LE PROPRIETÀ DEI MATERIALI

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1 LE PROPRIETÀ DEI MATERIALI TIPI DI MATERIALI Quando si deve produrre un oggetto è necessario decidere quale sia il materiale migliore per realizzarlo. La scelta può avvenire fra materiali già esistenti o fra materiali nuovi. La conoscenza delle proprietà è di fondamentale importanza per il tecnico, cui spesso compete la scelta del materiale in relazione alle esigenze d impiego. 1

2 L industria ha a disposizione svariati materiali per la produzione di prodotti finiti: Metalli Legno Carta Tessuti Marmo Cemento Vetro Ceramica plastica ecc.. TIPI DI MATERIALI La tecnologia meccanica si occupa essenzialmente dei materiali metallici, delle loro applicazioni e delle loro lavorazioni. TIPI DI MATERIALI I materiali che interessano l industria meccanica possono essere suddivisi in 3 grandi gruppi: metalli a temperatura ambiente si trovano allo stato solido ( eccetto il mercurio). Sono elementi in genere buoni conduttori di calore e di elettricità ed hanno un aspetto lucente. Sono metalli il ferro, l argento, l oro, nichel, piombo, lo zinco, ecc. non metalli Sono cattivi conduttori di calore ed elettricità e sono poco resistenti a sollecitazioni esterne. Sono il fosforo, lo zolfo, il carbonio, ecc. leghe metalliche sono costituite da due o più elementi, uno dei quali è un metallo presente in quantità preponderante rispetto agli altri elementi. Un esempio di una leghe composta da un metallo con un altro metallo è l ottone ( rame zinco ). Un esempio di lega composta da un metallo e un non metallo è l acciaio ( ferro carbonio ). 2

3 Tutti i materiali hanno delle proprie caratteristiche che li differenziano notevolmente uno dall altro. Per ciascuna proprietà che vedremo esiste una scala, che indica il grado o la misura in cui quella determinata proprietà è posseduta da un materiale rispetto ad un altro. il grado o la misura di una proprietà viene espresso per mezzo di un numero ed una unità di misura La conoscenza di queste ultime consente di utilizzare il materiale più idoneo ad ogni specifica applicazione. Proprietà chimiche-strutturali: riguardano la composizione chimica e la loro struttura interna. Rientrano tra le proprietà chimiche, anche i fenomeni che si producono fra il materiale e l ambiente esterno ( ossidazione, corrosione, ecc. ). Proprietà fisiche: si riferiscono alle caratteristiche generali dei materiali, in relazione agli agenti esterni, quali il calore, la gravità, l elettricità ecc. proprietà meccaniche: riguardano la capacità dei materiali di resistere all azione di forze o sollecitazioni esterne a cui i materiali vengono sottoposti durante il loro impiego. proprietà tecnologiche: riguardano l attitudine dei materiali a subire le varie lavorazioni tecnologiche attraverso le quali vengono prodotti i pezzi meccanici. 3

4 Proprietà chimiche-strutturali riguardano la composizione chimica e la loro struttura interna. Se si frattura un metallo e (dopo aver trattato la superficie in modo appropriato) la si osserva con un microscopio si vede che la materia del metallo è costituita da cristalli o granuli, aderenti gli uni agli altri, ma separati da linee sottili e irregolari (bordi dei grani). Proprietà chimiche-strutturali riguardano la composizione chimica e la loro struttura interna. I cristalli a loro volta sono formati da atomi cioè piccolissime particelle non visibili neppure al microscopio. Gli atomi di un cristallo sono disposti con regolarità geometrica in modo da formare il cosiddetto reticolo cristallino. Il reticolo cristallino è una gabbia tridimensionale di linee immaginarie che uniscono i centri degli atomi disposti nello spazio. 4

5 Proprietà chimiche-strutturali riguardano la composizione chimica e la loro struttura interna. In ogni reticolo è possibile individuare una cella elementare, cioè un gruppo di atomi regolarmente distribuiti nello spazio secondo una precisa disposizione geometrica. I reticoli cristallini dei metalli sono differenti a seconda del tipo di celle elementari che li costituiscono. Le celle elementari possono essere di 14 forme diverse. La maggior parte dei metalli cristallizza secondo tre celle elementari : cella cubica a corpo centrato (ccc) cella cubica a facce centrate (cfc) cella esagonale compatta (ec) Proprietà chimiche-strutturali riguardano la composizione chimica e la loro struttura interna. TIPI DI CELLA ELEMENTARE CELLA CUBICA A CORPO CENTRATO E costituita da 9 atomi: uno su ciascuno degli 8 vertici di un cubo e 1 al centro del cubo stesso. Questo tipo di cella è caratteristico dei materiali più duri con resistenza alle deformazioni. Es: tungsteno, molibdeno, ferro alfa. CELLA CUBICA A FACCE CENTRATE E costituita da 14 atomi: uno su ciascuno degli 8 vertici del cubo e 1 al centro di ciascuna delle 6 facce. Questo tipo di cella è caratteristico dei metalli più duttili, malleabili, buoni conduttori di calore e di elettricità. Es: rame, oro, argento, ecc. 5

6 Proprietà chimiche-strutturali riguardano la composizione chimica e la loro struttura interna. TIPI DI CELLA ELEMENTARE CELLA ESAGONALE COMPATTA E costituita da 17 atomi: 14 disposti da formare con i loro centri un prisma esagonale e 3 disposti all interno del prisma stesso. Questo tipo di cella è caratteristico dei materiali fragili. Es: magnesio, zinco, ecc. Ogni metallo ha atomi differenti da quello di un altro metallo. Può capitare che due metalli diversi abbiano lo stesso reticolo, tuttavia questo sarà formato da atomi differenti. Ad esempio, il rame ha un reticolo uguale a quello del piombo, ma con atomi più piccoli. Proprietà chimiche-strutturali riguardano la composizione chimica e la loro struttura interna. Le proprietà chimiche sono importanti perché influenzano le altre proprietà che vedremo, ma anche perché sono legate a due aspetti. ASPETTO UTILE ASPETTO DANNOSO Reazioni, provocate e controllate, fra il materiale e l ambiente con lo scopo di ricoprirlo di una pellicola dotata di particolari ed utili proprietà. Decapaggio Brunitura Cromatura, nichelatura e zincatura La corrosione è un alterazione chimica che l ambiente esterno può provocare sui materiali metallici che ne produce una progressiva distruzione. Da ciò la necessità della difesa del materiale. 6

7 Proprietà Fisiche Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia. 1 LA MASSA VOLUMICA Si definisce massa volumica il rapporto fra la massa di un corpo e il suo volume. Rho ρ Massa = Kg Volume m = 3 La massa volumica, anche misurata in [kg/dm 3 ], ha un notevole interesse perché fornisce indicazioni riguardo la pesantezza o la leggerezza di un materiale. Proprietà Fisiche Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia. 2 IL CALORE SPECIFICO è la quantità di calore che occorre fornire all unità di massa di una certa sostanza per elevare la temperatura di 1 C. Cs = (T f Q T ) m i = J Kg C Cs = calore specifico Q = calore ceduto m = massa del materiale Ti = temperatura iniziale Tf = temperatura finale L interesse pratico è quello di potere determinare la quantità di calore che deve essere somministrata ad una sostanza di massa M per riscaldarla (come per esempio nelle operazioni di stampaggio a caldo). 7

8 Proprietà Fisiche Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia. 3 DILATAZIONE TERMICA è noto che tutti i corpi, quando vengono riscaldati, subiscono una dilatazione. In meccanica la dilatazione termica deve essere presa in considerazione: Per gli accoppiamenti Per gli strumenti di misura In fonderia Ecc. Proprietà Fisiche Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia. 3 DILATAZIONE TERMICA L = α Li T = [m] T = Tf - Ti Il coefficiente di dilatazione termica esprime l aumento di lunghezza che subisce il materiale di lunghezza iniziale Li per effetto di una variazione di temperatura T. Sempre α < 1. 8

9 Proprietà Fisiche Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia. 4 TEMPERATURA DI FUSIONE La temperatura di fusione è la temperatura alla quale un materiale comincia a passare dallo stato solido allo stato liquido. Il valore varia per ogni materiarle Esempio: ferro fonde 1535 C mentre il piombo a 327 C Proprietà Fisiche Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia. 4 TEMPERATURA DI FUSIONE Quando un materiale in fase di riscaldamento ha raggiunto la temperatura alla quale ha inizio la fusione è necessario continuare a fornire calore affinché la fusione avvenga completamente in tutta la massa. N.B. LA FUSIONE NON AVVIENE ISTANTANEAMENTE! Il calore che si deve continuare a fornire per far avvenire la fusione di tutta la massa del corpo è detto calore latente di fusione. 9

10 Proprietà Fisiche Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia. 4 TEMPERATURA DI FUSIONE Solitamente, quando cediamo calore a un corpo, la sua temperatura aumenta, mentre diminuisce se lo sottraiamo. Per metallo puro che sta subendo un passaggio di stato (Solido liquido ) la sua temperatura non varia anche se continuiamo a riscaldarlo. La temperatura comincia ad aumentare solo quando l ultima particella del metallo si è fusa. METALLO PURO I metalli puri fondono a temperatura costante. Proprietà Fisiche Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia. 4 TEMPERATURA DI FUSIONE Le leghe invece iniziano la fusione a una temperatura (T1) e la completano ad una temperatura (T2). LEGA METALLICA 10

11 Proprietà Fisiche Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia. 5 CONDUTTIVITÀ TERMICA Indica l attitudine di un materiale a trasmettere il calore. Se riscaldiamo le estremità di due barre di metallo diverso, noteremo all altra estremità, dopo breve tempo, due temperature diverse. Ciò è dovuto al fatto che i due materiali hanno una diversa capacità di condurre il calore. Proprietà Fisiche Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia. 5 CONDUTTIVITÀ TERMICA I materiali possono essere buoni o cattivi conduttori di calore. Buoni conduttori: il rame, l alluminio, l argento, l oro, e i metalli in generale. Cattivi conduttori: l antimonio, il polistirolo, l amianto, la lana di vetro, il legno, la porcellana e in genere i non metalli. La conducibilità termica interessa molte applicazioni industriali per la scelta dei materiali buoni conduttori di calore (scambiatori, radiatori) o cattivi conduttori di calore (isolanti). 11

12 Proprietà Fisiche Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia. 6 CONDUTTIVITÀ ELETTRICA Esprime l attitudine di un materiale a trasmettere la corrente elettrica. È l inverso della resistività elettrica. Facendo passare della corrente elettrica, su due fili di diverso materiale, e successivamente misurata la loro intensità, si noteranno due correnti di valore diverso. L intensità di corrente sarà maggiore, nel filo di materiale che ha maggiore conduttività elettrica. Proprietà Fisiche Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia. 6 CONDUTTIVITÀ ELETTRICA I materiali possono essere buoni o cattivi conduttori di elettricità. Buoni conduttori: il rame, l alluminio, l argento, i metalli in generale. Cattivi conduttori: il carbone, la porcellana, il vetro, il legno e in generale i non metalli I materiali a bassa resistività vengono utilizzati come conduttori di elettricità (es. rame). I materiali ad alta resistività sono invece utilizzati per costruire resistenze elettriche. 12

13 Proprietà Meccaniche capacità dei materiali di resistere all azione di forze o sollecitazioni esterne Le forze applicate ai materiali possono essere di tipo diverso e i materiali, a loro volta, hanno una diversa capacità di resistere ai vari tipi di forze. Le forze infatti possono variare 1. Forze statiche 2. Forze dinamiche 3. Forze periodiche 4. Forze concentrate 5. Forze di attrito Proprietà Meccaniche capacità dei materiali di resistere all azione di forze o sollecitazioni esterne 1 - FORZE STATICHE Sono quelle la cui applicazione è graduale e continua nel tempo. La capacità di resistere a forze statiche è detta resistenza meccanica. 13

14 Proprietà Meccaniche capacità dei materiali di resistere all azione di forze o sollecitazioni esterne 1 - FORZE STATICHE In base alla direzione di applicazione, queste forze possono indurre a sollecitazioni di : Trazione Compressione Flessione Le forze sono dirette lungo l asse geometrico del corpo e tendono ad allungarlo. Le forze dirette lungo l asse, tendono ad accorciarlo la forza applicata tende a piegarlo o a fletterlo. Quindi le forze sono perpendicolare all asse del pezzo. Proprietà Meccaniche capacità dei materiali di resistere all azione di forze o sollecitazioni esterne 1 - FORZE STATICHE Taglio quando è soggetto ad una forza che tende a separare una parte rispetto ad un altra Torsione sottoposto a una forza che tende a far ruotare una sezione del pezzo rispetto ad una sezione adiacente. 14

15 Proprietà Meccaniche capacità dei materiali di resistere all azione di forze o sollecitazioni esterne 2 - FORZE DINAMICHE Una sollecitazione viene definita dinamica quando la forza è applicata per un tempo brevissimo, quasi istantaneo (cioè un urto). La resistenza dei materiali di resistere alle forze dinamiche, cioè agli urti, viene definita Resilienza. Proprietà Meccaniche capacità dei materiali di resistere all azione di forze o sollecitazioni esterne 3 - FORZE PERIODICHE sono quelle che agiscono in modo ripetitivo, con frequenza che può essere costante o irregolare. La capacità dei materiali di resistere queste forze è detta resistenza a fatica 15

16 Proprietà Meccaniche capacità dei materiali di resistere all azione di forze o sollecitazioni esterne ATTENZIONE A parità di carico applicato, il materiale resiste in modo ed in misura diversa ai vari tipi di sollecitazione esterna: R a fatica < R dinamica < R statica Proprietà Meccaniche capacità dei materiali di resistere all azione di forze o sollecitazioni esterne 4 - FORZE CONCENTRATE Sono quelle forze che vengono applicate in superfici ristrette quasi puntiformi dell oggetto. La resistenza che i materiali oppongono a questo tipo di forze è detta Durezza. 16

17 Proprietà Meccaniche capacità dei materiali di resistere all azione di forze o sollecitazioni esterne 5 - FORZE DI ATTRITO Sono quelle che si manifestano tra due superfici a contatto in movimento reciproco. Radente se il moto reciproco è di scorrimento Volvente Se il moto reciproco è di rotolamento Il comportamento dei materiali a queste sollecitazioni, viene definito come resistenza all usura. 1 MALLEABILTÀ o PLASTICITÀ è l attitudine del materiale a essere deformato permanentemente, a caldo o a freddo, senza rompersi o che avvengano screpolature o rotture. Le operazioni che sfruttano queste proprietà sono: LAMINAZIONE per ottenere lamiere FUCINATURA Consiste nello scaldare il pezzo a una data temperatura e batterlo con martelli o magli per conferirgli la forma voluta 17

18 2 DUTTILITÀ O TRAFILABILITÀ È l attitudine di un materiale a lasciarsi ridurre in fili senza rompersi se costretto a passare (per trazione) attraverso un foro di forma e dimensioni opportune. TRAFILATURA L operazione che sfrutta questa proprietà si chiama trafilatura e i prodotti ottenuti si dicono trafilati. 3 IMBUTIBILTÀ È l attitudine che hanno le lamiere di lasciarsi deformare a freddo, ottenendo corpi cavi, senza rompersi o screpolarsi. IMBUTITURA L operazione che sfrutta questa proprietà si chiama imbutitura e i prodotti ottenuti si dicono stampati. 18

19 3 IMBUTIBILTÀ PRODOTTI DELL IMBUTITURA 4 PIEGABILITÀ E l attitudine dei materiali a subire notevoli deformazioni tramite piegatura, senza che essi manifestino screpolature o cedimenti. PIEGATURA 19

20 4 PIEGABILITÀ PRODOTTI DELLA PIEGATURA Angolari, scaffalature metalliche, grondaie, ecc.. 5 ESTRUDIBILITÀ È l attitudine di un materiale ad assumere forme determinate se costretto a passare attraverso un foro sagomato (per spinta). L operazione che sfrutta questa proprietà è detta estrusione ed è utilizzata per la produzione di profilati metallici. ESTRUSIONE 20

21 5 ESTRUDIBILITÀ PRODOTTI DELL ESTRUSIONE profilati 6 FUSIBILITÀ E COLABILITÀ La fusibilità è l attitudine di un materiale a prendere una forma ben precisa, mediante fusione, ottenendo un prodotto finito chiamato getto. La colabilità è la proprietà di un metallo fuso di riempire totalmente una forma ricopiandone l impronta. 21

22 6 FUSIBILITÀ E COLABILITÀ Un materiale ben fusibile riesce, allo stato liquido, a riempire tutte le cavità dello stampo, e deve avere un basso ritiro nel passaggio dallo stato liquido a quello solido, affinché non si verifichino le soffiature 6 FUSIBILITÀ E COLABILITÀ Queste proprietà sono sfruttate in fonderia, dove si ottengono per fusioni o colata pezzi anche molto grandi e di forma complessa, difficilmente ottenibili in altro modo. Es: temosifoni, statue, blocchi motore ecc. 22

23 7 SALDABILITÀ E l attitudine di un materiale a unirsi con un altro materiale, di uguale o diversa natura, per fusione e/o aggiunta di materiale di apporto. Il materiale per essere ben saldabile, presenta un passaggio da solido a liquido non improvviso, ma graduale. Generalmente i materiali ben saldabili non sono ben colabili e viceversa. SALDATURA 8 TRUCIOLABILITÀ E l attitudine del materiale a subire lavorazioni, lasciandosi tagliare per asportazione di truciolo mediante utensili montati su apposite macchine (macchine utensili). FRESATURA Gli utensili, che hanno una forma ben definita, devono essere costituiti da un materiale che presenti una durezza maggiore del materiale in lavorazione 23

24 8 TRUCIOLABILITÀ Questa proprietà è sfruttata in tutte le lavorazioni per asportazione di truciolo. Tornitura Trapanatura Filettatura Fresatura Brocciatura Molatura Ecc. 9 TEMPRABILITÀ è l attitudine di un materiale a subire (per effetto di un trattamento termico) trasformazioni cristalline tali da ottenere una struttura diversa e, quindi, proprietà meccaniche e tecnologiche differenti. TRATTAMENTO TERMICO Ciclo termico che consiste in un riscaldamento ad una temperature determinata a cui segue una permanenza detta temperatura ed un raffreddamento, più o meno lento. 24

25 Per misurare le proprietà tecnologiche e meccaniche dei materiali si effettuano sugli stessi delle prove. Alcune sono unificate, altre sono diffuse nella pratica di lavoro anche se ufficialmente non sono riconosciute. PROPRIETÀ DEI MATERIALI Chimiche strutturali Aspetto utile Aspetto dannoso Trattamenti di copertura: Decappaggio Brunitura Zincatura Cromatura Ecc. Corrosione Fisiche 1. Massa volumica 2. Calore specifico 3. Dilatazione termica 4. Temperatura di fusione 5. Conducibilità termica 6. Conducibilità elettrica Meccaniche Tecnologiche 1. Forze statiche 2. Forze dinamiche 3. Forze periodiche 4. Forze concentrate 5. Forze attrito 1. Malleabilità e plasticità 2. Duttilità 3. Imbutibilità 4. Piegabilità 5. Estrudibilità 6. Fusibilità e colabilità 7. Saldabilità 8. Truciolabilità 9. temprabilità Resistenza meccanica Resilienza Resistenza a fatica Durezza Resistenza all usura 1. Laminazione e fucinatura 2. Trafilatura 3. Imbutitura 4. Piegatura 5. Estrusione 6. Fonderia 7. Saldatura 8. Lavorazioni alle MU 9. Trattamenti termici 25