MATERIALI E PROPRIETA'

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1 GLI ARGOMENTI DI QUESTA LEZIONE LI TROVIAMO SUL VOLUME B, A PAG. 185 E SEGUENTI. CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI I materiali sono classificati in primo luogo in relazione all'uso che l'uomo fa di essi. Possiamo così trovare i seguenti materiali: 1) Metalli 2) Legno 3) Tessuti 4) Carta

2 CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI 5) Materiali lapidei (dal latino LAPIS che significa PIETRA). Sono tutti quelli che derivano dalle rocce (sabbia, ghiaia, marmo, pietre squadrate,terra ecc.) 6) Leganti (cemento, calce, gesso) 7) Vetro 8) Materiali ceramici (si ottengono con la cottura al forno di argilla opportunamente lavorata. Es. mattoni, piastrelle, tegole, vasi ecc.)

3 CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI 9) Plastica ALTRI MATERIALI SONO: Adesivi; Vernici; Impermeabilizzanti Isolanti ecc. ecc.

4 Le proprietà dei materiali che ora studieremo sono descritte, in alcuni casi, con riferimento particolare ai metalli, però sono, in generale, valide per tutti i materiali. Le proprietà dei materiali si dividono in 4 gruppi: PROPRIETA' CHIMICHE PROPRIETA' FISICHE PROPRIETA' MECCANICHE Sono quelle che si occupano della struttura microscopica della materia. (Atomi e molecole, cioè dell'infinitamente piccolo) Si riferiscono alla struttura macroscopica della materia, cioè ad una porzione di materiale abbastanza grande da poter essere presa in mano. Studiano la resistenza del materiale all'azione di forze esterne PROPRIETA' TECNOLOGICHE Si occupano della lavorabilità del materiale, cioè di come può essere lavorato più facilmente a seconda del tipo.

5 PROPRIETA' FISICHE

6 PROPRIETA' FISICHE Non studiamo le proprietà chimiche, già oggetto di altra disciplina. Le Proprietà Fisiche sono quelle che si occupano della struttura macroscopica della materia. Citiamo tra esse: 1) MASSA VOLUMICA O DENSITA' 2) DILATAZIONE TERMICA 3) TEMPERATURA DI FUSIONE 4) CONDUCIBILITA' ELETTRICA Noi studieremo solo le prime due.

7 PROPRIETA' FISICHE 1) MASSA VOLUMICA O DENSITA' Che cosa è la MASSA? La MASSA, che si misura in kg (chilogrammi), è una proprietà della materia che non cambia con la posizione occupata da essa. Per es. un oggetto che sulla terra pesa 60 chili sulla luna pesa solo 10 chili, mentre la massa è la stessa, sulla terra e sulla luna. Il peso è dato infatti dalla forza con cui la terra (o la luna) lo attrae, e questa forza è proporzionale alla massa della terra (o della luna) e alla massa dell'oggetto considerato. Il peso di un oggetto cambia anche sulla terra; pesa infatti un po' di più al polo e un po' meno all'equatore. Noi non ci accorgiamo di tale differenza, ma occorre tenerne conto se si pesano materiali preziosi, come l'oro.

8 PROPRIETA' FISICHE 1) MASSA VOLUMICA O DENSITA' La MASSA VOLUMICA si può definire in tre modi: 1) La MASSA VOLUMICA è la massa di 1 metro cubo di materiale: 2) La MASSA VOLUMICA è il rapporto tra la massa e il volume occupato dal materiale; 3) La MASSA VOLUMICA è la massa dell'unità di volume.. Come si misura la DENSITA' o MASSA VOLUMICA? Se il materiale è solido si costruisce un campione cubico, lo si pesa, e poi se ne calcola il Volume. La DENSITA' si ottiene dividendo la MASSA del campione per il suo VOLUME, cioè ρ = ρ è una lettera dell'alfabeto greco, che si pronuncia RO ed equivale, come pronuncia, alla nostra R.

9 PROPRIETA' FISICHE 1) MASSA VOLUMICA O DENSITA' ρ = SE la massa si misura in kg ed il volume in m 3 allora la DENSITA' si misurerà in chilogrammi metri cubi Cioè, in formula Che si legge chilogrammi al metro cubo. Esempio: un cubo di legno, col lato di 50 mm, al peso risulta di 65 grammi. Allora, poiché 50 mm = 0,05 m si ha: V=0,05 3 = 0, m 3 e 65 g = 0,065 kg sarà: M=65 g 3 L=50 mm ρ = = 520 kg/m

10 1) MASSA VOLUMICA O DENSITA' PROPRIETA' FISICHE Se il materiale è un liquido si può misurare il suo volume utilizzando una provetta graduata, la sua massa mettendo il contenitore sulla bilancia e detraendo la tara. Se il materiale è sabbia o terra si misura il volume mettendo un campione in un recipiente di cui si conosce il volume, poi lo si pesa, si sottrae il peso del contenitore e si calcola poi la densità. Se il materiale è solido ma non si può ottenere un provino di forma regolare se ne misura il volume immergendolo in un recipiente graduato di opportune dimensioni e contenente acqua; l'aumento del livello dell'acqua ci dice qual'è il suo volume.

11 PROPRIETA' FISICHE 1) MASSA VOLUMICA O DENSITA' Vediamo ora la densità di alcuni materiali, a partire dai più leggeri. MATERIALE LEGNO ACQUA DENSITA' kg/m ROCCE MAGNESIO ALLUMINIO 2700 TITANIO 4510 ZINCO 7140 STAGNO 7290 FERRO 7860 NICHEL 8800 RAME 8900 PIOMBO MERCURIO ORO TUNGSTENO PLATINO 21450

12 2) DILATAZIONE TERMICA PROPRIETA' FISICHE Tutti i materiali al variare della temperatura cambiano di volume. In generale il volume aumenta quando aumenta la temperatura, e diminuisce al calare della stessa. Se l'oggetto con cui abbiamo a che fare ha una dimensione prevalente sulle altre, ad esempio una barra di metallo, al variare della temperatura, cambia la lunghezza della barra. Noi ci limitiamo a studiare quest'ultimo caso, definendo il COEFFICIENTE DI DILATAZIONE LINEARE

13 2) DILATAZIONE TERMICA PROPRIETA' FISICHE Coefficiente di dilatazione lineare Il Coefficiente di dilatazione lineare è l'allungamento di una barra di materiale lunga 1 m quando la temperatura varia di 1 C. La sua unità di misura è il C -1 cioè l'inverso della temperatura, ossia 1 C Ad es. il coeff. di dilataz. del ferro è 0, C -1 Ciò significa che una barra di ferro lunga 1 m si allunga di 0, m, cioè 0,012 mm, se la temperatura aumenta di 1 C. In altre parole, se la temperatura sale di 100 C, la barra suddetta si allunga di 1 0, x 100 x 1 C m = 0,0012 m cioè 1,2 mm C

14 2) DILATAZIONE TERMICA PROPRIETA' FISICHE Coefficiente di dilatazione lineare Qual'è l'unità di misura del Coefficiente di Dilatazione lineare? E' il C -1 1 (Grado alla meno uno, o 1/grado ( ), cioè l'inverso della temperatura) C Infatti l'allungamento ΔL causato da una variazione di temperatura ΔT si ottiene moltiplicando la lunghezza iniziale L per il coefficiente di dilatazione lineare e per la differenza di temperatura. ΔL = α L ΔT Da cui si ha: α = ΔL L ΔT m m C = 1 C

15 2) DILATAZIONE TERMICA PROPRIETA' FISICHE Coefficiente di dilatazione lineare Facciamo qualche esercizio. La nostra scuola ha una lunghezza di circa 50 m. Vogliamo scoprire di quanto si allunga ( o si accorcia) nel passaggio inverno - estate, supponendo che la variazione di temperatura sia di 20 C. Ipotizziamo anche che il Coefficiente di dilatazione del cemento armato sia α = 0, C -1 ΔL = α L ΔT ΔL = 0, x 50 x 20 C -1 x m x C = 0,011 m = 1,1 cm

16 2) DILATAZIONE TERMICA Coefficiente di dilatazione lineare Nella tabella a fianco si riporta, in ordine crescente, il coefficiente di dilatazione lineare di alcuni materiali. Nota come quello che si dilata meno sia il platino, che è usato, in lega con l'iridio (lega detta INVAR), per la costruzione del metro campione e di alcuni strumenti di misura. MATERIALE PROPRIETA' FISICHE Coefficiente di dilatazione lineare C -1 PLATINO 0, GHISA 0, ACCIAIOI 0, NICHEL 0, ORO 0, RAME 0, ZINCO 0, BRONZO, OTTONE 0, ARGENTO 0, STAGNO 0, ALLUMINIO 0, PIOMBO 0,000029

17 PROPRIETA' MECCANICHE

18 PROPRIETA' MECCANICHE Le Proprietà Meccaniche sono quelle che studiano la Resistenza del materiale all'azione di forze esterne. F Le forze esterne possono causare diversi tipi di sollecitazione: Compressione, che si ha quando le forze agenti tendono ad accorciare o schiacciare il materiale (es. i pilastri di un edificio) Trazione, che si ha quando le forze tendono ad allungare le fibre del materiale (es. il cavo di una gru, o di un ascensore o le funi di un'altalena) Flessione: è il caso di una trave appoggiata, che sotto un carico tende a flettersi (cioè a piegarsi)

19 PROPRIETA' MECCANICHE Taglio: si ha quando un elemento tende ad essere tranciato dalle forze agenti. E' il caso del gambo del bullone in figura, che tiene i due elementi soggetti a trazione,o del perno nella figura a destra. Torsione: è il caso del cacciavite il cui asse tende a deformarsi sotto l'azione di una coppia di forze. Oppure di un albero trasmette il moto.

20 PROPRIETA' MECCANICHE Noi studieremo ora le sollecitazioni di: COMPRESSIONE COMPRESSIONE TRAZIONE TAGLIO E' il caso di un elemento soggetto a due forze uguali ed opposte che tendono ad accorciare o schiacciare l'elemento stesso. La Resistenza a compressione si misura sottoponendo un provino, di solito di forma cubica, all'azione di una pressa, che genera due forze che agiscono sulle due facce opposte del provino. La macchina misura la forza applicata, che viene fatta aumentare fino a provocare la rottura del campione. Ottenuta la forza che provoca la rottura del provino la resistenza viene calcolata dividendo la forza per l'area della faccia sulla quale agisce. In formula si ha: F F σ = F A Dove σ è una lettera greca che si chiama sigma ed indica la resistenza a compressione, F è la forza che provoca la rottura del provino, e A è l'area del quadrato su cui la forza F agisce.

21 PROPRIETA' MECCANICHE COMPRESSIONE σ = F A F Esempio: Un provino di calcestruzzo di lato di 15 cm si rompe con una forza di 500 kn. Allora sarà: F = 500 kn = N A = 15 x 15 = 225 cm 2 = mm 2 F E quindi: N σ = = 22,2 N/mm mm 2 Da ciò si evince che l'unità di misura della resistenza è il N/mm 2.

22 PROPRIETA' MECCANICHE COMPRESSIONE Nella foto vediamo un esempio di Macchina Universale per le prove di trazione e compressione. Curiosità: la resistenza del calcestruzzo per il cemento armato può variare da un minimo di 15 ad un massimo di 55 N/mm 2.

23 PROPRIETA' MECCANICHE TRAZIONE E' il caso di un elemento soggetto a due forze uguali ed opposte che tendono ad allungarlo. Per misurare la resistenza a trazione di un materiale (di solito un metallo) si costruisce un provino di forma cilindrica e, tramite una macchina, che ne afferra con due opportune pinze le estremità, si applicano due forze opposte, e si fanno aumentare gradatamente fino alla rottura. La resistenza si calcola dividendo la forza per l'area della sezione del provino, cioè, come nel caso precedente: σ = F A Esempio: una barra d'acciaio da cemento armato, del diametro di 10 mm, sottoposta a trazione si rompe quando la forza applicata raggiunge il valore di 34 kn. Allora la resistenza sarà: F = N A = π 10 2 /4 = 78,54 mm 2 da cui N σ = = ,54 mm 2

24 PROPRIETA' MECCANICHE OSSERVAZIONI. In un metallo si misura in genere solo la resistenza a trazione, perché già sappiamo che la resistenza a compressione è circa uguale a quella a trazione, e inoltre la prova di trazione ci da anche altre informazioni sulle quali ora non ci soffermiamo. In materiali come pietre, mattoni e simili si misura invece solo la resistenza a compressione in quanto quella a trazione è inferiore di circa 10 volte e, per legge, non viene presa in considerazione nel calcolo delle strutture. TAGLIO Si ha quando le forze agiscono in modo da tendere a tranciare l'elemento strutturale. E' il caso dei perni, ma anche chiodi, bulloni, chiavette ecc. (V. fig.) La misura della resistenza si esegue in modo analogo ai precedenti, dividendo la forza agente al momento della rottura per l'area delle due sezioni il cui il perno è tranciato. Definiamo infine la DUREZZA che è la capacità di non lasciarsi scalfire da altri materiali. Pur essendo una proprietà meccanica è importante conoscerla nelle lavorazioni alle macchine utensili in quanto un materiale molto duro non può essere lavorato al tornio né alla fresa.

25 PROPRIETA' TECNOLOGICHE

26 PROPRIETA' TECNOLOGICHE Le PROPRIETA' TECNOLOGICHE sono quelle che si riferiscono alla lavorabilità del materiale. Citiamo le seguenti. DUTTILITA': è la capacità di lasciarsi ridurre in fili sottili. MALLEABILITA': è la capacità di lasciarsi ridurre in lamine sottili. FUSIBILITA': è la proprietà di quel materiale che, fondendo, diventa molto fluido, tale da poter essere facilmente versato in uno stampo, anche di forma complessa. Tutte le suddette proprietà sono caratteristiche dei metalli, mentre non hanno senso in altri materiali. Uno dei materiali più duttili in assoluto è l'oro. Da notare infine che i materiali molto duri sono anche fragili, cioè non resistono agli urti. L'acciaio per es. è un materiale duttile, mentre la ghisa, che è molto più dura, non è duttile ed è molto più fragile dell'acciaio medesimo.