Proprieta dei materiali

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1 Istituto Istruzione Superiore G. Boris Giuliano" Via Carducci, Piazza Armerina (En) Corso di Tecnologie Meccaniche e Applicazioni Anno scolastico Docente: Proprieta dei materiali

2 Corso di Tecnologie Meccaniche e Applicazioni

3 I materiali I materiali a disposizione per ottenere manufatti utili alle attività umane si possono suddividere genericamente in: metalli non metalli leghe metalliche materiali compositi o miscugli 3

4 I metalli A temperatura ambiente si trovano allo stato solido ( fa eccezione il mercurio (Hg) che è allo stato liquido) Sono buoni conduttori di elettricità e di calore Hanno aspetto lucente alla frattura Non lasciano filtrare la luce Presentano plasticità e resistenza meccanica in misura variabile Tra i metalli più noti ricordiamo il Fe, l Au, l Ag, l Al, il Cu, il Mg ecc. 4

5 I non metalli A temperatura ambiente sono allo stato solido o gassoso Sono cattivi conduttori di elettricità e calore Quelli solidi presentano scarsa resistenza meccanica Sono non metalli il carbonio, lo zolfo, il silicio l ossigeno, ecc.. 5

6 Le Leghe metalliche Una lega metallica è costituita da un insieme di due o più elementi, uno almeno dei quali è un metallo presente in quantità preponderante rispetto agli altri elementi. Oltre agli elementi fondamentali che caratterizzano una lega, possono essere presenti altri metalli o non metalli sia sottoforma di impurezze, sia aggiunti intenzionalmente al fine di ottenere proprietà particolari. L ottone è un esempio di lega composto da due metalli Cu e Zn L acciaio è un esempio di lega costituita da un metallo (Fe) e da un non metallo (C). 6

7 Materiali compositi o miscugli Sono costituiti da più materiali appartenenti anche a classi diverse (per esempio il filo di ferro e la gomma nei pneumatici, calcestruzzo, mattoni in cemento e scaglie di marmo, etc.) 7

8 Scelta di un materiale La scelta di un materiale dipende: dalla sua capacità di resistere alle sollecitazioni dalla esigenze inerenti all impiego dalla facilità ed economicità della sua lavorazione dal costo In altri termini si può affermare che la scelta di un materiale dipende in larga misura dalle sue proprietà chimico-strutturali, fisiche, meccaniche e tecnologiche. 8

9 Le proprietà dei materiali metallici Proprietà chimico strutturali riguardano la composizione chimica dei metalli e la loro struttura interna (distribuzione atomica, struttura cristallina), dalle quali dipendono le proprietà meccaniche e tecnologiche e le interazioni con l ambiente (ossidazione, corrosione). fisiche sono le proprietà verificabili in relazione agli agenti esterni (massa volumica, punto di fusione, conducibilità termica e conducibilità elettrica, dilatazione, ecc.). proprietà meccaniche riguardano il comportamento dei materiali quando sollecitati da forze esterne. Le principali proprietà meccaniche sono: la resistenza meccanica, la resistenza alla fatica, la resistenza all usura e la resistenza a forze concentrate (durezza). tecnologiche riguardano l attitudine dei materiali a subire diversi tipi di lavorazioni meccaniche. Sono proprietà tecnologiche la malleabilità, la duttilità, la colabilità, la saldabilità, la truciolabilità, ecc.). 9

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11 Reticolo cristallino Nei materiali solidi gli atomi possono disporsi in modo regolare e ordinato oppure in modo irregolare e disordinato. Una struttura ordinata e regolare è detta <reticolo cristallino> ed è il risultato di una ripetizione regolare di celle elementari nelle tre direzioni dello spazio. I metalli hanno struttura cristallina perché il reticolo cristallino è regolare. Una struttura disordinata ed irregolare è definita <sostanza amorfa>. Il vetro è una sostanza amorfa. 11

12 La struttura cristallina dei metalli Un metallo è costituito da grani cristallini (o cristalli), aderenti gli uni agli altri, ma separati da linee sottili e irregolari (giunti cristallini). E il giunto cristallino che, come una colla, tiene uniti in un tutt uno i grani cristallini. I cristalli a loro volta sono formati da piccolissime particelle (atomi), non visibili neppure al microscopio, che si dispongono in modo geometricamente regolare a formare <celle elementari>. Le celle elementari si dispongono con regolarità geometrica in modo da formare il <reticolo cristallino>, che si interrompe solo ai bordi del cristallo. 12

13 Le celle elementari dei metalli In natura le celle elementari possono essere di 14 forme diverse. La maggioranza dei metalli cristallizza secondo tre tipi di celle elementari: cubica a corpo centrato (c.c.c.) cubica a facce centrate (c.f.c.) esagonale compatta (e.c.) 13

14 Cella Cubica a Corpo Centrato (c.c.c.) 9 atomi Cella elementare C.C.C. Gli atomi sono a contatto lungo le diagonali secondo il seguente schema: Questo tipo di cella è caratteristica dei materiali più duri con resistenza alle deformazioni e duttilità medie, come il tungsteno, il molibdeno e il ferro a (alfa)

15 Cella cubica corpo centrato 15

16 Cella Cubica a Facce Centrate (c.f.c.) 14 atomi Cella elementare C.F.C La cella cubica a facce centrate è caratteristica dei materiali più duttili, malleabili, buoni conduttori di elettricità e calore come il rame, il nickel, l alluminio, il piombo, l oro, l argento e il ferro g (gamma) 16

17 Cella cubica facce centrate 17

18 Cella Esagonale Compatta (e.c.) 17 atomi Cella elementare E.C. La cella esagonale compatta è caratteristica dei materiali fragili, come il magnesio, il cadmio e lo zinco 18

19 Cella esagonale compatta 19

20 y Reticolo cristallino z 9 3 L accrescimento del reticolo cristallino avviene con formazione di celle elementari che si concatenano con quelle a contatto secondo tutte le direzioni dello spazio x 20

21 Reticolo cristallino 21

22 Grani cristallini Bordo dei grani (giunto) Pezzo metallico Non tutto il volume racchiuso da un pezzo di metallo, tranne rari casi, è costituito da un solo reticolo; sono presenti più zone o volumi ciascuno costruito secondo il reticolo di quel metallo, ma orientati diversamente tra loro: a questi volumi o parti dell intero pezzo si dà il nome di grani cristallini La grandezza e l orientamento dei grani cristallini dipende dalla quantità di centri cristallini che si formano all inizio della solidificazione. 22

23 Le proprietà meccaniche di un metallo e, conseguentemente quelle tecnologiche, sono influenzate dalle dimensioni dei grani cristallini. A parità di dimensioni del grano cristallino e delle dimensioni dell atomo, le celle c.c.c. sono in numero superiore, rispettivamente, delle celle c.f.c e delle celle e.c. 23

24 Grano cristallino 24

25 Proprietà fisiche dei materiali 25

26 Proprietà fisiche dei materiali Svariate sono le proprietà fisiche dei materiali. Qui ne vengono indicate alcune tra le più importanti : Massa volumica Peso specifico Conduttività termica e capacità termica massica (calore specifico) Conduttività elettrica Dilatazione termica lineare Temperatura di fusione 26

27 Proprietà fisiche Massa volumica Definizione: è il rapporto fra la massa di un corpo e il suo volume. = m V [ kg/m 3 ] (ro) = massa volumica m = massa del corpo in kg V = volume del corpo in m 3 La massa volumica è misurata comunemente anche in kg/dm 3 Il valore della massa volumica varia con il variare della temperatura Valori di a 20 C 27

28 Proprietà fisiche Massa volumica 28

29 Proprietà fisiche Peso specifico Definizione: è il rapporto fra il peso di un corpo e il suo volume. g = Fp V [ N/m 3 ] g (gamma) = peso specifico Fp = forza peso del corpo in N (Newton) V = volume del corpo in m 3 Il peso specifico è legato alla massa volumica dalla relazione: g = *g Dove g è l accelerazione di gravità e vale 9.81 m/sec 2 Valori di g a 20 C 29

30 Proprietà fisiche Il calore specifico (Capacità termica massica) Definizione: è la quantità di calore che occorre fornire all unità di massa di una certa sostanza per elevarne la temperatura di un grado centigrado (1 C) Q C s = (T 2 -T 1 ) * m [J/(kg * C)] Cs = calore specifico Q = calore ceduto espresso in Joule (J) T1 = temperatura iniziale in C T2 = temperatura finale in C m = massa del materiale espressa in Kg Il valore del peso specifico varia con il variare della temperatura Intervallo fra 0 C e 100 C 30

31 Si definisce coefficiente di dilatazione lineare a l aumento di lunghezza DL che subisce il materiale di lunghezza iniziale L 0 per effetto di una variazione di temperatura DT Proprietà fisiche Dilatazione termica Definizione: è l attitudine dei materiali di variare il proprio volume al variare della temperatura. Nella pratica comune si utilizza il coefficiente di dilatazione termica lineare < a > che rappresenta l aumento del volume di un solido con riferimento ad un unica direzione (quella dell asse più lungo) Ti Tf COEFFICIENTE DI DILATAZIONE LINEARE DI ALCUNI METALLI Platino Ghisa Acciaio Nickel Oro Rame Zinco Bronzo, Ottone Argento Stagno Alluminio Piombo Metallo a [m/m * C] 0, , , , , , , , , , , , a = DL DT L 0 [m/m* C] Intervallo fra 20 C e 100 C 31

32 Proprietà fisiche Temperatura di fusione Tf Definizione: è la temperatura alla quale un materiale comincia a passare dallo stato solido a quello liquido. La temperatura di fusione è caratteristica di ogni materiale ed è anche chiamata punto di fusione In base alla temperatura di fusione i materiali vengono divisi in: basso fondenti Tf<500 C (Piombo, zinco, stagno) normali 500 C< Tf < 2000 C (Acciaio, Nichel, oro, argento, alluminio) refrattari Tf > 2000 C (ceramica, porcellana, argille) TEMPERATURA O PUNTO DI FUSIONE DI ALCUNI METALLI Platino Platino Nickel Acciaio Rame Oro Argento Alluminio Zinco Piombo Stagno Sodio Metallo T ( C) ,8 32

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34 Proprietà meccaniche Le proprietà meccaniche esprimono la capacità di un materiale a resistere alle sollecitazioni dovute all azione di forze esterne che tendono a deformarlo. L azione delle forze esterne può avvenire secondo modalità diverse e altrettanto diverse sono le capacità di resistenza dei materiali sollecitati. 34

35 Proprietà meccaniche Ricordiamo che le caratteristiche fondamentali con cui viene espressa una forza sono: l intensità la direzione il verso direzione verso intensità La forze così rappresentate possono variare: per il tempo di applicazione per il punto o la superficie di applicazione per la direzione rispetto al corpo, ecc.. 35

36 Proprietà meccaniche Secondo il tempo di applicazione si avranno: forze statiche forze dinamiche forze periodiche Secondo la superficie di applicazione si avranno: forze concentrate forze di attrito 36

37 Proprietà meccaniche Forze statiche Quando sono applicate in modo costante o variano lentamente nel tempo; per esempio: forze applicare a funi, macchine per sollevamento etc.. La capacità dei materiali a resistere alle forze statiche è detta resistenza alla deformazione o resistenza meccanica 37

38 Proprietà meccaniche Dinamiche Quando sono applicate in tempi brevi (inferiori al decimo di secondo) per esempio la martellatura, le lavorazioni al maglio, etc.. La capacità dei materiali a contrastare gli effetti delle forze dinamiche è detta resilienza 38

39 Proprietà meccaniche Periodiche Quando sono variabili periodicamente con un andamento che si ripete costantemente nel tempo e con frequenza elevata. Per esempio le forze applicate alla biella di un motore a scoppio. La capacità dei materiali a resistere alle forze periodiche è detta resistenza a fatica. 39

40 Proprietà meccaniche Concentrate Quando sono applicate in zone ristrette o puntiformi; per esempio la scalpellatura, la punzonatura, etc.. La capacità dei materiali a resistere agli effetti delle forze concentrate è detta durezza 40

41 Proprietà meccaniche Attrito Quando si manifestano tra le superfici di contatto di due corpi mobili, fra loro striscianti (attrito radente) o rotolanti (attrito volvente) (vedi figure). La capacità dei materiali a contrastare le forze di attrito si chiama resistenza all usura. 41

42 Proprietà meccaniche Forze statiche Le forze applicate con gradualità e continuità nel tempo sono dette statiche; si parla anche di sollecitazioni statiche. Una sollecitazione statica è l insieme delle forze esterne (carichi) che agiscono su un corpo. I vari tipi di sollecitazione si distinguono secondo la direzione di applicazione delle forze rispetto all asse geometrico principale del solido. Se la forza statica agisce lungo un unica direzione essa è definita: sollecitazione statica semplice. Più sollecitazioni semplici agenti su un corpo definiscono una sollecitazione statica composta. 42

43 Proprietà meccaniche Resistenza meccanica La capacità che i materiali hanno di resistere a sollecitazioni statiche è detta resistenza meccanica. Secondo la direzione di applicazione della sollecitazione semplice si distinguono : sollecitazione a trazione sollecitazione a compressione sollecitazione a flessione sollecitazione a torsione sollecitazione a taglio 43

44 Proprietà meccaniche (Resistenza meccanica) Sollecitazione semplice a trazione Un corpo si dice sollecitato a trazione quando due forze di uguale intensità sono dirette lungo l asse geometrico del corpo e tendono ad allungarlo Alcuni esempi: catene, funi, organi di sollevamento, le viti. 44

45 Proprietà meccaniche (Resistenza meccanica) Sollecitazione semplice a compressione Un corpo si dice sollecitato a compressione quando due forze di uguale intensità sono dirette lungo l asse geometrico del corpo e tendono ad accorciarlo Alcuni esempi: i pilastri e i muri degli edifici 45

46 Proprietà meccaniche (Resistenza meccanica) Sollecitazione semplice a flessione Un corpo si dice sollecitato a flessione quando la forza applicata tende a piegarlo o a fletterlo. La direzione della forza è perpendicolare all asse del pezzo e giace nel piano passante per l asse geometrico stesso. Alcuni esempi: travi, alberi motori, balestre, ecc. 46

47 Proprietà meccaniche (Resistenza meccanica) Sollecitazione semplice a torsione Un corpo si dice sollecitato a torsione quando è sottoposto a una forza che tende a far ruotare una sezione del pezzo rispetto alla sezione immediatamente adiacente. Le forze giacciono sul piano perpendicolare all asse del pezzo e tendono a torcerlo. Alcuni esempi: maniglie delle porte, alberi di trasmissione, morse, ecc.. 47

48 Proprietà meccaniche (Resistenza meccanica) Sollecitazione semplice a taglio Un corpo si dice sollecitato a taglio quando è sottoposto a una forza applicata soltanto su una parte del corpo stesso, che tende, di conseguenza, a scorrere rispetto all altra parte, mantenuta fissa da una forza contraria. Alcuni esempi: chiodature, cesoie, spine, ecc.. 48

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50 Proprietà Tecnologiche Le proprietà tecnologiche riguardano l attitudine dei materiali a subire diversi tipi di lavorazioni meccaniche. La misura delle proprietà tecnologiche è realizzata, con procedure non sempre unificate, utilizzando provette o campioni del materiale in esame. 50

51 Proprietà Tecnologiche Svariate sono le proprietà tecnologiche. Tra le più importanti possiamo annoverare: la malleabilità la duttilità la fusibilità e colabilità la saldabilità la piegabilità la truciolabilità 51

52 Proprietà Tecnologiche La malleabilità E l attitudine di un materiale ad essere trasformato in lamine, a freddo o a caldo, mediante l azione di presse, magli o laminatoi. L aumento della temperatura aumenta la malleabilità di un materiale. Questa proprietà è sfruttata nelle operazioni di laminazione a caldo, nelle operazioni di fucinatura e in quelle di stampaggio. Laminazione I materiali malleabili devono avere alto allungamento, bassa durezza e bassa resistenza alla trazione. Fucinatura 52

53 E l attitudine di un materiale lasciarsi trasformare in fili, senza rompersi, quando costretto a passare (per trazione) attraverso un foro di forma e dimensioni opportune. La procedura avviene a caldo L aumento della temperatura aumenta la malleabilità di un materiale. Questa proprietà è sfruttata nelle operazioni di trafilatura. Proprietà Tecnologiche La duttilità Sono duttili: l acciaio dolce, l argento, l oro, l alluminio, il rame. Trafilatura 53

54 Proprietà tecnologica della duttilità matrice trafilato 54

55 Proprietà Tecnologiche La fusibilità o colabilità E l attitudine di un materiale ad essere colato allo stato liquido dentro una forma per ottenere un getto di fusione. Sono fusibili le ghise, i bronzi, gli ottoni. 55

56 Proprietà Tecnologiche La saldabilità E l attitudine di un materiale a unirsi facilmente con un altro, della stessa o di diversa natura, mediante fusione e/o aggiunta di materiale d apporto 56

57 Proprietà Tecnologiche La piegabilità E l attitudine di alcuni materiali a subire l operazione di piegatura (vedi fig.) senza rompersi o screpolarsi. 57

58 Proprietà Tecnologiche La truciolabilità E l attitudine di un materiale a subire lavorazioni per asportazione di truciolo, mediante l utilizzo di utensili su opportuna macchina (tornio, fresatrice, trapani, etc..). 58