PROPRIETA DEI MATERIALI E LORO APPLICAZIONE DI DESIGN

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1 PROPRIETA DEI MATERIALI E LORO APPLICAZIONE DI DESIGN SPECIFICA (indicazione proprietà meccaniche complessive e superficiali, termiche, elettromagnetiche, caratteristiche di servizio,ecc.) LINGUAGGIO TECNICO SUI MATERIALI COMUNICAZIONE EFFICACE DELLE NECESSITA DI DESIGN

2 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

3 ATTUATORI Gli attuatori hanno per scopo la trasformazione di una pressione di un liquido (att. idraulici) o di quella dell'aria compressa (att. pneumatici) in un movimento lineare: oppure possono essere piezoelettrici (vedi sopra) Attuatore pneumatico

4 POLPO (Octopus Vulgaris) COME ESEMPIO DI SISTEMA DI ATTUAZIONE BIOLOGICO Movimento finale della zampa in funzione del rapporto indicato tra la forza ventrale e quella dorsale del muscolo.. A Movimento reale del polpo verso un obiettivo B Movimento neurologico della sola zampa C Modellizzazione lineare del movimento D Modellizzazione non lineare del movimento Il polpo viene intensamente studiato per esempio nella robotica onde assicurare un'attuazione in tempi molto brevi e con forze relativamente modeste (anche di pochi newton) che consente minore spreco di energia e utilizzo di materiali con minori problemi di vibrazioni e rumori

5 ATTUATORI NATURALI TRA LE PIANTE Anche nel mondo vegetale ci sono attuatori, che sfruttano la diversa pressione del fluido presente nelle proprie cellule (principio naturale che è alla base anche. p.es., del movimento dei vermi) Ci sono piante che aprono e chiudono le foglie a seconda della temperatura e dell'umidità (per esempio la mimosa, o l'acacia) per avere sempre la giusta quantità di sole e di acqua La dionea ha un sistema di serraggio automatico per catturare mosche e piccoli insetti di cui si nutre

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

7 FRAGILITÀ: ASSENZA DI STRIZIONE La rottura fragile è caratterizzata anche dal fatto che la sezione non si riduce (non c è STRIZIONE: caso c.) CAPSULE DENTALI IN ZIRCONIA SFERE DI ALLUMINA (abrasivo) Curva di trazione di un ceramico innovativo (es. zirconia, allumina, carburo di silicio) (valori indicativi) Nei ceramici la deformazione è spesso ai liniti della misurabilità, specie nel caso di prove di trazione, nelle quali la propagazione di un solo difetto porta a rottura. Questo rende preferibili prove di flessione

8 TEORIA DI GRIFFITH (1920) E GERARCHIZZAZIONE ROTTURA DI OBLO SU AEREO Griffith studiò l effetto dei difetti nella rottura fragile del vetro e dei metalli, conseguentemente all allora incomprensibile fenomeno dello scoppio degli oblò e teorizzò che avvenisse per il raggiungimento di uno «sforzo critico». Nel caso generale, studiato da Griffith, i difetti sono ellittici e la propagazione lungo l'apice della cricca. Inoltre, lo sforzo reale, dato che la cricca è così orientata è molto più grande di quello applicato sulla struttura, dipendendo dall'angolo dell'apice della cricca (più è stretto più lo sforzo aumenta), e consentendo quindi il superamento del valore critico. Notare che nelle strutture gerarchizzate, dove si parte dalla cellula, qualunque difetto nella cellula non diventa mai abbastanza grande da poter superare il valore critico stabilito da Griffith, per un effetto detto tensegrità.

9 TENACITÀ (SUSCETTIBILITÀ AI DIFETTI) Provini per misura di tenacità con intaglio (difetto artificiale) MODI DI PROPAGAZIONE DEL DIFETTO La tenacità è data approssimativamente dall'area sotto la curva sforzo-deformazione, nel caso di fessurazione serve a valutare quanto il materiale si opponga alla crescita della cricca (difetto).

10 TENSEGRITÀ (termine coniato da Buckminster Fuller) Equilibrio statistico tra le parti di una struttura in trazione e le sue parti in compressione Ogni trasformazione lineare di una tensegrità è a sua volta una tensegrità La tensegrità viene applicata in natura, con sistema gerarchizzato, fino alla nanoscala. Consente di neutralizzare i difetti, scaricando le tensioni nel punto di crescita e/o di riparazione dell'oggetto naturale di design. La tensegrità porta a due importanti caratteristiche delle strutture naturali: Auto-assemblaggio (self-assembly) Auto-riparazione (self-healing)

11 RIDURRE L INFLUENZA DEI DIFETTI: TEMPRA DEL VETRO FORNO A CONVEZIONE PER TEMPRA DEL VETRO Per ridurre gli effetti dei difetti nel vetro su strutture, si tagliano prima le lastre, poi le si riscalda a 640 C e le si raffredda rapidamente con getti d aria. Questo processo (tempra del vetro) fa sì che il vetro sia compresso esternamente e tirato all interno, producendo un effetto simile alla tensegrità di Fuller, e quindi sia più resistente.

12 CRISTALLINO E AMORFO I materiali ingegnerizzati sono parzialmente cristallini e parzialmente amorfi (semicristallini), per non essere troppo fragili. Significative conseguenze del fatto di non essere completamente cristallini sono: Che la loro temperatura di fusione non è esatta (tipo il ghiaccio puro che fonde esattamente a 0 C), ma si ha un intervallo di fusione (o per meglio dire di rammollimento) Che il loro comportamento meccanico non è elastico fino a rottura

13 SIMMETRIA, GERARCHIZZAZIONE, CRISTALLINITA : LE DIATOMEE (strutture di silice) Simmetria centrica Simmetria pinnata Diatomea con valve radiali Coscinodiscus walesii e struttura fotonica dei pori Altre simmetrie (per esempio, a stella) Valve oblunghe con margini ondulati. Visibili coste di rinforzo

14 MISURARE LE PROPRIETA MECCANICHE DELLE DIATOMEE: NANO-INDENTAZIONE Nanoindentazione delle diatomee e curve forza-deformazione relative I valori ottenuti sono puntuali e non globali: per ottenere il valore dello sforzo occorrerebbe misurare lo spessore e moltiplicarlo per la dimensione della punta d indentazione, ma questo non è sempre facile.

15 COMPOSITI CERAMICI NATURALI: MOLLUSCHI BIVALVA Ci sono compositi a matrice polimerica, ceramica e metallica (alluminio) Questa struttura, detta lamellare incrociata, con tre strati di spessore uniforme, ricorda l'allineamento delle fibre nel legno, delle barbule nelle piume o i compositi cross-ply (con fibre orientate a 0 e 90 ), ed è quindi tendente ad una quasi-isotropia

16 COMPOSITI POLIMERICI FIBRA-MATRICE: CARATTERISTICHE No sacche di resina Impregnazione della matrice (polimero) No fibre poco impregnate o scoperte Reologia del polimero (scorrimento viscoso) VETRO CARBONIO KEVLAR BASALTO VEGETALI (p.es. lino)

17 QUASI-ISOTROPIA PER SOVRAPPOSIZIONE DEGLI EFFETTI ORTOTROPO: Con proprietà costanti lungo ciascuna delle tre direzioni principali (x, y, z) Considerare i laminati compositi come quasi-isotropi in funzione della direzione delle fibre in ogni strato trascura il contributo dell'interfaccia fibra-matrice e dell'adesione variabile tra i diversi strati, ovviamente dipendente anche dal tipo di processo adottato per la laminazione

18 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

19 RIEPILOGO SU ALCUNI CONCETTI ELASTICITÀ: Resistenza alla deformazione. Un materiale elastico ha un basso livello di deformazione plastica (non recuperabile) quando viene applicata una forza (per esempio di trazione) DUREZZA: Resistenza alla penetrazione (superficiale). Si misura «indentando», cioè premendo con forza il materiale contro uno più duro. TENACITÀ: Resistenza alla penetrazione della cricca (difetto). Un materiale tenace non si fessura facilmente (o non lascia facilmente propagare o coalescere i difetti esistenti) quando è soggetto ad una forza improvvisa (impatto) DUTTILITÀ: Un materiale duttile fornisce delle indicazioni macroscopiche sulla prossimità a rottura del materiale (principalmente un evidente strizione), a differenza di un materiale fragile che si rompe senza evidenti «segnali» premonitori