7 aprile Annalisa Tirella.

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1 Scienze dei Materiali A.A. 2010/ aprile 2011 Annalisa Tirella a.tirella@centropiaggio.unipi.it

2 Tenacità La tenacità di un materiale ne indica la capacità di assorbire energia, spendendola nella sua deformazione (generalmente avviene nel campo elasto-plastico); La scarsa tenacità di un materiale può pertanto portare ad una rottura di tipo fragile; Test su materiali per urti, verifica di trattamenti dei materiali (termici o lavorazioni plastiche).

3 Tenacità all intaglio Prova d'urto tramite un maglio a forma di pendolo su un provino intagliato. La tenacità si calcola come: K = P ( ) H h P è il peso del pendolo H è l altezza iniziale da cui viene fatto cadere il pendolo h è l altezza del provino quando colpito a rottura dal pendolo K è la tenacità espressa in Joule (J)

4 Duttilità La duttilità è una proprietà fisica dei materiali e indica la capacità di deformarsi plasticamente sotto carico prima di giungere a rottura, ovvero la capacità di sopportare deformazioni plastiche; Un corpo è tanto più duttile quanto maggiore è la deformazione (plastica) raggiunta prima della rottura; La temperatura influenza la duttilità di un materiale.

5 Misura della duttilità La duttilità può essere anche definita come la capacità di un materiale ad essere ridotto in fili sottili; Allungamento e strizione sono indicatori della duttilità (durante prove a trazione); Tale proprietà è legata anche all'età del materiale e ai cicli di carico. In generale, essa tende a ridursi con l'invecchiamento del materiale e con l'uso.

6 Durezza La durezza è un valore numerico che indica le caratteristiche di deformabilità plastica di un materiale. È definita anche come resistenza alla deformazione permanente. Misurata in Mohs: scala che mette 10 sostanza tra diamante e talco e da un numero da 10 a 1 (e.g. diamante 10, vetro 5.5, acciao 6.5) Le prove di durezza determinano la resistenza offerta da un materiale a lasciarsi penetrare da un altro (penetratore). Esistono diverse scale per misurare la durezza dei materiali.

7 Esempio: alluminio Metallo duttile lucido Resistente a corrosione (sottile strato di ossido a protezione) Scarse proprietà meccaniche (E= 70 GPa) Alta conducibilità elettrica ( ⁶ m ¹Ω ¹) Alta conducibilità termica (237 W m ¹ K ¹) e calore specifico (900 J Kg ¹ K ¹) Modulo elastico GPa (1,2,3) Carico di snervamento GPa (4) Carico di rottura GPa (X)

8 Esempio: titanio Metallo duttile lucido Resistente a corrosione Elevate proprietà meccaniche (E= 114 GPa), anche a fatica Bassa conducibilità elettrica ( ⁶ m ¹Ω ¹) Bassa espansione termica, calore specifico (520 J Kg ¹ K ¹) e conducibilità termica (21.9 W m ¹ K ¹) Non magnetico Biocompatibile (porosità superficiale analoga a quella dei tessuti umani), la lega Ti6Al4V usata per protesi di anca, ginocchio, impianti dentari, ecc. Modulo elastico 115 GPa (1,2,3) Carico di snervamento 1.1 GPa (4) Carico di rottura 1.2 GPa (X)

9 Esempio: ossido di alluminio Ceramica Resistente a corrosione e ossidazione Ottimo grado di durezza e resistente a usura, ma scarsa resistenza meccanica Ottimo dielettrico (isolante elettrico) Scarsa conducibilità termica e resistenza a shock termici Eccellente biocompatibilità

10 Esempio: acido polilattico Polimero a vario peso molecolare, due isomeri (D, L) Biodegradabile Elevate proprietà meccaniche se cristallino, minori se amorfo Scarsa conducibilità elettrica (isolante) Bassa conducibilità termica Biocompatibile Modulo elastico GPa Carico di snervamento 0.4 GPa Carico di rottura 0.5 GPa

11 Esempio: collagene Proteina del tessuto connettivo Idrosolubile Buone proprietà meccaniche

12 Variazioni proprietà meccaniche Temperatura Sollecitazioni cicliche Difetti Usura (meccanica, agenti atmosferici)

13 La viscoelasticità La viscoelasticità è la proprietà dei materiali che esibiscono un comportamento reologico intermedio tra i "materiali puramente viscosi" e i "materiali elastici ; La viscoelasticità è una proprietà dei materiali che dipende dal tempo; Piùviscosoè un materiale, piùassomigliaun liquido, al contrario piùè elasticopiùè simile a un solido;

14 La viscoelasticità I materiali viscosi (e.g. miele) rispondono ad una sollecitazione tangenzialecon la legge di Newton, originando al loro interno uno sforzo tangenziale pari al prodotto della velocità di deformazione e della viscosità; se sottoposti a sollecitazione normale non si oppongono in alcun modo; I materiali elastici (e.g. gomma) rispondono ad una sollecitazione normalecon la legge di Hooke, originando al loro interno uno sforzo normale e una deformazione, ritornando al loro stato originario quando queste sollecitazioni cessano; se sottoposti a sollecitazione tangenziale non si oppongono in alcun modoò I materiali viscoelastici si oppongono sia alle sollecitazioni tangenziali sia alle sollecitazioni normali, generando quindi al loro interno sia sforzi tangenziali sia sforzi normali.

15 Come si misura la viscoelasticità Cicli di carico e scarico(isteresi); Prove di Creep: rilassamento della deformazione (come ε varianeltempo), applicazione diunosforzocostante e misura della deformazione del materiale; Stress relaxation: rilassamento dello sforzo(come σ varia nel tempo), applicazione di una deformazione e misura della forza o carico che il materiale riesce a sostenere; Test con diverse velocità di deformazione e analisi della risposta elastica.

16 ε σ = Eε η ε dε σ = η dt 1 ε = σ dt η σ σ ε Creep σ σ ε ε t o t t o σ t Stress Relaxation ε t o t o σ t t o t t o t o t t o

17 Materiali viscoelastici σ ε c t o t t 0 t ε σ t o t t 0 t

18 Modello MAXWELL Descrive il comportamento di materiali viscoelastici (generalemente liquidi) con comportamento elastico su intervalli di tempo brevi e viscoso su intervalli lunghi; Elemento elastico in serie ad un elemento viscoso. dε dεv dεe σ 1 = + = + dt dt dt η E dσ dt

19 Modello KELVIN-VOIGT Descrive il comportamento di materiali viscoelastici (generalemente solidi); Elemento elastico in parallelo ad un elemento viscoso dε( t) σ ( t) = Eε( t) + η dt

20 Set-up sperimentale 1. Prove in compressione 2. Elaborazione dati 3. Realizzazione curva stress-strain 4. Valutazione proprietà del materiale

21 Prove di resistenza a compressione 1. Prove compressione 2. Elaborazione dati (Excel) Realizzazione provino di materiale noto Misura grandezze provino Set-up macchina di test Determinazione dati utili provino Estrapolazione valori stress dalla macchina Estrapolazione valori strain dalla macchina 3. Costruzione curva stress-strain 4. Modulo elastico Graficarevalori su foglio excel Valutazione tratto lineare della curva ottenuta