î... IN QUESTA LEZIONE MATERIALI PROF. CATERINA RIZZI DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA GESTIONALE, Concetti generali Materiali Designazione dei materiali

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1 MATERIALI PROF. CATERINA RIZZI DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA GESTIONALE, DELL INFORMAZIONE E DELLA PRODUZIONE... IN QUESTA LEZIONE Concetti generali Materiali Acciaio, Ghisa, Alluminio, Rame, etc. Designazione dei materiali 1

2 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 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,... 2

3 CONCETTI GENERALI (3/5) La scelta dei materiali dipende resistenza meccanica è 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 è resistenza a trazione CONCETTI GENERALI (4/5) Resistenza a trazione F forza agente in senso assiale Provino 3

4 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 è lavoro necessario per spezzare un provino è indice della fragilità del materiale durezzasuperficiale è valutata mediante l impronta lasciata da un penetratore di forma diversa (durezza Brinell HB, Rockwell HRC, Vickers HV) 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 4

5 ACCIAI TRATTAMENTI TERMICI (1/5) I trattamenti termici modificano la struttura del materiale ACCIAI TRATTAMENTI TERMICI (2/5) I principali trattamenti termici sono: ricottura (e normalizzazione) 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 tempra 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 5

6 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 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 resistenzaall usura) carbonitrurazione arricchimento superficiale di carbonio e azoto nitrurazione arricchimento superficiale di azoto sulfinizzazione diffusione di zolfo e formazione superficiale di solfuri di ferro 6

7 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 ACCIAI DESIGNAZIONE (1/11) 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 Alcune differenze rispetto alla UNI EN 27 Designazione acciai: ANALOGICO - SIGLE LETTERALI E NUMERI - UNI EU 10027/1 - suddivide acciai in due gruppi: Impiego e caratteristiche meccaniche o fisico-chimiche Composizione chimica SEQUENZIALE che classifica materiali con CIFRE che rimandano a tabelle 7

8 ACCIAI DESIGNAZIONE (2/11) Metodo ANALOGICO (I Gruppo) (G) Una o due lettere Indicazione quantitativa oppure Simbolo alfabetico - Indicazione qualitativa Acciaio per getti Impiego Valore di un carico limite unitario (snervamento o rottura) o di una durezza Proprietà meccanica o fisico-chimica Es. E 360, G S 235 ACCIAI DESIGNAZIONE (3/11) Metodo ANALOGICO (mettere TABELLA) 8

9 ACCIAI DESIGNAZIONE (4/11) Metodo ANALOGICO (II Gruppo Composizione chimica ) Suddivisione in - Acciai non legati - Acciai debolmente legati - Acciai legati - Acciai rapidi ACCIAI DESIGNAZIONE (5/11) Metodo ANALOGICO (II Gruppo) Suddivisione in - Acciai non legati: tenore manganese < 1% C % carbonio x100 Es. C 40 - Acciai debolmente legati - Acciai legati - Acciai rapidi 9

10 ACCIAI DESIGNAZIONE (6/11) Metodo ANALOGICO (II Gruppo) Suddivisione in - Acciai non legati: tenore mangamese < 1% - Acciai debolmente legati: - Acciai non legati con tenore di manganese >= 1% - Acciai legati con elementi con tenore < 5% - Acciai non legati a lavorabilità migliorata 100x%C Simboli elementi chimici presenti Concetrazioni elementi moltiplicate per relativo fattore (4, 10, 100, 1000) gli elementi sono indicati in ordine decrescente di concentrazione i tenori percentuali sono separati da un trattino (-) Es. 18 NiCr 16 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 10

11 ACCIAI DESIGNAZIONE (7/11) Metodo ANALOGICO (II Gruppo) Suddivisione in - Acciai non legati: tenore mangamese < 1% - Acciai debolmente legati - Acciai legati: almeno un elemento con tenore >5% X 100x%C Simboli elementi chimici presenti Concetrazioni degli elementi gli elementi sono indicati in ordine decrescente di concentrazione i tenori percentuali sono separati da un trattino (-) Es. X 10 CrNi ACCIAI DESIGNAZIONE (8/11) Metodo ANALOGICO (II Gruppo) Suddivisione in - Acciai non legati: tenore mangamese < 1% - Acciai debolmente legati - Acciai legati: almeno un elemento con tenore >5% - Acciai rapidi HS %W-%Mo-%V-%Co - Es: HS

12 ACCIAI DESIGNAZIONE (9/11) Metodo ANALOGICO (II Gruppo) ACCIAI DESIGNAZIONE (10/11) Metodo NUMERICO UNI EN 10027/2 Numero fisso di cifre X. XX XX Numero sequenziale assegnato alla specifica lega Numero di gruppo del materiale (acciai = 1) Numero di gruppo relativo alla classe di appartenenza 12

13 ACCIAI DESIGNAZIONE (11/11) Metodo NUMERICO ACCIAI DESIGNAZIONE UNI EN 27 (1/9) Classificazione secondo UNI EN 27 acciaidesignati in base alle caratteristiche meccaniche o di impiego acciaidesignati in base alla composizione chimica 13

14 ACCIAI DESIGNAZIONE UNI EN 27 (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 ACCIAI DESIGNAZIONE UNI EN 27 (3/9) Acciai designati in base alle caratteristiche di impiego Fe lettera numero (impiego) Es. Fe B 2 B = acciaio per cemento armato 14

15 ACCIAI DESIGNAZIONE UNI EN 27 (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%) ACCIAI DESIGNAZIONE UNI EN 27 (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 15

16 ACCIAI DESIGNAZIONE UNI EN 27 (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 ACCIAI DESIGNAZIONE UNI EN 27 (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 16

17 ACCIAI DESIGNAZIONE UNI EN 27 (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 rugosa L liscia N lucida ACCIAI DESIGNAZIONE UNI EN 27 (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 17

18 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 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 18

19 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 ð temprabili, Cr fino a 13% ferritici ð non temprabili, Cr dal 14% al 30%, stampabili, magnetici austenitici ð 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 applicazioniparticolari resistenti alle t elevate, per applicazioni criogeniche, per valvole, al Pb e/o S per migliorare la lavorabilità, ACCIAI CLASSIFICAZIONE (4/4) Acciai per uso generale (indicati in base alla resistenza) sono commercializzati con svariate forme ð lamiere, barre, tubi, profilati (a L, a T, ) per particolari lavorazioni ð imbutitura, tranciatura, La normativa prevede tabelle non tanto per i materiali quanto per i semilavorati Molti produttori indicano i materiali con sigle proprie 19

20 GHISE (1/5) 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 GHISE (2/5) Classificazione (sulla base della ripartizione fra carbonio allo stato di grafite oppure combinato) ghise grigie da fonderia: 3-3,5 % C lamellare, 1-1,5 % Si ghise bianche: C è presente prev. come carburi di ferro ghise malleabili ghise sferoidali; grafite uniformemente diffusa sottoforma di particelle di forma sferoidale ghise meehanite, aciculari,... 20

21 GHISE (3/5) 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 ð 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 GHISE (4/5) Trattamenti termici agiscono sul carbonio combinato, non hanno effetto su quello grafitico ricottura a bassa temperatura ð 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 ð 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 21

22 GHISE (5/5) 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) elevataconduttività termica elevataconduttività elettrica amagneticità lavorabilità valore di recupero 22

23 ALLUMINIO (2/3) Elementi di lega: Si ð aumenta la colabilità (silumin, silafont) Cu ð aumenta la resistenza meccanica (duralluminio, avional) Zn ð aumenta resistenza e corrodibilità (ergal) Mg ð resistenza alla corrosione (peraluman, anticorodal) 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 13 EN silumin G-AlCu10FeMg ,5 75 alcufont G-AlZn5MgFe 3602 invecchiato inafond G-AlSi10CuMgNi 3050 bonificato 300 0,4 110 termafond 23

24 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 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%) ð tenaci e resistenti alla corrosione fosforosi ð duri e resistenti all usura al Mn ð elevata resistenza meccanica ed alla corrosione in mare al Ni ð inossidabili e fucinabili al Si ð elevata conducubilità elettrica 24

25 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 ð costruzioni navali con Pb ð 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 RAME (4/4) 25

26 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 DESIGNAZIONE DELLE LEGHE G P Simbolo chimico metallo di base Simboli principali elementi chimici presenti Percentuale di presenza G per getti e P lavorazione plastica Es. P-AlCu4, G-CuSn10 Eventuali lettere e numeri percondizioni di fornitura, trattamenti ed altre caratteristiche 26

27 DOCUMENTAZIONE Sito Web del corso E. Chirone, S. Tornincasa, Disegno Tecnico Industriale, Vol. 1, 2, Edizioni Il Capitello, Torino,