Unità di misura (SI)

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1 Unità di misura (SI) Le grandezze fisiche e chimiche (o di altro tipo) vanno espresse preferibilmente secondo i simboli del Sistema Internazionale delle unità di misura (SI). Nelle seguenti tabelle vediamo le grandezze fondamentali e quelle derivate con i relativi simboli. Principali unità di misura derivate Resistenza elettrica Ohm Ω 1VA -1 = kg m 2 s -3 A -2 Esempio: 1nm = 10-9 m 1kPa = 10 3 Pa = 1000 Pa

2 Proprietà generali: Densità La densità di un materiale è definita come la massa per unità di volume: Densità = ρ = m / V m = massa [kg o g] unità di misura [kg/dm 3 o g/cm 3 ] V = volume [dm 3 o cm 3 ] La densità dei materiali è strettamente legata al numero atomico degli elementi che li costituiscono e al modo in cui gli atomi e le molecole si dispongono nello spazio (struttura). N.B. Il numero atomico indica il numero di protoni all'interno del nucleo di un atomo (vedi tavola periodica degli elementi). La massa di un atomo è quasi tutta concentrata nel nucleo (protoni e neutroni). Materiale Acciaio Alluminio Polietilene Policarbonato Calcestruzzo Vetro Composito in fibre di carbonio Legno massello Densità [kg/dm3] 7,9 2, ,2 2,5 2,3 1,6 0,7

3 Proprietà generali: Densità I materiali metallici hanno in genere densità elevata perché formati da elementi ad alto numero atomico (massa maggiore) e struttura cristallina compatta (volume minore). I materiali polimerici hanno in genere bassa densità in quanto sono costituiti principalmente da elementi a basso numero atomico (C, H, O) con struttura solo parzialmente ordinata (semicristallini o amorfi). I materiali ceramici più usati come calcestruzzo e vetro hanno densità intermedie tra metalli e polimeri Attenzione all unità di misura utilizzata in questo grafico!!! 1 kg/m 3 = 10-3 kg/dm 3 Densità Polietilene = 0,9 kg/dm 3 = 900 kg/m 3

4 Le Proprietà Meccaniche: rigidità resistenza tenacità duttilità durezza

5 Introduzione alle proprietà meccaniche dei materiali: Obiettivo Conoscendo: Forze agenti su un oggetto Dimensioni dell oggetto Possiamo determinare: Sforzi agenti Deformazioni conseguenti Questo ci permetterà di ottenere, attraverso dei risultati sperimentali, le prime informazioni sul comportamento meccanico di un materiale e quindi saremo in grado di selezionare i materiale più adatto a determinate applicazioni. Esempi: Di che materiale devo fare la mensola di una libreria di 4 mm di spessore affinchè una volta carica di libri non si fletta eccessivamente? Lo schienale di una sedia avente uno spessore di 3 mm può essere realizzato in polipropilene?

6 Introduzione alle proprietà meccaniche dei materiali: concetto di forza La forza è una grandezza fisica vettoriale, che si manifesta nell'interazione di due o più corpi e che cambia lo stato di quiete o di moto dei corpi stessi. Una grandezza vettoriale è una grandezza fisica che viene descritta dal punto di vista matematico da un vettore, ovvero da una grandezza definita da tre parametri: il modulo (intensità), la direzione e verso. Quando necessario, viene specificato anche il punto di applicazione. Al contrario le grandezze scalari sono definite solo dal modulo. Forza : F = m a (dalla seconda legge di Newton) m= massa a = accelerazione [F] = [Kg m / s 2 ] = [N] = Newton [kg] [m/s 2 ] Elementi di un vettore generico La forza risultante è pari alla somma vettoriale delle altre due forze (regola del parallelogramma).

7 Introduzione alle proprietà meccaniche dei materiali: concetto di forza Una forza di 1 N imprime ad un corpo con la massa di 1 kg l'accelerazione di 1 m/s². Le forze sono quindi le cause del moto dei corpi, possono pertanto mettere in moto un corpo che si trovava precedentemente in stato di quiete, modificare il movimento di un corpo già precedentemente in moto, o riportare il corpo in stato di quiete. Forza nucleare Forza gravitazionale Forza gravitazionale e Vincoli (riconducibili a forze elettromagnetiche Forza elettromagnetica

8 Introduzione alle proprietà meccaniche dei materiali : Condizioni fondamentali di carico Una forza applicata ad un corpo è spesso indicata come carico. I solidi possono essere sottoposti a diverse condizioni di carico. Ci sono 5 condizioni fondamentali di carico: trazione, compressione, taglio, flessione e torsione. Condizioni fondamentali di carico

9 Introduzione alle proprietà meccaniche dei materiali: Condizioni fondamentali di carico Trazione: quando un corpo è sollecitato da due forze esterne (oppure da una forza e una reazione vincolare) di uguale intensità, aventi la stessa direzione (perpendicolare alla sezione trasversale del corpo) ma verso opposto. In tali condizioni di carico, il corpo tende ad allungarsi e a contrarsi trasversalmente. Compressione è l opposto della trazione. In tali condizioni di carico, il corpo tende ad accorciarsi e ad allargarsi trasversalmente. La flessione comporta l applicazione di un carico che causa l incurvarsi del materiale e pone il materiale in compressione da un lato e in trazione dall altro. Il taglio comporta l applicazione di un carico parallelamente ad un piano del corpo e comporta una variazione di forma del corpo stesso: una parte del corpo slitta rispetto all altra. Torsione è l applicazione di una forza che produce una rotazione di una parte del corpo rispetto all altra.

10 Introduzione alle proprietà meccaniche dei materiali : Il corpo è deformabile Qualsiasi corpo soggetto a forze subisce una certa variazione delle sue dimensioni Nella progettazione e realizzazione di oggetti e componenti è importante sapere: sotto quali forze un oggetto si rompe (oppure si deforma in modo permanente); oppure di quanto cambia le sue dimensioni se soggetto ad una forza non sufficiente per romperlo (ma solo per deformarlo in modo permanente); A tal fine occorre conoscere le dimensioni iniziali dell oggetto e introdurre il concetto di sforzo e deformazione. Lo sforzo può essere valutato come il rapporto fra la forza applicata e le dimensioni dell oggetto; la deformazione come il rapporto fra la variazione di dimensioni e le dimensioni iniziali dell oggetto.

11 Introduzione alle proprietà meccaniche dei materiali : Sforzi e deformazioni Sezione trasversale del campione

12 Introduzione alle proprietà meccaniche dei materiali : Trazione e compressione Lo sforzo di trazione o compressione è determinato da due forze (oppure da una forza applicata e da una reazione vincolare) uguali ed opposte che agiscono nella direzione perpendicolare alla superficie trasversale del corpo. Ogni elemento rettangolare in cui si può immaginare di dividere il corpo si allunga o si accorcia di una quantità ΔL Se il corpo tende ad allungarsi nella direzione della forza si parla di deformazione a trazione Se il corpo tende ad accorciarsi nella direzione della forza si parla di deformazione a compressione

13 Introduzione alle proprietà meccaniche dei materiali : Sforzi e deformazioni Consideriamo una barra di sezione trasversale A 0 (area della sezione trasversale in [m 2 ]) sottoposta ad una forza di intensità F (quindi ogni sezione trasversale della barra in esame sarà soggetta ad una forza F) perpendicolare alla sezione stessa. Si definisce sforzo di trazione o normale (σ) il rapporto fra la forza applicata (F) e la sezione iniziale (A 0 ). σ = F / A 0 Unità di misura (SI) [σ] = N / m 2 = Pa = Pascal O più spesso: [σ] = MPa = megapascal = 10 6 Pa Ipotizziamo che la barra in esame, di lunghezza iniziale l 0, si deformi fino a raggiungere una lunghezza finale pari a l, si definisce deformazione (e) il rapporto fra l allungamento subito (Δl = l-l 0 ) e la lunghezza iniziale (l 0 ). e = (l l 0 ) / l 0 = Δl / l 0 Unità di misura: [e] = adimensionale [m/m] o [mm/mm] Può essere anche espressa come deformazione percentuale: ε% = ε 100 = (Δl / l 0 ) 100

14 Introduzione alle proprietà meccaniche dei materiali : Sforzo di taglio Lo sforzo di taglio (o sforzo tangenziale) è determinato da due forze (oppure da una forza applicata e da una reazione vincolare) uguali ed opposte che agiscono su direzioni fra loro parallele e parallele alla superficie trasversale del corpo. Ogni elemento rettangolare in cui si può immaginare di dividere il corpo si deforma inclinandosi di un angolo θ. Ogni sezione trasversale del corpo sarà soggetta alla forza di taglio F.

15 Introduzione alle proprietà meccaniche dei materiali : Sforzi e deformazioni Consideriamo una barra di sezione trasversale A (area della sezione trasversale in [m 2 ]) sottoposta ad una forza di taglio di intensità S (quindi ogni sezione trasversale della barra in esame sarà soggetta ad una forza S) parallela alla sezione stessa. Si definisce sforzo di taglio o tangenziale (t) il rapporto fra la forza applicata (S) e la sezione trasversale (A). τ = S / A Unità di misura [τ] = N / m 2 = Pascal O più spesso: [t] = MPa = megapascal = 10 6 Pa Uno sforzo di taglio (o sforzo tangenziale) determina una deformazione di taglio dovuta allo spostamento delle sezioni trasversali della barra. Immaginando che lo spostamento di valore a si verifichi fra due superfici poste a distanza h, si definisce deformazione di taglio g il rapporto fra lo spostamento a e la distanza h, che equivale alla tangente dell angolo di inclinazione θ (per angoli piccoli g = q) γ = a / h = tg θ Unità di misura [γ] = adimensionale [m/m] o [mm/mm]

16 LA PROVA DI TRAZIONE La prova di trazione consente di determinare alcune proprietà meccaniche dei materiali attraverso l acquisizione della curva sforzo/deformazione di un materiale. In questa prova un provino, di dimensioni e geometria opportuna, viene tirato fino a rottura in un tempo relativamente breve. Macchina di trazione La forza (carico) applicata viene misurata attraverso una cella di carico, mentre la deformazione viene misurata con un estensimetro attaccato al campione mediante dei morsetti. I dati vengono acquisiti da un computer e i valori del carico vengono convertiti in valori dello sforzo. Si costruisce quindi la curva sforzo-deformazione. La geometria dei provini può variare in base al tipo di materiale da testare, dal tipo di componente da cui è stato ricavato il provino (lamiera, tubo, nastro) e dal tipo di tecnologia con cui è stato prodotto (fusione, laminazione ecc.). Per uniformare i risultati e renderli confrontabili si fa riferimento alla normativa che stabilisce come deve essere condotta la prova.

17 Provini metallici La prova di trazione Geometria dei provini Anche i provini sono standardizzati (geometria e dimensioni stabilite dalla normativa di riferimento) Provini in materiale polimerico La forma del provino è tale che la deformazione e la rottura del provino avvengano in corrispondenza del tratto utile. Il raccordo presente fra il tratto utile e gli afferraggi evita che la rottura avvenga in corrispondenza delle ganasce, dove, oltre allo sforzo di trazione, si ha anche l effetto della compressione dovuta alle ganasce stesse.

18 PROVA DI TRAZIONE CURVA SFORZO DEFORMAZIONE (σ/ε) COMPORTAMENTO MECCANICO DEL MATERIALE COMPORTAMENTO ELASTICO COMPORTAMENTO ELASTO-PLASTICO

19 Curva sforzo/deformazione: Il comportamento elastico Quando un materiale presenta un comportamento elastico, lo sforzo è direttamente proporzionale alla deformazione (quindi l andamento σ/ε è rappresentato da un retta). In questo caso il provino arriva a rottura senza deformarsi in modo permanente (irreversibile), ovvero dopo eventuale rottura o nel caso si rimuova il carico prima di giungere a rottura, il provino ritorna alle dimensioni iniziali. Molti materiali a basse deformazioni (ε% generalmente inferiori allo 0.1 %) presentano un comportamento elastico lineare, ovvero reversibile. Questo comportamento è dovuto ad uno spostamento reversibile degli atomi dalla loro posizione di equilibrio. Il comportamento elastico del materiale e quindi la proporzionalità fra sforzo e deformazione è rappresentato dalla seguente formula: σ = E ε legge di Hooke dove E è una costante di proporzionalità, chiamata modulo di elasticità o modulo di Young ed è caratteristica per ogni materiale. Maggiore è la pendenza della curva sforzo-deformazione, maggiore è il valore del modulo di elasticità.

20 Curva sforzo/deformazione: Il comportamento elasto-plastico Nel caso di materiali a comportamento elasto-plastico, la curva sforzo-deformazione può essere suddivisa in due zone: la prima è rappresentativa di un iniziale comportamento elastico del materiale, la seconda di un successivo comportamento plastico. Nella zona a comportamento elastico il materiale presenta il comportamento descritto prima (legge di Hooke). Quando lo sforzo supera il valore critico, detto sforzo di snervamento σ s (limite elastico) inizia la zona a comportamento elasto-plastico, ovvero il materiale non segue più la legge di Hooke e, rimuovendo lo sforzo applicato o se si arriva a rottura, nel provino rimane una deformazione residua permanente, detta deformazione plastica. Questo comportamento è dovuto ad uno spostamento non reversibile degli atomi dalla loro posizione di equilibrio.

21 COMPORTAMENTO ELASTICO COMPORTAMENTO ELASTO-PLASTICO

22 Perché alcuni materiali presentano un comportamento elastico ed altri elasto-plastico? Il motivo per cui alcuni materiali mostrano un comportamento elastico ed altri elastoplastico può essere ricondotto alla loro struttura, in particolare alla stabilità degli atomi rispetto alla loro posizione di equilibrio. Se dopo essere stati perturbati dall applicazione della forza, essi tendono a tornare spontaneamente e rapidamente alla loro posizione di equilibrio, il comportamento macroscopico del materiale sarà di tipo elastico. Il comportamento elastico è mostrato dai materiali ceramici e dai vetri, che avendo un elevato modulo di Young (E) mostrano delle deformazioni elastiche molto piccole, e dai polimeri elastomerici, che avendo bassissimo modulo di Young, sono fortemente deformabili elasticamente. Mostrano comportamento elasto-plastico quasi tutti i metalli (tranne ghise e bronzi) e molti polimeri termoplastici.

23 GRANDEZZE OTTENIBILI DALLE CURVE SFORZO-DEFORMAZIONE Dalle curve sforzo e deformazione, ottenute mediante la prova di trazione, si possono ricavare le seguenti quattro grandezze, che rappresentano quattro principali proprietà dei materiali: Modulo di elasticità (E) o modulo di Young, la cui unità di misura in genere è GPa; Il limite elsatico o sforzo di snervamento (σ S, σsn oppure σy ) (in inglese Tensile Yield Strength TYS), in genere misurato in MPa; Sforzo di rottura (σ R oppure R) (in inglese Ultimate Tensile Strength UTS o TS), in genere misurato in MPa); allungamento percentuale a rottura ε R (%) (A n %, in inglese %EL) (misurato con un estensimetro)

24 Materiale con COMPORTAMENTO ELASTICO (anche fragile) Se lo sforzo applicato è inferiore a quello di rottura (σ R ), il materiale opera in campo elastico; quindi, rimuovendo lo sforzo applicato, la deformazione viene recuperata. Se si supera lo sforzo di rottura, si supera la massima resistenza meccanica del materiale e la sedia si rompe. Materiale con COMPORTAMENTO ELASTO-PLASTICO (duttile) Se lo sforzo applicato è inferiore a quello di snervamento (σ S ), il materiale opera in campo elastico; quindi, rimuovendo lo sforzo applicato, la deformazione viene recuperata. Se lo sforzo è superiore a quello di snervamento ma inferiore a quello di rottura (σ R ), rimuovendo il carico applicato, la sedia rimane deformata in modo permanente, poichè viene recuperata solo la deformazione elastica.

25 Curva sforzo-deformazione per comportamento elastico lineare Per piccole deformazioni tutti i materiali hanno un comportamento elastico lineare. Le deformazioni sono in genere dello 0,1%. Nel campo elastico lineare la curva a trazione e quella a compressione hanno lo stesso modulo di Young, cioè la stessa pendenza. L area sottesa alla curva rappresenta l energia elastica per unità di volume. Quando il carico viene rimosso il provino ritorna alle dimensioni iniziali e l energia elastica immagazzinata durante la deformazione viene restituita integralmente. La proporzione fra sforzo e deformazione è rappresentabile con una retta la cui pendenza è il modulo di Young (E)

26 Alcuni materiali presentano solo comportamento approssimato a quello elastico lineare Acciai per molle Allumina, vetro Polimetilmetacrilato a bassa temperatura Bachelite (resina fenolica)

27 Curva sforzo-deformazione per comportamento elastico non-lineare Alcuni materiali presentano comportamento elastico non lineare Gomma Legno Nel caso della gomma (elastomero) per piccoli sforzi di trazione si hanno elevate deformazioni; in genere sono dell ordine di 5 volte la dimensione iniziale del campione. L area sottesa alla curva rappresenta l enorme quantità di energia di deformazione immagazzinata che viene restituita integralmente quando il carico viene rimosso. Il comportamento a compressione è diverso da quello a trazione. Il legno sollecitato a trazione (nella direzione delle fibre) si deforma poco prima di arrivare a frattura; mentre a compressione per piccoli sforzi si hanno elevate deformazioni, cioè si ha un elevata deformazione nella direzione delle fibre prima di arrivare a frattura.

28 Stress (MPa) Alcuni materiali presentano comportamento elastico non lineare Calcestruzzo Ghisa Gray Cast Iron Strain Il calcestruzzo è un materiale composito formato dalla pasta di cemento e dagli aggregati. Entrambi i costituenti presentano un comportamento elastico lineare (fragile). A trazione ha un comportamento elastico non lineare mentre a compressione ha un comportamento duttile, dovuto alla differente rigidità (E) dei materiali che lo compongono. Durante la deformazione si formano delle microfressure che, scorrendo all interno della pasta di cemento, determinano la sostanziale deviazione della curva σ/ε dalla linearità. Superato lo sforzo massimo (resistenza del materiale), si ha una rottura di tipo duttile. La ghisa ha un comportamento fragile, ma la curva σ/ε ha un andamento elastico non lineare.

29 Il comportamento elasto-plastico A sforzi maggiori di quelli compresi nel tratto elastico, in molti materiali intervengono deformazioni non reversibili, dette deformazioni plastiche.

30 Il comportamento elasto-plastico Nei materiali cristallini (materiali metallici), le deformazioni plastiche avvengono per scorrimento di dislocazioni.

31 Deformabilità dei metalli: elevata Avviene per scorrimento di dislocazioni I metalli sono duttili Legame non direzionale Deformabilità dei ceramici: spesso trascurabile. Legame covalente: direzionale, oppone grande resistenza allo scorrimento Legame ionico impedimento dovuto a repulsioni elettrostatiche fra ioni nel corso degli scorrimenti Deformazione irreversibile nei polimeri: scorrimento relativo di catene polimeriche, rotazioni di legami.

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33 Curva sforzo-deformazione per il comportamento elasto-plastico 1-tratto elastico lineare 2-il tratto elastico lineare continua 3-si raggiunge il limite elastico Y 4-deformazione plastica

34 Curva sforzo-deformazione per il comportamento elasto-plastico 5-si raggiunge il limite di snervamento (ε = 0,2%) 6-si raggiunge il limite ultimo UTS (resistenza materiale) 7-inizio strizione 8-frattura

35 Curva sforzo/deformazione: Grandezze ricavabili E dal tratto 1 4 σ s dal tratto 2 σ R al punto 3 A n % dal punto 4 Tensile test necking simulation Intensità della deformazione di un provino duttile nel corso della prova di trazione

36 Carico di snervamento allo 0,2% (o ingegneristico) Il carico di snervamento σ S (σ sn ) o TYS è una grandezza molto importante nelle progettazione strutturale, in quanto è la sollecitazione al di sopra della quale nel materiale (materiali metallici) si manifestano significative deformazioni plastiche. Dato che nel diagramma σ/ε non sempre è definibile con esattezza un punto in cui finisce il campo elastico e inizia quello plastico (ovvero l inizio del moto delle dislocazioni), il carico di snervamento (in questo caso carico di snervamento ingegneristico) è definibile come la sollecitazione in corrispondenza della quale si ha una deformazione plastica residua dello 0,2% (a volte, in dipendenza della specifica applicazione, anche 0,1% o 0,5%). σ S σ S si determina tracciando una retta parallela al tratto elastico della curva σ/ε partendo da un valore di deformazione pari allo 0,2% (cioè 0,002).

37 Curva sforzo-deformazione con punto di snervamento visibile Alcuni metalli duttili, come l'acciaio dolce (a basso tenore di carbonio), presentano un comportamento sostanzialmente lineare fino al raggiungimento del punto di snervamento superiore, quindi lo sforzo σ cala bruscamente rimanendo sostanzialmente costante (punto di snervamento inferiore), mentre la deformazione aumenta. Successivamente σ ritorna a crescere. Il punto di snervamento inferiore viene assunto come il carico di snervamento di riferimento per la progettazione. Il processo di snervamento è un fenomeno locale di deformazione plastica dovuto allo scorrimento delle dislocazioni. Le bande di scorrimento (dette bande di Luders) si sviluppano, in genere, con un angolo di 45 rispetto all asse del provino. Tali bande si propagano su tutta la sezione di prova, poi lo sforzo ricomincia a crescere a causa dell interazione delle dislocazioni, che ostacolandosi, portano al fenomeno dell incrudimento (ovvero lo sforzo necessario per continuare la deformazione del materiale aumenta).

38 Determinazione della tensione di snervamento in tre casi limite a) Il passaggio dal comportamento elastico a quello plastico è definibile b) Snervamento visibile (sforzo di snervamento superiore e inferiore) c) Il passaggio dal comportamento elastico a quello plastico non è definibile con esattezza (σ S determinata allo 0.2% di deformazione)

39 Sforzo (carico) di rottura Il sforzo di rottura σ R, UTS o TS è il valore massimo di resistenza raggiunto nel diagramma sforzo-deformazione. Infatti superato tale carico si manifesta sul provino un restringimento localizzato della sezione (strizione); di conseguenza lo sforzo σ diminuirà all aumentare della deformazione fino al sopraggiungere della rottura, in quanto esso è calcolato in riferimento alla sezione iniziale del provino (sforzo nominale o ingegneristico: σ n = F/A 0 ) e non a quella effettiva. Considerando la sezione effettiva per il calcolo dello sforzo, si osserverebbe che tale sforzo (sforzo reale), nei materiali metallici, continua in realtà ad aumentare fino al valore in cui si ha la rottura. Più il metallo è duttile, più sarà evidente la strizione sul provino e quindi maggiore sarà la diminuzione dello sforzo nominale (o l aumento di σ reale). Curva σ/ε di un acciaio a basso tenore di carbonio σ R,

40 Allungamento percentuale a rottura e strizione percentuale Misure della duttilità L o = Lunghezza del tratto utile prima della prova Lf = lunghezza finale ottenuta ricongiungendo le due metà del provino e misurando la lunghezza finale del tratto utile (si considera solo la deformazione permanente) Durante la prova di trazione si può utilizzare un estensimetro per valutare in continuo la deformazione del provino. La strizione percentuale si misura conoscendo il diametro iniziale della sezione del provino e misurando il diametro della sezione di rottura (sezione minima)

41 PRINCIPALI PROPRIETÁ MECCANICHE RICAVABILI DALLA CURVA SFORZO-DEFORMAZIONE Proprietà meccanica Grandezza caratteristica Unità di misura Rigidezza Modulo di elasticità (E) GPa Resistenza Sforzo di snervamento σ S e sforzo di rottura σ R MPa Duttilità Allungamento a rottura A n % Strizione percentuale z% % Tenacità Modulo di elasticità Sforzo di snervamento Deformazione a rottura

42 PROPRIETÁ MECCANICHE: RIGIDEZZA La rigidezza di un materiale è correlata alla sua capacità di subire deformazioni in campo elastico. La grandezza caratteristica che ci permette di definire la rigidezza di un materiale è il modulo di elasticità (E) (o modulo elastico). Dalla pendenza del tratto elastico delle 3 curve sforzo-deformazione si deduce che il materiale 3 ha una rigidezza maggiore del materiale 1; infatti la pendenza della curva aumenta dal materiale 1 al materiale 3 e quindi aumenta il relativo modulo di elasticità. Un materiale con basso modulo di elasticità (e quindi bassa rigidezza) viene definito cedevole oppure flessibile. Possiamo dire che a un elevata energia di legame corrisponde un maggior valore del Modulo Elastico (E) e quindi una maggior rigidezza; infatti serve una maggior energia per spostare gli atomi dalla loro posizione di equilibrio (ovvero per deformare elasticamente il materiale). E

43 Il modulo di Elasticità (Rigidezza) dei materiali Valori di rigidezza (E) per alcuni materiali: Acciaio: 200 GPa Alluminio: 74 GPa Rame: 125 GPa Polietilene: 0,8 GPa Calcestruzzo: 20 GPa Vetro: 70 GPa Composito a fibre di vetro: 22 GPa Composito a fibre di carbonio: 110 GPa Legno massello: 15 GPa Gomma naturale: 0,002 GPa La rigidezza è la caratteristica meccanica più importante dei compositi a fibre di carbonio, in quanto associano tale proprietà ad una notevole leggerezza (applicazione: telaio automobili Formula 1)

44 PROPRIETÁ MECCANICHE: RESISTENZA La resistenza di un materiale è correlata alla sua capacità di sopportare delle forze applicate senza rompersi e senza deformarsi in modo permanente. La grandezza caratteristica che ci permette di definire la resistenza di un materiale dipende dal tipo di materiale, ovvero se tale materiale si comporta in modo elastoplastico oppure elastico: comportamento elasto-plastico sforzo di snervamento σ S comportamento elastico (materiali fragili) sforzo di rottura σ R σ R σ S In entrambi i casi la resistenza aumenta passando dal materiale 1 al materiale 3. In questo esempio la rigidezza (E) e la duttilità (ε R ) dei tre materiali sono molto simili. In genere un materiale poco resistente viene definito tenero.

45 La resistenza dei materiali ATTENZIONE: Per ceramici e vetro le resistenze riportate sono a compressione

46 PROPRIETÁ MECCANICHE: DEFORMABILITÁ PLASTICA (DUTTILITÁ) La deformabilità plastica di un materiale è correlata alla sua capacità di sopportare grandi deformazioni plastiche senza rompersi. Tale caratteristica, soprattutto per i materiali metallici, è importante, non tanto in fase di utilizzo del materiale, quanto in fase di lavorazione. Infatti tramite deformazione plastica (es: laminazione a caldo o a freddo, estrusione e forgiatura) è possibile produrre lamiere, barre e pezzi forgiati. I materiali fragili, come ceramici e metalli con bassissima duttilità (bronzo e ghisa) non sono lavorabili per deformazione plastica, pertanto vengono prodotti per sinterizzazione (ceramici) e per colata direttamente nello stampo (ghisa, bronzo). La grandezza a cui si fa riferimento per la deformazione a rottura è l allungamento percentuale ε R (A n %). Nella figura vediamo che dal materiale 1 al materiale 3 la deformazione a rottura aumenta. La rigidezza e la resistenza in questo caso ideale sono molto simili. ε R

47 La duttilità dei materiali

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49 Perché, dopo un urto, il bicchiere si rompe e invece la carrozzeria si deforma? Perché il metallo di cui è costituita la carrozzeria è in grado di assorbire una grande quantità di energia per deformazione plastica. E un materiale tenace. Assorbe dunque l energia dell urto senza arrivare a rottura. Il vetro pur deformandosi fino a rottura assorbe una piccola quantità di energia. E un materiale fragile.

50 PROPRIETÁ MECCANICHE: TENACITÁ La tenacità di un materiale è sostanzialmente legata alla sua capacità di resistere agli urti, ovvero la capacità di dissipare al suo interno l energia di deformazione che può provenire da un urto. Un materiale a comportamento tenace si rompe in modo controllato, modificando gradualmente la sua forma e la sua microstruttura, assorbendo, quindi, elevate energie di deformazione. Un materiale a comportamento fragile si rompe all improvviso (di schianto) senza dar luogo a deformazioni permanenti di grande entità e quindi con basse energie di deformazione. La tenacità può essere valutata dalla curva sforzo-deformazione calcolando I T come il prodotto fra la tensione di rottura e il valore dell allungamento a rottura. In pratica questo è un indice della capacità del materiale di immagazzinare energia nel campo elasto-plastico senza arrivare a rottura.

51 Alcune curve sforzo deformazione di importanti materiali strutturali

52 Alcune curve sforzo deformazione di importanti materiali strutturali

53 Materiali tenaci o meno presentano diversi comportamenti alla frattura. LA FRATTURA DUTTILE O FRAGILE Duttile Fragile Deformazione elevata piccola Velocità di propagazione Tipo di materiali Segni premonitori Energia assorbita alla frattura Bassa, si propaga al crescere dello sforzo Maggior parte dei metalli, polimeri termoplastici (sopra T g ) Deformazione permanente elevata elevata Ceramici, vetri, polimeri termoplastici (sotto T g ) o termoindurenti nessuno piccola Superficie di frattura rugosa lucida Strizione sì no

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56 La frattura duttile La frattura duttile avviene dopo una notevole deformazione plastica con strizione. Frattura duttile nei metalli (coppa-cono) Si possono individuare diversi stadi: (1) Strizione iniziale (2) Si formano dei microvuoti all interno della zona soggetta a strizione (3) I microvuoti coalescono formando una cricca nel centro del provino (4) La cricca propaga verso la superficie in direzione perpendicolare allo sforzo applicato (5) Quando la cricca raggiunge la superficie la sua direzione si inclina di 45 rispetto alla direzione di trazione e si verifica una rottura di tipo coppacono Le fratture duttili sono meno frequenti di quelle fragili e sono principalmente causate dal sovraccarico del componente

57 La frattura fragile o semifragile di un metallo La frattura fragile o semifragile avviene con una deformazione plastica nulla o piccola e il provino non presenta strizione. Nei metalli la frattura fragile può essere di due tipi: transgranulare, quando le cricche si propagano attraverso i grani intergranulare, quando le cricche si propagano seguendo i bordi dei grani. Di solito la frattura fragile di tipo transgranulare avanza lungo piani cristallografici caratteristici detti piani di clivaggio

58 Meccanismo di frattura fragile o duttile Meccanismo di frattura fragile di una lega di magnesio AM60B, sono indicate le facce di clivaggio. Meccanismo di frattura duttile di una lega di magnesio AM60B, sono indicati i microvuoti

59 Fratture duttili Duralluminio Cono Coppa Alluminio puro

60 Frattura duttile Rame Cono Coppa Frattura fragile Acciaio dolce a bassa temperatura

61 Morfologie tipiche di fratture fragili al microscopio elettronico