MATERIALI COMPOSITI: comportamento meccanico
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- Raffaello Rocchi
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1 MATERIALI COMPOSITI: comportamento meccanico
2 Materiali tradizionali Proprietà Metalli Ceramiche Polimeri in massa in fibre Resistenza a trazione Rigidezza Tenacità Resistenza all'impatto Limite di fatica Creep Durezza Densità Stabilità dimensionale Stabilità termica Caratteristiche igroscopiche Resistenza all'ambiente Usura Resistenza alla corrosione : eccellente : buona : variabile : scarsa
3 Materiali tradizionali acciaio temperato MATERIALE MODULO (GPa) RESISTENZA (MPa) sforzo (MPa) acciaio dolce acciaio temprato acciaio dolce policarbonato policarbonato deformazione 5% 25% 120% nessuno dei materiali omogenei tradizionali possiede la combinazione ideale di proprietà per le applicazioni strutturali
4 Materiali compositi matrice + fibre polimerica, ceramica, metallica - permette l'utilizzo strutturale delle fibre tenendole insieme e trasmettendo alle stesse la sollecitazione esterna - protegge le fibre dagli agenti ambientali - conferisce al composito tenacità e resistenza alla fatica vetro, carbonio, arammide continue, discontinue unidirezionali, tessute,... - sostengono i carichi (resistenza) - limitano le deformazioni (rigidezza) - danno proprietà ottimali in direzioni volute (se orientate opportunamente)
5 Matrice polimerica Temperatura max di utilizzo ( C) Vantaggi Svantaggi POLIMERI TERMOPLASTICI PA, PP, PBT, PET, PC, POM, Polietereterchetone (PEEK) 300 Poliammideimmide (PAI) 260 Polieteresulfone (PES) 200 buona tenacità temperature d'impiego elevate lavorazioni ad alta temperatura difficoltà di impregnazione delle fibre POLIMERI TERMOINDURENTI Poliestere 120 Fenoliche 200 Epossidiche 180 lavorazioni a bassa temperatura facilità di impregnazione delle fibre spesso fragili temperature d'impiego medio basse POLIMERI TERMOINDURENTI PRE-POLIMERO T g < T amb reazione di reticolazione (T, UV,...) POLIMERO RETICOLATO T g > T amb
6 Fibre Modulo (GPa) Resistenza (GPa) Densità (Kg/dm 3 ) Vantaggi Limitazioni Vetro E Vetro S Arammide (Kevlar) Carbonio (alta resistenza) Carbonio (alto modulo) ~2.0 ~3.5 ~3.5 ~3.0 ~ elevata resistenza basso costo elevata resistenza a trazione elevata resistenza e rigidezza rigidezza molto elevata bassa rigidezza bassa vita a fatica scarsa resistenza a compressione costo elevato modesta resistenza costo elevato Acciaio Polimeri ~1 Carbonio AS4 UHM T300 Arammide (Kevlar49) Vetro S sforzo (GPa) P100 Vetro E deformazione (%)
7 Fibre DISPOSIZIONE DELLE FIBRE Uniassiali CONTINUE Cross-ply Angle-ply DISCONTINUE Random in 2D Random in 3D
8 Materiali compositi eterogeneo anisotropo P P' y P x la composizione e le proprietà dipendono dalla POSIZIONE le proprietà dipendono dalla DIREZIONE di sollecitazione
9 Eterogeneità nella pratica progettuale: scala delle eterogeneità << scala dell'applicazione (applicazioni strutturali) è consuetudine trascurare le eterogeneità omogeneizzazione materiale eterogeneo Vantaggi trattazione meccanica più semplice materiale omogeneo equivalente Svantaggi è richiesta una caratterizzazione sperimentale "ad hoc" per le diverse composizioni del materiale e disposizioni delle fibre
10 Anisotropia F X F X F Y F Y M X M X
11 Sforzi e deformazioni F elongazionale L 0 L sforzo normale: s = F A modulo di Young: E = s e area, A F deformazione normale: coefficiente di Poisson: e per e = L - L o L o v = - e per e par e par di taglio X area, A F sforzo di taglio: t = F A modulo di taglio: G = t g F Y 0 b deformazione di taglio: g = X Y o = tan (b) = b
12 Anisotropia materiale isotropo: 2 costanti elastiche indipendenti (E e G) oppure (E e n) oppure (G e n) materiale anisotropo: 21 costanti elastiche indipendenti s 1 C 11 C 12 C 13 C 14 C 15 C 16 e 1 s 2 C 21 C 22 C 23 C 24 C 25 C 26 e 2 s 3 s 4 = C 31 C 32 C 33 C 34 C 35 C 36 C 41 C 42 C 43 C 44 C 45 C 46 e 3 e 4 s 5 C 51 C 52 C 53 C 54 C 55 C 56 e 5 s 6 C 61 C 62 C 63 C 64 C 65 C 66 e 6
13 Anisotropia materiale ortotropo: 9 costanti elastiche indipendenti 180 sezione: 180 [ C] = C 11 C 12 C C 12 C 22 C C 13 C 23 C C C C 66
14 Anisotropia materiale trasversalmente isotropo: 5 costanti elastiche indipendenti 180 qualunque rotazione sezione: [ C] = C 11 C 12 C C 12 C 22 C C 12 C 23 C ( 2 C 22 - C 23 ) C C 66 materiale trasversalmente isotropo in stato di sforzo piano: 4 costanti elastiche indipendenti E 1, E 2, G 12, n 12 e 1 1 n 12 0 E 1 E 1 s 1 n e = s 2 E 1 E 2 1 g t 12 G 12
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