Università del Salento Facoltà di Ingegneria Costruzione di Macchine

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1 Università del Salento Facoltà di Ingegneria Costruzione di Macchine Lezione 2 Materiali Strutturali a cura del prof. ing. Vito Dattoma e dell ing. Riccardo Nobile 1

2 Materiali strutturali Materiali Metallici Polimeri Materiali Ceramici e Vetro Materiali Compositi 2

3 Materiali Strutturali Caratteristiche generali Lo studio dei materiali ha finalità diverse a seconda della scala a cui viene condotto Nel campo strutturale l attenzione si concentra a partire dalla scala microstrutturale 3

4 Materiali Strutturali Diffusione dei vari tipi di materiali nel passato V. Dattoma, R. Nobile - Costruzione di Macchine- Materiali Strutturali 4

5 Materiali Metallici Caratteristiche generali I materiali metallici sono i materiali più versatili e comuni Sono caratterizzati da una buona conducibilità termica ed elettrica Il loro costo può essere estremamente contenuto e sono facilmente riciclabili Le leghe metalliche più comuni: A base di Fe (acciai e ghise) A base di Al, Mg, Ti (leghe leggere) A base di Ni (superleghe) Altre leghe (a base di Cu, Sn, Pb, ecc.) V. Dattoma, R. Nobile - Meccanica dei Materiali Materiali Strutturali 5

6 Ghise Materiali Metallici La ghisa è una lega di Fe-C ed altri elementi di lega (Si, Mn, ecc.) in cui la percentuale di C è compresa tra il 2 e il 4% L elevata percentuale di carbonio fornisce fluidità al metallo fuso, che è adatto all realizzazione di getti anche estremamente complessi La presenza di carburi aumenta la durezza e la resistenza all usura La presenza di grafite nella matrice ne aumenta la lavorabilità 6

7 Materiali Metallici Classificazione della ghisa In base all aspetto della superficie di frattura: Ghisa grigia: la grafite dispersa nella matrice conferisce un colore scuro Ghisa bianca: ba la grafite ga teè presente pese tesotto forma di cementite In base alle caratteristiche meccaniche e metallurgiche Ghisa lamellare: la grafite forma delle lamelle disperse più o meno uniformemente Ghisa sferoidale: la grafite assume l aspetto di globuli o sfere Ghisa malleabile: portando la ghisa bianca a temperatura di grafitizzazione si ottiene una grafite floccularel 7

8 Materiali Metallici Metallurgia della ghisa lamellare V. Dattoma, R. Nobile Costruzione di Macchine - Materiali Strutturali 8

9 Materiali Metallici Dalla ghisa sferoidale alla ghisa lamellare V. Dattoma, R. Nobile Costruzione di Macchine - Materiali Strutturali 9

10 Materiali Metallici Ghisa grigia La ghisa grigia viene utilizzata per realizzare basamenti, carcasse di macchine, volani, dischi freni, ecc. La ghisa grigia ha una deformabilità limitata, è fragile e difficilmente saldabile La ghisa grigia sferoidale (ghisa duttile) ha migliori proprietà meccaniche ed un certo grado di duttilità La ghisa duttile può esse impiegata per realizzare alberi motore, ruote dentate, cerniere, ecc. 10

11 Materiali Metallici Ghisa bianca La ghisa bianca è caratterizzata dal fatto che la grafite è presente sotto forma di cementite. La struttura metallurgica ottenuta dipende dalla velocità di raffreddamento, che è tale da mantenere stabile la cementite a temperatura ambiente La presenza di cementite rende estremamente dura ma fragile la ghisa bianca La ghisa bianca viene utilizzata per parti dove è richiesta un elevata resistenza all usura (utensili per estrusione, rulli per laminatoi, ceppi dei freni, ecc.) La ghisa malleabile, ottenutata per grafitizzazione, a ione ha buone proprietà meccaniche e di duttilità 11

12 Acciai Materiali Metallici Gli acciai sono leghe Fe-C ed altri elementi di lega, in cui la percentuale di C non supera il 2% (in genere meno dell 1%) Il tenore di carbonio è limitato per aumentare la tenacità del materiale Alti contenuti di carbonio incrementano in modo inaccettabile la fragilità Il modulo di elasticità di tutti gli acciai, eccetto quelli inossidabili,rimane inalterato 12

13 Materiali Metallici Classificazione degli acciai Acciai al carbonio Dolci (%C < 0.30%) Semi-duri (%C = %) Duri (%C = %) Acciai di qualità HSLA: si tratta di acciai dolci con aggiunta di particolari elementi di lega per migliorarne specifiche proprietà Acciai speciali da costruzione Acciai al carbonio Acciai legati Acciai inossidabili Superleghe di ferro V. Dattoma, R. Nobile - Meccanica dei Materiali Materiali Strutturali 13

14 Materiali Metallici Designazione degli acciai In base alle proprietà meccaniche E275 Fe510 In base alla composizione C20 18NiCr10 In base ad una designazione AISI1020 AISI304 AISI V. Dattoma, R. Nobile - Meccanica dei Materiali Materiali Strutturali

15 Materiali Metallici Leghe di Alluminio L Al per impieghi strutturali è sempre sotto forma di lega, g, con elementi quali il Si, Mg, Mn, Cu, Li, ecc. La designazione più comune è quella numerica: Serie AA 1xxx (1060-H18) 2xxx (2024-T4) leghe Al-Cu 3xxx (3003-H18) 5xxx (5083-O, 5052-H321) leghe Al-Si 6xxx (6061-T6) 7xxx (7075-T6) leghe Al-Zn 8xxx (8090 Alluminio Litio) Le lettere H o T indicano rispettivamente i trattamenti di incrudimento e termici subiti 15

16 Altre leghe Materiali Metallici Leghe di Rame Bronzi (Rame e Stagno) Ottoni (Rame e Zinco) Leghe binarie B 14 UNI 1701 G-CuZn40 UNI 5023 Leghe speciali BS Pb20 UNI 1701 G-CuZn34Pb Leghe di Titanio Ti6242 TiAl6V4 Ti3Al2.5V Leghe g di Nichel Inconel 713 Inconel 718 Udimet

17 Polimeri Caratteristiche generali I materiali polimerici sono ottenuti per sintesi chimica principalmente p dai prodotti del petrolio. La forma finale del prodotto, anche molto complessa, può essere ottenuta anche con una sola operazione, come la fusione, pressofusione o estrusione, a volte accompagnate da temperatura e/o pressione. Sono estremamente leggeri rispetto ai metalli La temperatura di impiego è fortemente limitata A temperatura ambiente possono manifestare fenomeni di creep e fragilità 17

18 Polimeri Classificazione dei polimeri Termoplastici: se vengono scaldati si ammorbidiscono e possono anche fondere, ma se vengono raffreddati ritornano nelle condizioni iniziali (plexiglas per parabrezza e finestrini, Pvc per tubazioni, polietilene per cavi elettrici, poliammidi per pulegge e giranti) Termoindurenti: se vengono scaldati a temperature elevate subiscono modifiche chimiche e non possono più tornare alle condizioni iniziali (fenoliche per interruttori o apparecchi telefonici, resine in poliestere per serbatoi e tubazioni per liquidi corrosivi, resine ureiche per preparare vernici) Elastomeri: comportamento gommoso e la possibilità di deformarsi anche del 100% o 200%. 18

19 Materiali ceramici e vetri Caratteristiche generali I materiali ceramici hanno una struttura cristallina con legami molto forti I materiali ceramici sono buoni isolanti sia da un punto di vista termico che elettrico Sono particolarmente resistenti al calore e alla corrosione e sono impiegati come refrattari Dal punto di vista strutturale sono estremamente fragili La resistenza a compressione può anche essere molto più alta di quella a trazione 19

20 Materiali compositi Caratteristiche generali I materiali compositi sono ottenuti dall assemblaggio meccanico di due o più materiali I materiali costituenti sono fisicamente separati tra loro e chiaramente riconoscibili anche ad un esame visivo Lo scambio di forze tra i due materiali in un composito avviene per aderenza In generale i materiali costituenti appartengono a due tipologie: matrice fibra 20

21 Materiali compositi Classificazione dei materiali compositi In base alla matrice: compositi p a matrice metallica compositi a matrice ceramica compositi a matrice polimerica In base al rinforzo: compositi con rinforzo a particelle compositi con rinforzo a fibre lunghe o corte compositi laminati 21

22 Materiali compositi Compositi con rinforzo a particelle L aggiunta di particelle disperse all interno di una matrice serve fondamentalmente ad aumentare la tenacità del materiale Le caratteristiche del materiale composito possono essere modulate, entro certi limiti, variando la dimensione e la frazione in volume delle particelle Se la distribuzione delle particelle è uniforme, il materiale è assimilabile dal punto di vista macrostrutturale ad uno omogeneo 22

23 Materiali compositi Compositi con rinforzo a fibre I materiali sotto forma di fibre o fili hanno delle caratteristiche meccaniche più elevate rispetto ai materiali in forma compatta Le fibre e i fili però hanno una rigidezza nulla a compressione Nei materiali compositi a fibra lunga, la matrice ha lo scopo di mantenere in posizione le fibre, in modo da sfruttarne al massimo le migliori prestazioni meccaniche Il materiale non può in generale essere considerato omogeneo 23

24 Materiali compositi Classificazione dei compositi con rinforzo a fibre Compositi a fibre corte (d = 1-10 mm; l = d): fibre corte disperse casualmente fibre corte orientate whiskers: fibre corte formate da un unico cristallo Compositi a fibre lunghe (unidirezionali) nei compositi a fibre lunghe queste hanno un orientazione preferenziale nella direzione delle fibre questi materiali hanno eccellenti proprietà meccaniche il comportamento strutturale è di tipo ortotropo si utilizzano fibre di vetro, di carbonio, a base polimerica (kevlar) 24

25 Compositi laminati Materiali compositi I materiali compositi, specie quelli unidirezionali, hanno ottime proprietà p meccaniche in certe direzioni e insufficienti in altre Accoppiando più strati con diversa orientazione delle fibre è possibile ottenere le prestazioni meccaniche volute Il comportamento strutturale di questi materiali è particolarmente complesso ed è anisotropo Uno dei problemi fondamentali è costituito dal fenomeno della delaminazione, cioè il distacco più o meno esteso delle lamine 25