MATERIALI. Cosa sono Rapporto tra: Materiali e progettazione Criteri di scelta. innovazione tecnologica e materiali ingegnere e materiali

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Nicola Piva
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1 MATERIALI Cosa sono Rapporto tra: innovazione tecnologica e materiali ingegnere e materiali Materiali e progettazione Criteri di scelta 1

2 Definizioni MATERIA: tutto ciò che ha proprietà intrinseca di avere massa. MATERIALE: è una qualità di materia solida adatta all impiego per una determinata costruzione. SOSTANZA: è una qualità di materia solida con composizione chimica ben definita. La maggior parte dei materiali è costituita da un insieme di più sostanze. 2

3 Approccio ai materiali Innovazione nella progettazione e nella costruzione: materiali innovativi o tradizionali, ma utilizzati in modo innovativo od in nuove applicazioni. Ricerca e Sviluppo: materiali dotati di proprietà migliori rispetto ai metriali in uso. Affinamento delle proprietà dei materiali in relazione all applicazione tecnologica 3

4 Approccio ai materiali l ingegnere progettista usa i materiali (tradizionali, modificati, nuovi) per progettare e creare nuovi prodotti e nuove strutture. Ingegneri meccanici materiali per alte temperature in grado di far lavorare motori a più alte temperature, per innalzare il rendimento termico. Ingegneri elettronici materiali per dispositivi più veloci, in grado di trasmettere o immagazzinare una maggiore quantità di dati e anche capaci di resistere a più elevate temperature. Ingegneri aerospaziali miglioramento del rapporto resistenza/peso. Ingegneri chimici materiali più resistenti alla corrosione. Ingegneri civili/edili materiali con proprietà strutturali e funzionali (materiali intelligenti), materiali più resistenti alla corrosione, con un migliore rapporto resistenza/peso, migliore durabilità del calcestruzzo. 4

5 Criteri di progettazione Scelta di un materiale non può prescindere da tecnologia in uso, impatto ambientale, costo ed estetica Criteri di scelta si fondano su proprietà dei materiali, relazioni tra struttura e proprietà. Tecnologie e metodi di lavorazione. 5

6 Costo dei materiali deve essere proporzionato al livello tecnologico dell applicazione Il costo dei materiali dipende da: Domanda offerta Costo dell energia Purezza e qualità Relazione costo/prestazione Alligazione Disponibilità delle risorse Dipendenza da paesi fornitori 6

esempi Giravite modulo elastico - lama acciaio ad alto C limite di snervamento o legato durezza tenacità a frattura lavorabilità - manico materia plastica estetica (PMMA) leggerezza Turbina

7 esempi Giravite modulo elastico - lama acciaio ad alto C limite di snervamento o legato durezza tenacità a frattura lavorabilità - manico materia plastica estetica (PMMA) leggerezza Turbina avio costo modulo elastico limite di snervamento - Girante Titanio tenacità a frattura fatica - erosione corrosione- densità - Palette Superleghe scorrimento a caldo di Ni ossidazione a caldo 7

esempi Candela per motore a combustione fatica termica - elettrodi tungsteno erosione - corrosione ossidazione a caldo resistività elettrica - corpo Al2O3 fatica termica ossidazione a caldo

8 esempi Candela per motore a combustione fatica termica - elettrodi tungsteno erosione - corrosione ossidazione a caldo resistività elettrica - corpo Al2O3 fatica termica ossidazione a caldo corrosione Imbarcazione da diporto lavorabilità - Scafo GFRP densità corrosione estetica - Albero alluminio rapporto peso/resistenza - Cime polietilene proprietà meccaniche costo - Vele terylene/nylon resistenza meccanica densità-costo 8

9 Le tre classi di materiali: metalli, ceramici e polimerici con alcune combinazioni (materiali compositi) 9

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11 TABLE 1.3.a Typical alloy prices (UK /tonne) Aluminium ingots 99,5% purity ,8% purity ,99% purity 1580 Magnesium ingot 99,8% purity 2170 LM4 (SAE 326) aluminium decasting alloy 945 (3 Cu Mg-5 Si-0.8 Fe-0.4 Mn) LM10 (SAE 324) aluminium-magnesium casting alloy 1650 (0.1 Cu-10 Mg-0.25 Si-0.3 Fe) TABLE 1.3.b Comparison of typical basis metal and alloy costs (UK /tonne) Mild steel 210 9% Nickel steel 600 Nickel 2470 Copper wire bars 930 Brass bar (65/35) 820 Zinc TABLE 1.3.c Typical aluminium alloy costs (UK /tonne) Al - 4,5 Mg Al - 4,5 Cu-1,5 Mg Al- 5 Zn - 3Cu - 1,5 Mg

12 DISPONIBILITA DELLE RISORSE Tabella 1.4 Ripartizione dei principali elementi nella crosta terrestre, gli oceani e l atmosfera Crosta continentale Oceani Atmosfera (1 km) Massa 1018 t Massa 1017 t Massa 1016 t (% peso) (% peso) (% peso) O2 47 O2 85 N2 79 Si 27 H2 10 O2 19 Al 8 Cl 2 Ar 2 Fe 5 Na 1 Ca 4 Na 3 K 3 Mg 2 Ti 0, Dipende dalla : consistenza quantitativa e dalla localizzazione Abbondanti Risorse Scarse Diffuse (es. Al, Fe) Risorse Concentrate (es. C, giacimenti di petrolio e carbone) 12

13 Critical materials: World mine production and reserve base Material Mine production Reserve base Antimony (shorts tons) Asbestos (thousand metric tons) Aluminium (thousand metric tons of Bauxite) Bismuth (thousand pounds of bismuth content) Cadmium (metric tons cadmium content) Chromium (thousand short tons chromite) Cobalt (short tons cobalt content) Copper (thousand metric tons copper content) Diamond (million carat) Lead (thousand metric tons) Manganese (thousand short tons) Mercury (...pound flasks) Nickel (thousand short tons of Nickel) Platinum (troy onces) Tantalum (pounds metal content) Tin (metric tons metal content) Titanium (thousand short tons of...menite and Rutile) Tungsten (thousand pounds tungsten content) Zinc (thousand metric ton zinc)

14 ACCESSIBILITA DELLE RISORSE Dipende da : - aspetti naturali: configurazione e accessibilità del territorio ; - aspetti tecnici e tecnologici: tecnologie di estrazione ; - aspetti politici e sociali: il prezzo viene imposto dai paesi consumatori attraverso delle multinazionali ; - aspetti ambientali: per alcune attività di estrazione e di deposito sono da prevedere alterazioni irreversibili del territorio. Tabella 1.6 Dipendenza delle importazioni dei materiali grezzi dalle zone di estrazione % dei consumi EEC USA Japan Alluminio Rame Cromo Cobalto Ferro Piombo Nichel Manganes Stagno Titanio 100 Tungsteno Zinco

15 ALCUNE MISURE PER CONTRASTARE IL DEPAUPERAMENTO DELLE RISORSE - Miglioramento della progettazione - Sostituzione - Riciclaggio RIUSO = riutilizzo diretto del bene: - con la stessa funzione (comp.edili, contenitori, bancali,...); - con altra funzione (serramenti, scaffalature,...) RICICLO = riutilizzo del materiale: - con le stesse prestazioni (metalli, vetro,...); - con minori prestazioni (materie plastiche, legno, carta,...) Prodotto dismesso (fuori uso) RECUPERO = recupero di materiale o energia tramite trasformazione: - termica (rsu rdf); - chimica (rsu compost); - biologica (fanghi biogas). SMALTIMENTO = Eliminazione dal circuito: - discarica inerti; - discarica rifiuti non pericolosi; - discarica rifiuti pericolosi. 15

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Futuro TENDENZE FUTURE NELL USO DEI MATERIALI Materiali -nuove leghe: a base di Ni per alte temperature, metallici leggere per aeronautica; -nuove tecnologie di produzione: pressatura isostatica,

Materie -riduzione del tasso di crescita dei consumi plastiche per le plastiche comuni; -sviluppo delle plastiche strutturali e delle leghe polimeriche.

17 Futuro TENDENZE FUTURE NELL USO DEI MATERIALI Materiali -nuove leghe: a base di Ni per alte temperature, metallici leggere per aeronautica; -nuove tecnologie di produzione: pressatura isostatica, monocristalli,crescita monodirezionale, solidificazione rapida. Materie -riduzione del tasso di crescita dei consumi plastiche per le plastiche comuni; -sviluppo delle plastiche strutturali e delle leghe polimeriche. Materiali -riduzione del tasso di crescita dei consumi di ceramici ceramici tradizionali; -forte sviluppo dei ceramici avanzati, sia per impieghi strutturali che funzionali. Materiali -forte tasso di crescita per i compositi a matrice compositi polimerica specialmente nel settore aeronautico; - progressiva introduzione nel mercato di compositi a matrice metallica e ceramica. 17

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