LE FAMIGLIE DI MATERIALI

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Ada Garofalo
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1 LE FAMIGLIE DI MATERIALI POLIMERI (P.es. Polipropilene) COMPOSITI (P.es. Legno) METALLI (P.es. Acciaio) CERAMICI (P.es. Terracotta)

2 SELEZIONE INGEGNERISTICA DEI MATERIALI Esempio di selezione Il tetraedro di Flemings descrive le interazioni da considerare nella selezione del materiale, ma non completa le qualità espressive e funzionali, quel che si può definire come l identità o personalità del materiale

MATERIALI + PROCESSI Conoscenza dei materiali (possibili confronti) Per il ciuccio per i neonati è

svantaggi Conoscenza dei processi Uno spessore eccessivo delle materie plastiche, oltre allo spreco

raffreddamento non uniforme, zone di fragilità ) Espressività dalla conoscenza del processo Spessore

3 MATERIALI + PROCESSI Conoscenza dei materiali (possibili confronti) Per il ciuccio per i neonati è possibile usare il silicone o il caucciù (gomma naturale): ognuna delle due scelte ha vantaggi e svantaggi Conoscenza dei processi Uno spessore eccessivo delle materie plastiche, oltre allo spreco di materiale allunga i tempi del processo e lo rende poco controllabile (inclusioni d'aria, raffreddamento non uniforme, zone di fragilità ) Espressività dalla conoscenza del processo Spessore eccessivo Spessore adeguato Clover seggiolina monoblocco in polipropilene prodotta in serie per stampaggio rotazionale

FORZE SEMPLICI (idealmente applicate su un punto) Le forze di taglio (shear) diventano significative per geometrie molto sottili (film, strati di laminati).

4 FORZE SEMPLICI (idealmente applicate su un punto) Le forze di taglio (shear) diventano significative per geometrie molto sottili (film, strati di laminati). Ci possono essere forze di taglio in trazione (es. strappo dell'adesivo), in compressione (es. frattura di ricoprimenti) oppure interlaminare (scollamento, o delaminazione, tra gli strati di un laminato) Taglio a trazione Taglio a compressione Taglio interlaminare (trave di flessione corta) La prova di compressione su travi di una certa lunghezza porta ad un'instabilità elastica con un effetto esplosivo dei frammenti di materiale a rottura (la forza relativa si dice di imbozzamento (buckling). Imbozzamento

LIMITI DEI MATERIALI REALI: USURA, CICLAGGIO E FATICA POANG

L'usura dei materiali permette la rottura anche per forze molto

5 LIMITI DEI MATERIALI REALI: USURA, CICLAGGIO E FATICA POANG (Noboru Nakamura per IKEA, 1977) DIAGRAMMA DI FATICA SU ACCIAIO L'usura dei materiali permette la rottura anche per forze molto deboli, dopo un certo tempo di servizio. La maggior parte dei materiali (ad esclusione p. es. dell'acciaio) non ha un chiaro limite di fatica, Il ciclaggio di fatica simula il servizio, spesso in modo accelerato.

I sistemi di trazione dei materiali (tecnicamente la prova più semplice da effettuare sui metalli ed i

6 SISTEMI DI TRAZIONE DEI MATERIALI PROVINI A TRAZIONE DI ACCIAIO PRIMA E DOPO LA PROVA N.B. Dalla misura della forza e dello spostamento (deformazione) si ottiene l'energia assorbita dal materiale. I sistemi di trazione dei materiali (tecnicamente la prova più semplice da effettuare sui metalli ed i polimeri) si servono di attuatori tipicamente idraulici (a vite senza fine o martinetto) per consentire il movimento della testa

7 INDICAZIONI OTTENUTE DA UNA PROVA DI TRAZIONE «Ut tensio, sic vis» (Hooke, 1678) (La deformazione dipende dalla forza) Il caso più semplice è un comportamento puramente elastico (proporzionalità fino a rottura dello sforzo) applicato con la deformazione ottenuta Conseguenze: Fragilità e assenza di avvisaglie di rottura σ=sigma, Δ=delta, ε=epsilon

subendo strizione (necking), e quindi lo sforzo reale è considerevolmente aumentato Il modulo elastico viene calcolato dalla

8 DIAGRAMMA SFORZO-DEFORMAZIONE (a trazione) DI UN ACCIAIO (lega ferro-carbonio con max. carbonio 2.06%) La diminuzione di sforzo dopo il punto C è in realtà soltanto apparente, in quanto il materiale si è molto assottigliato, subendo strizione (necking), e quindi lo sforzo reale è considerevolmente aumentato Il modulo elastico viene calcolato dalla pendenza del tratto tra A e B. Il limite di utilizzo del materiale è sempre inferiore al limite elastico. Il tratto tra A e B è indicato come snervamento (yielding).

DEFORMAZIONE PLASTICA (martellamento) ED INCRUDIMENTO DELL ACCIAIO (deformazione minore, maggiore fragilità) Durante l applicazione della deformazione plastica per martellamento il materiale

9 DEFORMAZIONE PLASTICA (martellamento) ED INCRUDIMENTO DELL ACCIAIO (deformazione minore, maggiore fragilità) Durante l applicazione della deformazione plastica per martellamento il materiale gradatamente si infragilisce passando da A ad E (minore deformazione-minore presenza di «segni premonitori» della rottura) per una presenza di reti non controllate di difetti (dislocazioni a spigolo). Se ci sono pochi difetti non c è affatto deformazione, se ce ne sono troppi si arriva a fragilità per la difficoltà di avere deformazione nella direzione dello sforzo.

10 COMPORTAMENTO A TRAZIONE POLIMERO SEMI-CRISTALLINO La parte amorfa consente la deformazione del polimero a partire da una disposizione di minima superficie esposta ad una di massima superficie esposta e quindi massimo allungamento

11 I POLIMERI E LA VISCOELASTICITÀ Il comportamento di un materiale viscoelastico, come i polimeri, a differenza di quello di un materiale elastico, dipende dal tempo. Di conseguenza, il materiale si comporta diversamente a seconda della velocità con cui la forza è applicata ed in particolare durante il carico e lo scarico, consentendo un risparmio di energia, misurato dal ciclo di isteresi (in verde). IL COMPORTAMENTO ELASTICO E RAPPRESENTATO DA UNA MOLLA MENTRE QUELLO VISCOSO E RAPPRESENTATO DA UN AMMORTIZZATORE, CHE SMORZA LE VIBRAZIONI NEL TEMPO

12 DENSITA

13 STRUTTURE POROSE E CELLULARI PIETRA POMICE OSSO DI SEPPIA SPUGNA SUGHERO GESSO (coccolite)

14 DIAGRAMMI DI ASHBY I diagrammi a bolle di Ashby raggruppano i materiali in funzione delle loro proprietà meccaniche, termiche, elettriche, ecc., allo scopo di consentire la selezione dei materiali per un particolare utilizzo. L'idea non è quella di arrivare ad una selezione «automatica», ma di avere un idea dei possibili compromessi nell utilizzo di materiali.diversi e specialmente di rendersi conto di quali possano essere le proprietà di un possibile «ibrido». Il diagramma «principale» di Ashby è quello tra modulo elastico e densità, che dà un idea della «rigidezza specifica» di un materiale.

15 RESISTENZA E RIGIDEZZA SPECIFICA Si notano le altissime proprietà specifiche dei compositi, anche rispetto al campo dei metalli. Questo le distingue dalle schiume che sono polimeri a porosità controllata (in modo da modulare la densità richiesta).

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