra 30 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 15

16 La tempra 31 C A 3 A 1 Raffreddamento veloce per ottenere martensite Tempo Il rinvenimento 32 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 16

17 Il rinvenimento 33 C A 3 A 1 Tempo La bonifica 34 C A 3 A 1 TEMPRA RINVENIMENTO Tempo 17

18 La normalizzazione 35 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 La normalizzazione 36 C A 3 A 1 Tempo 18

19 Trattamenti superficiali 37 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) Conversione della superficie 38 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) 19

20 Conversione della superficie 39 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 Trattamenti termici superficiali 40 Comprendono: trattamenti di tempra superficiale trattamenti di diffusione di un elemento nello strato superficiale 20

21 Trattamenti termici superficiali 41 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 Proprietà tecnologiche 21

22 Proprietà tecnologiche dei metalli Deformazione plastica Tribologia Ricristallizzazione Anisotropia Lavoro di deformazione 44 Scorrimento plastico nei metalli Variazione della tensione tangenziale nello scorrimento di un piano atomico sull altro 22

23 Modello ideale scorrimento plastico 45 La deformazione avviene sotto l azione di forze di taglio lungo i piani di scorrimento Difetti puntuali in un reticolo cristallino 46 Autointerstiziale, vacanza, interstiziale, sostituzione 23

24 Difetti lineari: dislocazioni 47 Modello reale scorrimento plastico 48 24

25 Modello di attrito Superficie nominale (Sn) e superficie reale (Sr) di contatto Meccanismi di attrito nei processi di produzione 25

26 Tribologia 51 Definizione di tensione tangenziale di attrito: attrito Modello di Coulomb (coefficiente di attrito): Modello dell adesione (fattore d attrito): a a F S n p a m Y 3 Tribologia m Y 3 a my 3 p 52 26

27 Ricristallizazione 53 Formazione di una nuova struttura cristallina senza tensioni residue Avviene solo a temperature elevate Il tempo di ricristallizazione diminuisce al crescere della temperatura Ricristallizazione 54 Ricristallizazione statica e dinamica Più il materiale è stato deformato più piccolo diventa il grano con la ricristallizazione L anisotropia rimane dopo la ricristallizazione 27

28 Recrystallization and Grain Growth Schematic illustration of the effects of recovery, recrystallization, and grain growth on mechanical properties and on the shape and size of grains. Note the formation of small new grains during recrystallization Deformazione plastica dei grani I grani si allineano lungo la direzione normale alla deformazione. Orientamento preferenziale dei grani 28

29 Anisotropia 57 La deformazione plastica allunga il grano in una sola direzione La resistenza meccanica ora dipende dalla direzione Il materiale è detto anisotropo Anche le proprietà fisiche vengono cambiate (permeabilità magnetica, resistenza elettrica) Due tipi di anisotropia: cristallografica e orientazione delle fibre Il lavoro di deformazione 58 Il lavoro generato durante il processo di deformazione può essere scomposto in: lavoro di deformazione uniforme lavoro ridondante lavoro di attrito L unif L L unif Y V L L rid attr L attr p S c 29

30 Generazione di energia termica 59 Il lavoro di deformazione plastica è irreversibile Il lavoro di deformazione plastica viene trasformato in: calore per il 90% energia di legame per il 10% In condizioni adiabatiche il calore generato provoca un aumento di temperatura del corpo, altrimenti viene scambiato con utensili e macchina utensile I polimeri 30

31 Polimeri 61 Il primo polimero sintetico fu la fenol-formaldeide, un termoindurente sviluppato nel 1906 e chiamato Bakelite. Proprietà dei polimeri 62 I polimeri sono caratterizzati da: bassi valori di densità; resistenza; rigidezza; bassa conducibilità elettrica; elevata resistenza agli agenti chimici; elevata versatilità d impiego; facilità di lavorazione. 31

32 Monomero 63 Il monomero costituisce l elemento costruttivo di base dei polimeri La maggior parte dei monomeri sono materiali organici nei quali gli atomi di carbonio sono legati con altri atomi quali idrogeno, ossigeno, azoto attraverso legami covalenti Etilene 64 Un esempio di monomero è l etilene (C 2 H 4 ). 32

33 Polimerizzazione 65 I processi di polimerizzazione sono molto complessi e sebbene esistano numerose varianti, i due processi fondamentali sono: Polimerizzazione per condensazione Polimerizzazione per addizione Polimerizzazione per condensazione I polimeri vengono ottenuti attraverso la formazione di legami tra due tipi di monomeri reagenti. Si ha la condensazione di acqua come sottoprodotto della reazione. Un esempio di polimerizzazione per condensazione è data dalla formazione della bachelite. 33

34 Polimerizzazione per addizione I legami hanno luogo senza sottoprodotti di reazione. Perché la reazione avvenga, è necessario introdurre un iniziatore per aprire il doppio legame tra gli atomi di carbonio. I monomeri di etilene si legano mediante una polimerizzazione per addizione per formare il polietilene. Catene polimeriche Nel corso della polimerizzazione, i monomeri vengono uniti attraverso un legame covalente formando così una catena polimerica. Le catene polimeriche possono avere strutture differenti. 34

35 I polimeri Si possono distinguere 3 categorie di polimeri: materiali termoplastici materiali termoindurenti elastomeri Struttura dei polimeri 35

36 Materiali termoplastici Per essere portati allo stato di plastificazione e modellati, richiedono calore. Il polimero ritorna alla sua originale durezza se viene successivamente raffreddato; in altre parole, gli effetti del processo sono reversibili. Cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento dei termoplastici possono causarne la degradazione (invecchiamento termico). Un esempio di polimero termoplastico è il polistirene: Materiali termoindurenti Quando le lunghe catene di un polimero vengono reticolate nelle tre dimensioni, la struttura diventa un unica molecola gigante con forti legami covalenti (polimeri termoindurenti). Reazione di reticolazione irreversibile: un successivo riscaldamento non modifica la forma. 36

37 Elastomeri Gli elastomeri sono materiali in grado di recuperare in modo sostanziale le dimensioni e la forma originaria dopo che un carico, ad esso applicato, è stato rimosso. La vulcanizzazione 74 Lo zolfo crea un legame di saldatura forte fra le macromolecole della gomma naturale 37

38 Volume specifico Volume specifico 29/04/2016 Il processo di solidificazione 75 Solido vetroso T g T m T C Il processo di solidificazione 76 Liquido viscoelastico T g T m T C 38

39 Volume specifico Volume specifico 29/04/2016 Il processo di solidificazione 77 Liquido viscoso T g T m T C Il processo di solidificazione 78 Termoplastici amorfi Termoplastici cristallini T g T m T C 39

40 Requisiti di un materiale polimerico 79 Un polimero termoplastico amorfo Un polimero termoindurente T g < T esercizio T esercizio < T g rigidezza T esercizio > T g deformabilità Caratteristiche fisico chimiche 80 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) 40

41 Sommario della lezione 81 La struttura metallica Il reticolo cristallino I metalli: tipologie I metalli: i trattamenti termici I materiali polimerici 41