Le proprietà dei Materiali

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1 Le proprietà dei Materiali INGEGNERIA INDUSTRIALE

2 Proprietà dei Materiali Ogni materiale può essere pensato come un insieme di attributi - proprietà Non è un materiale per sé che il progettista cerca ma una specifica combinazione di attributi Con il nome di un materiale identifichiamo un particolare profilo di proprietà

3 Proprietà dei Materiali

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5 Proprietà generali costo specifico dei materiali (eur/kg) (2013) Gold Silver Price (EUR/kg) Aluminum nitride Silica glass Granite Ceramic foam Rigid Polymer Foam (HD) Tungsten alloys Titanium alloys Nickel-based superalloys Polyetheretherketone (PEEK) Polytetrafluoroethylene (Teflon, PTFE) Polyhydroxyalkanoates (PHA, PHB) Stainless steel 1 Cork Cast Al-alloys Polypropylene (PP) Polyethylene (PE) Softwood: pine, across grain Phenolics 0.1 Cement Plywood Low carbon steel Polyvinylchloride (tppvc) Concrete Ceramics and glasses Hybrids: composites, foams, natural materials Metals and alloys Polymers and elastomers

6 Proprietà generali densità dei materiali (g/cm 3 )

7 Proprietà meccaniche rigido resistente tenace - leggero poco rigido: maggiore E poco resistente: maggiore s poco tenace: maggiore K troppo pesante: minore r

8 La prova di trazione

9 Le proprietà elastiche: Moduli MODULO ELASTICO trazione o compressione MODULO DI TAGLIO taglio MODULO DI POISSON rapporto tra def. laterale e def. assiale lat ax La misura accurata del modulo elastico si ottiene con sistemi dinamici: modi vibrazionali o velocità del suono

10 Le proprietà elastiche: Moduli In un MATERIALE ISOTROPO vale la relazione: G E 2 1 METALLI/CERAMICI ELASTOMERI 1/3 1/2 G 3/8 E G 1/3 E

11 Moduli elastici

12 Resistenza Meccanica s: assume un significato diverso secondo i materiali METALLI: È la tensione di snervamento (deformazioni plastiche permanenti: 0,2% della deformazione) sy è uguale in trazione o in compressione

13 Resistenza Meccanica s: assume un significato diverso secondo i materiali POLIMERI: la tensione a cui si perde la linearità sforzi/deformazioni sc 1,2 st

14 Resistenza Meccanica s: assume un significato diverso secondo i materiali CERAMICI: è la tensione di rottura sc= st

15 Resistenza Meccanica s: assume un significato diverso secondo i materiali CERAMICI (materiali fragili): si usa il MoR MoR = sfles 1.3st

16 Resistenza Meccanica s: assume un significato diverso secondo i materiali MATERIALI COMPOSITI: una «deviazione» dello 0.5% si considera il limite del comportamento lineare-elastico (a trazione) I compositi con fibre sono meno resistenti a compressione che a trazione (<30%) per effetto del piegamento delle fibre

17 Resistenza Meccanica s: assume un significato diverso secondo i materiali Nel caso di carichi MULTIASSIALI abbiamo bisogno di un sistema per comporre le sollecitazioni METALLI: Von Mises o Tresca σ 1 σ σ 2 σ σ 3 σ 2 1 = 2σ2 eq σ 1 σ 3 = σ eq (σ 1 > σ 2 > σ 3 )

18 Resistenza Meccanica s: assume un significato diverso secondo i materiali Nel caso di carichi MULTIASSIALI abbiamo bisogno di un sistema per comporre le sollecitazioni POLIMERI: Von Mises modificato σ 1 σ σ 2 σ σ 3 σ 1 2 = 2σ eq 2 β 2 K = mod. di compr. cubica p = 1 3 σ 1 + σ 2 + σ βp K 2

19 Resistenza Meccanica s: assume un significato diverso secondo i materiali Nel caso di carichi MULTIASSIALI abbiamo bisogno di un sistema per comporre le sollecitazioni CERAMICI: legge di flusso di Coulomb σ 1 Bσ 2 = C B, C =costanti

20 Resistenza Meccanica Carico unitario di Rottura a trazione Mat. DUTTILI: il valore max nel diagramma su= 1,1-3 sy Mat. FRAGILI: la tensione di rottura su= sy

21 Tensile strength (MPa) Resistenza Meccanica s: assume un significato diverso secondo i materiali Tungsten alloys Silicon nitride Stainless steel 1000 Zirconia CFRP, epoxy matrix (isotropic) High carbon steel GFRP, epoxy matrix (isotropic) Polyamides (Nylons, PA) 100 Leather Copper Silica glass Cast Al-alloys 10 Granite Plywood Tin Polychloroprene (Neoprene, CR) 1 Silicone elastomers (SI, Q) Concrete Ceramics and glasses Hybrids: composites, foams, natural materials Metals and alloys Polymers and elastomers

22 Durezza H = P/A è una misura della resistenza locale che un materiale oppone alla penetrazione H 3su H MPa H v kg/mm 2 H V = H 10 durezza Vickers

23 Tenacità alla frattura È la misura della resistenza offerta da un materiale alla propagazione di una cricca Fattore intensità degli sforzi K IC Ys C c Tenacità: energia di frattura G IC 2 K IC E (1 )

24 Tenacità: La prova di impatto

25 Tenacità dei materiali

26 Fatica Azione ripetuta di carichi variabili: rottura del materiale per fatica. I carichi applicati possono anche essere inferiori al carico di snervamento o di rottura. Il processo implica l apparizione di una cricca che si propaga col ripetersi delle sollecitazioni, fino a raggiungere la sua lunghezza critica e provocare la rottura del materiale. Dse = valore di soglia: la frattura avviene per un numero molto elevato di cicli

27 Proprietà Termiche Temperatura di fusione: Tm Temperatura di trans. vetrosa: Tg Intensità dei legami chimici nei soildi Temperatura di impiego massima: Tmax (degradazione, ossidazione, creep,..) Temperatura di impiego minima: Tmin (fragilità)

28 Proprietà Termiche Conducibilità termica: (W/mK) q dt dx Condizioni stazionarie Diffusività termica: a (m 2 /s) a r C p Condizioni transitorie Coeff. di espansione termica lineare: a (K -1 ) DL a 1 L DT

29 Proprietà elettriche Resistività elettrica e conducibilità

30 Proprietà elettriche materiali conduttori materiali isolanti materiali semi conduttori

31 Proprietà elettriche