PROPRIETA DEI MATERIALI

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1 PROPRIETA DEI MATERIALI Tutti i materiali sono caratterizzati da caratteristiche o proprietà particolari che ne influenzano l uso. La conoscenza di queste proprietà, permette di utilizzare il materiale più idoneo per raggiungere lo scopo e l impiego voluto. Quindi, si può affermare, che la scelta di un materiale dipende dalle sue proprietà, che si possono distinguere nelle seguenti: PROPRIETA CHIMICHE PROPRIETA FISICHE PROPRIETA MECCANICHE PROPRIETA TECNOLOGICHE PROPRIETA CHIMICHE Le proprietà chimiche riguardano la composizione chimica dei metalli e della loro struttura interna (distribuzione atomica, struttura cristallina,) ed il comportamento a contatto con gli acidi, con l aria, con l acqua ecc. PROPRIETA FISICHE Le proprieta fisiche di un materiale si riferiscono alle sue caratteristiche generali, in relazione agli agenti esterni, quali il calore, la gravità, l elettricità, ecc. PROPRIETA MECCANICHE Le proprietà meccaniche riguardano la capacità dei materiali di resistere all azione di forze o sollecitazioni esterne (pressione, urti, trazioni, ecc.) PROPRIETA TECNOLOGICHE Le proprietà tecnologiche mostranol attitudine dei materiali a subire varie lavorazioni con cui vengono prodotti pezzi meccanici. Le proprietà di un materiale possono essere scomposte in altre sottoproprietà che vanno a caratterizzare il comportamento dello stesso materiale in base all uso che ne viene fatto. La tabella che segue riassume tutte le proprietà e sottoproprietà di un materiale e la loro importanza al fine dell uso quotidiano. PhD ing. Gino Lopardo Pagina 1

2 TABELLA PROPRIETA DEI MATERIALI ANALISI DI ALCUNI ASPETTI DELLE DIVERSE PROPRIETA Proprietà chimiche A. resistenza alla corrosione: è la capacità che ha un materiale a non dar luogo a reazioni chimiche a contatto con gli elementi presenti nell ambiente. La corrosione dei metalli comporta la disgregazion ne della loroo struttura cristallina a causa di processi chimici. Tra i metodi più diffusi di protezione dallaa corrosione ricordiamo la zincatura, sia per immersione a caldo che elettrolitica, la verniciatura ed i rivestimenti con materialee plastico B. Tossicità : dipende dalla possibilità che esso ha di formare prodotti nocivi quando reagisce con l aria o con l acqua. Il piombo ad esempio è particolarmente pericoloso per la salute, infattii gli ossidi di piombo, se ingeriti, possono provocare gravi danni. Le pentole in rame, a contatto con gli acidi della frutta o con l aceto formano il verderame, che è tossico. Proprietà fisiche : Ai fini dello studio della Scienze e Tecnologie Applicate, le più importanti sono: - Massa volumica - Dilatazione termica Pagina 2

3 - Calore specifico - Conducibilità termica - Conducibilità elettrica - Punto di fusione Massa volumica: E il rapporto tra la massa di un corpo omogeneo ed il suo volume: ρ= M / V [kg/m 3 ] Dilatazione termica: esprime le variazioni di volume di un corpo solido, non soggetto a sollecitazioni meccaniche sensibili, per effetto di variazioni di temperatura. La dilatazione può essere: - lineare (una dimensione prevalente come nei fili e nelle barre) - superficiale (due dimensioni prevalenti come nelle lamiere) - volumetrica (tre dimensioni prevalenti come nei solidi in genere) Prendendo in considerazione solo il caso della dilatazione lineare, un corpo metallico rettilineo di lunghezza L 0, in seguito ad un aumento di temperatura ΔT, subisce un allungamento ΔL dato da: ΔL = αl L0 ΔT [m] dove αl rappresenta il coefficiente di dilatazione termica lineare (si ricava sperimentalmente). Il coefficiente di dilatazione termica lineare indica l allungamento subito da un solido lungo 1 metro per effetto dell aumento di temperatura di 1 grado centigrado (o di 1 Kelvin). Di questo fenomeno bisogna tener conto in tutti gli accoppiamenti dove entrano in gioco elevate temperature Calore specifico: è la quantità di calore che occorre fornire ad 1 kg di materiale, per aumentare la temperatura di 1 C. Q = Cm ΔT M [J] dove Cm misurato in [J / (kg K)] rappresentail calore specifico, Q la quantità di calore fornita al materiale, ΔT l aumento di temperatura ed M la massa. Conducibilità termica : indica l attitudine di un materiale a trasmettere il calore. Ciò si verifica all interno di un corpo tra punti a diversa temperatura. Attraverso una lastra di Superficie S e di spessore s, tra le cui facce esiste una differenza di temperatura ΔT, nel tempo t passa una quantità di calore Q dato dalla relazione: Q = (kt S ΔT t) / s [J] dove kt misurato in [(J / m C) s] é il coefficiente di conducibilità termica. PhD ing. Gino Lopardo Pagina 3

4 Conducibilità elettrica: esprimee l attitudine di un materiale a trasmettere la corrente elettrica. La resistenza che un conduttore oppone al passaggio della correntee elettrica è direttamente proporzionale alla lunghezza L del conduttore stesso ed inversamente proporzionale alla sua sezionee trasversalee S: R = ρ L/S [Ω] dove ρ = R S/L è la resistività, cioè la resistenza offerta da un conduttore avente sezione e lunghezza unitaria L inverso della resistenza esprime la conducibilità elettrica del materiale: Ce = 1/R Punto di fusione: è la temperatura alla quale un materiale comincia a passare dallo stato solido allo stato liquido. Nei metalli puri e in alcune leghee la fusione (e la solidificazione) avvengono a temperatura costante. Proprietà meccaniche Per proprietà meccanica si intende l attitudine dei materiali a resistere a sollecitazioni esterne che tendono a deformarli. Per determinarle si ricorre a prove di laboratorio, tutte effettuate con procedimenti unificatii dalla normativa europea EN UNI. Le principali sono: a) resistenza meccanica b) durezza c) resilienza d) usura La resistenza meccanica è la capacità di un materiale di sopportare sollecitazioni esternee che tendono a romperloo o deformarlo. Si possonoo avere sollecitazioni statiche o dinamiche, quelle statiche, sono applicate gradualmente nel tempo mentre quelle dinamiche sono applicate in un tempo molto breve. Per le sollecitazioni statiche possiamo dare la seguente suddivisione: resistenza a trazione o compressione resistenza a flessione resistenza al taglio resistenza a torsione prova di durezza (Brinell, Vickers, Rockwell) Pagina 4

5 Trazione o compressione Il corpo subisce uno sforzo di trazione e/o compressione quando le forze esterne applicate sono parallele alle fibre assiali. C è trazione quando le forze tendono ad allungare le fibre, viceversa se c è compressione. Flessione Si ha invece sforzo di flessione quando le forze esterne agenti ridotte ad una coppia di forze. Con coppia indichiamo due forze uguali ed opposte agenti su rette d azione diverse e parallele, distanti fra loro da una grandezza detta braccio. Taglio Il provino si taglia quando le forze applicate, opposte tra loro si riducono ad un'unica risultante, il tutto in una sezione trasversale passante per il baricentro del pezzo. Torsione Il provino è sollecitato a sforzo di torsione se le sezioni trasversali rispetto l asse saranno soggette a rotazione Durezza La durezza rappresenta la capacità di un materiale di resistere alla penetrazione da parte di un altro materiale più duro. PhD ing. Gino Lopardo Pagina 5

6 Le misure di durezza più usate in campo tecnologico si ottengono con le prove di: Durezza Brinell (penetratore sferico); Durezza Vickers (penetratore a piramide); Durezza Rockwell (penetratore a sfera o cono) Quando il materiale è sottoposto a sollecitazioni dinamiche abbiamo le seguenti prove: Resilienza È la resistenza che un materiale oppone ad una sollecitazione impulsiva, come un urto. Usura Possiamo definirla una forma di logoramento da parte del materiale, cioè la perdita di materiale per distacco di particelle, che si manifesta quando organi meccanici in movimento sono a contatto tra loro. Quando un componente meccanico è sottoposto ad una serie di sollecitazioni dinamiche si ha una forma di usura causata da una sollecitazione a fatica. Le sollecitazioni periodiche affaticano il materiale fino a portarlo alla rottura. Per esempio se si flette in continuazione un filo di acciaio sempre con le stesse forze dopo un arco di tempo il filo si rompe. Il limite di resistenza a fatica di un materiale è più piccolo del limite di resistenza dinamica che a sua volta è più piccolo del limite di resistenza statica. Possiamo scrivere: Rsollecitazione a fatica < Rsollecitazione dinamica < Rsollecitazione statica Il simbolo < equivale a dire minore PhD ing. Gino Lopardo Pagina 6

7 Proprietà tecnologiche Le proprietà tecnologiche definiscono l attitudine dei materiali a determinate lavorazioni, di cui le principali sono: a) Colabilità b) duttilità (trafilabilità) c) malleabilità d) estrudibilità e) piegabilità f) imbutibilità g) saldabilità h) temprabilità i) truciolabilità ecc. Pagina 7

8 Colabilità : è l attitudine di un metallo allo stato liquido, a riempire bene la forma in cui è versato, producendo prodotti privi di difetti. Materiali colabili: - ghisa, zinco, piombo, bronzo. Materiali non colabili: - acciai ( rimangono allo stato pastoso alla temperaturaa di fusione) Duttilità : è l attitudine di un materiale a lasciarsi trasformare in fili sottili. Materiali duttili: - acciai con carbonio a percentuale minore del 0,3%; metalli nobili, rame, ottone, alluminio, piombo. Materiali non duttili: - ghisa Pagina 8

9 Malleabilità : è l attitudine di un materiale a lasciarsi trasformare in lamine sottili. Materiali malleabili: - acciai a basso tenore di carbonio, metalli nobili, stagno, leghe leggere. Materiali non malleabili: - piombo Estrudibilità : è l attitudine di un materiale ad assumere una determinataa geometria della sezione quando sia spinto attraverso un foro opportunamente sagomato di una matrice. Materiali estrudibili: - acciai a basso tenore di carbonio, leghe leggere. Materiali non estrudibili: - ghisa. Piegabilità : è l attitudine di un materiale a lasciarsi piegare senza difficoltà. Materiali pieghevoli: - acciai a basso tenore di carbonio, leghe leggere. Materiali non pieghevoli: - ghisa, acciai temprati. Pagina 9

10 Imbutibilità : è l attitudine di un materiale già prodottoo in lamiera, a lasciarsi formare a freddo per ottenere corpi cavi, come recipienti. Materiali imbutibili: - acciai con basso tenore di carbonio, acciai inox, rame, ottone, alluminio, piombo. Materiali non imbutibili: - ghisa Saldabilità : è l attitudine di un materiale ad unirsi con un altro di uguale o diverso materiale, mediante fusione. Materiali saldabili: - acciai, leghe metalliche. Materiali poco saldabili: - ghisa, bronzo. Paginaa 10

11 Temprabilità : è la capacità che hanno i metalli e le leghe metalliche di cambiare la propria struttura interna a seguito di riscaldamento seguito da raffreddamento. Materiali temprabili: - metalli nobili, rame, ottone, alluminio, piombo. Materiali non temprabili: - acciai con carbonio< 0,3%; Truciolabilità : è l attitudine di un materialee a subire lavorazione con asportazione di truciolo, mediante utensili da taglio. Materiali truciolabili: - acciai al piombo,ghise grigie, bronzi e leghe leggere. Materiali non truciolabili: - ghisa bianca, acciai temprati. Paginaa 11