Ripasso delle proprietà dei materiali. Teodoro Valente

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1 Ripasso delle proprietà dei materiali Teodoro Valente

2 Ripasso proprietà e CES _ogni volta che ci relazioniamo ad un oggetto si possono fare alcune considerazioni relative al materiale di cui è costituito, alle sue caratteristiche e proprietà

3 Le 12 proprietà Proprietà generali: ü _costo ü _densità Proprietà meccaniche: ü _rigidità ü _resistenza ü _tenacità ü _duttilità Proprietà fisiche e chimiche: ü _conducibilità termica ü ü ü ü _conducibilità elettrica _magnetismo _massima temperatura di esercizio _durabilità Proprietà ottiche: ü _trasparenza

4 Le 12 proprietà: Costo non può essere definito una proprietà di un materiale ma da tenere nella massima considerazione ü _varia da meno di 0,10 euro/kg (calcestruzzo), a più di euro/kg (oro) ü _i più usati sono i materiali per costruzioni civili (calcestruzzo, mattoni e legno) che hanno il prezzo più basso ü _il metallo più usato è l acciaio (1000 volte il titanio, che costa 100 volte di più) ü _il polimero più usato è il polietilene (il più economico) ü relazione tra produzione annua e costo dei principali materiali

5 Le 12 proprietà: Densità Definizione: peso per unità di volume Unità di misura: Mg/m 3 ma 1 Mg/m 3 = 1 g/cm 3 = 1 kg/dm 3 Corrisponde al peso specifico (peso materiale diviso peso pari volume di acqua) La densità dei materiali è strettamente legata al numero atomico

6 Le 12 proprietà: Densità dei metalli _elevata densità (alto numero atomico e ordinati in modo compatto) quale è il metallo con densità più elevata?

7 Le 12 proprietà: Densità dei metalli _elevata densità (alto numero atomico e ordinati in modo compatto) quale è il metallo con densità più elevata? ü ü ü ü ü ü ü 1,8 g/cm3 magnesio 2,7 g/cm3 alluminio 7,8 g/cm3 ferro (acciai) 11,3 g/cm3 piombo 13,5 g/cm3 mercurio 18,9 g/cm3 uranio impoverito 19,3 g/cm3 oro

8 Le 12 proprietà: Densità dei polimeri _bassa densità in quanto costituiti principalmente da elementi a basso numero atomico (carbonio, idrogeno, ossigeno) e presentano basso fattore di compattazione atomica 0,9-2,0 g/cm 3

9 Le 12 proprietà: Densità dei ceramici Molto diversificati (calcestruzzo, vetro, terracotta, porcellana, allumina, diamante)

10 Le 12 proprietà: Densità Valori di densità di dodici materiali rappresentativi delle famiglie di materiali

11 Le 12 proprietà: Prezzo e Densità prezzo per unità di volume: prezzo per unità di peso (euro/kg) x densità (kg/dm 3 ) unità di misura ottenuta euro/dm 3

12 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche _rigidità _resistenza _duttilità _tenacità

13 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche Curva sforzo-deformazione è l andamento di un diagramma sforzo deformazione ottenuto eseguendo una prova di trazione Una barra sottoposta a forze modifica le sue dimensioni Se trazione si allunga e l allungamento è tanto più elevato quanto maggiore è la forza applicata Durante tale operazione si prelevano per punti i valori di sforzo e di deformazione che vengono diagrammati

14 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche Curva sforzo-deformazione: grandezze Indicando con: _F la forza applicata _L 0 la lunghezza iniziale _A 0 la sezione iniziale _L la lunghezza finale Si definiscono: sforzo ( ) σ = F A 0 deformazione ( ) ε = L L L 0 0

15 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche Curva sforzo-deformazione: unità di misura la forza viene espressa in N (Newton) σ = F le dimensioni in mm (millimetri) A 0 lo sforzo è espresso in N/mm 2 o MPa (MegaPascal) ε = L L L 0 0 la deformazione è adimensionale (anche % moltiplicando per 100)

16 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche Curva sforzo-deformazione: tipologie In funzione del materiale si hanno due diversi tipi di andamenti: _comportamento elastico _comportamento elasto-plastico

17 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche Curva sforzo-deformazione comportamento elastico Nel caso di un materiale a comportamento elastico, la curva sforzo-deformazione presenta andamento lineare lo sforzo è proporzionale alla deformazione dopo rottura o nel caso si annulli lo sforzo applicato prima di giungere a rottura, il materiale torna praticamente alle dimensioni iniziali il materiale segue la legge di Hooke (σ=e ε)

18 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche Curva sforzo-deformazione legge di HOOKE legge di Hooke (σ=eε) _esiste proporzionalità tra sforzo applicato e deformazione _secondo una grandezza, E, detta modulo di elasticità o modulo di Young _ogni materiale ha un preciso valore di E _maggiore è il valore del modulo di elasticità, maggiore è la pendenza della curva sforzodeformazione E A >E B il materiale A è più rigido del materiale B

19 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche materiali con comportamento elastico Hanno comportamento elastico i materiali la cui microstruttura non consente loro di deformarsi plasticamente

20 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche materiali con comportamento elastico Hanno comportamento elastico i materiali la cui microstruttura non consente loro di deformarsi plasticamente _ceramici e vetri (che hanno alto valore del modulo di elasticità e mostrano pertanto deformazioni elastiche molto piccole) _elastomeri (che avendo bassissimo valore del modulo di elasticità, sono fortemente deformabili ma tornano comunque alla dimensione iniziale quando scaricati)

21 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche Curva sforzo-deformazione comportamento elastico-plastico due tratti _nel primo il materiale presenta comportamento elastico _nel secondo comportamento plastico Quando si supera un valore di sforzo critico, detto sforzo di snervamento (o limite elastico), si entra nel tratto a comportamento plastico (la legge di Hooke non viene più rispettata) Giungendo a rottura o annullando lo sforzo, nel provino rimane una deformazione residua Nel materiale si verifica uno spostamento non reversibile degli atomi della struttura, causando deformazione (plastica) permanente.

22 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche materiali con comportamento elastico-plastico La possibilità o meno di deformarsi in modo plastico è strettamente legata alla struttura atomica o molecolare del materiale Mostrano comportamento elasto-plastico quasi tutti i metalli (tranne ghise e bronzi), molti polimeri, praticamente nessun ceramico

23 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche Grandezze ottenibili dalle curve - modulo di elasticità (E), in GPa (gigapascal) in inglese Young Modulus sforzo di snervamento o limite elastico ( sn o y ) in MPa in inglese Tensile Yield Strength (TYS) sforzo di rottura ( R o R) in MPa in inglese Ultimate Tensile Strength (UTS) allungamento a rottura (A%) pari a % in inglese Elongation (E%)

24 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche Grandezze ottenibili dalle curve -

25 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: rigidità Definizione: capacità di subire deformazione in campo elastico (rigidità quando si parla di un materiale, rigidezza quando si parla di una struttura) Grandezza caratteristica: modulo di elasticità (o modulo di Young) Simbolo: E Unità di misura: GPa (1000 MPa) Contrario: il contrario di rigido è flessibile (o cedevole)

26 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: rigidità ü Valori di E metalli sono molto più elevati di quelli dei polimeri (anche 100 volte) ü Il legno ha valore intermedio ü Il modulo di elasticità della gomma naturale è molto basso ü Di particolare interesse è il valore del modulo di elasticità dei compositi a base di fibra di carbonio (alta rigidità/ bassa densità)

27 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: resistenza Definizione: capacità di sopportare forze applicate senza rompersi e senza deformarsi in modo permanente (se la gamba di una sedia sottoposta a carico si piega anche senza rompersi la sedia perde comunque la sua funzione) Grandezza caratteristica: se elasto-plastico sforzo di snervamento o limite elastico sn (materiali duttili) se elastico sforzo di rottura R (materiali fragili) Unità di misura: MPa (100 Pa) Contrario: il contrario di resistente è tenero, anche se più spesso si utilizza il termine non resistente

28 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: resistenza Confrontando le proprietà dei vari materiali, si nota che i metalli hanno resistenza un ordine di grandezza superiore a quella dei polimeri

29 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: duttilità Definizione: capacità di essere deformato plasticamente, consentendo di assumere le forme più varie (proprietà fondamentale non tanto in fase di utilizzo di un materiale, quanto in fase di lavorazione) Grandezza caratteristica: allungamento percentuale a rottura Simbolo: A% Unità di misura: adimensionale Contrario: il contrario di duttile è indeformabile (plasticamente)

30 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: duttilità Sono duttili solo i materiali a comportamento elasto-plastico, mentre i materiali a comportamento solo elastico (non deformabili plasticamente) hanno duttilità praticamente nulla Oggetti in ceramica o in metallo con bassissima duttilità (come la ghisa o il bronzo) non possono essere prodotti per stampaggio o deformazione plastica, ma devono essere prodotti con la sinterizzazione (ceramici) o la colata e solidificazione (bronzo, ghisa), che fanno acquisire loro direttamente la forma finale i vetri, materiali con tenacità quasi nulla a temperatura ambiente, possono essere sagomati solo dopo riscaldamento a temperature elevate La gomma naturale, comportamento puramente elastico, duttilità è praticamente nulla

31 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: duttilità I polimeri hanno elevata duttilità, decisamente superiore a quella di metalli come gli acciai duttilità molto bassa i ceramici, i vetri e anche i compositi

32 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: tenacità Due diversi approcci: _capacità di un materiale di assorbire energia di deformazione _maggiore o minore facilità di propagazione di un difetto (o cricca) all interno di un materiale, fino a portarlo a frattura Contrario: il contrario di tenace è fragile (concetto più intuitivo)

33 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: tenacità Capacità di assorbire energia di deformazione Curva sforzo-deformazione: _primo tratto a comportamento elastico _secondo tratto a comportamento plastico _rottura Nel tratto a comportamento elastico, il materiale assorbe energia di deformazione elastica, che è reversibile e può essere rilasciata Nel tratto a comportamento plastico il materiale assorbe energia di deformazione plastica, che non è reversibile e non può essere rilasciata Durante la rottura finale il materiale assorbe energia per formare nuove superfici, anch essa non reversibile

34 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: tenacità Comportamento nel tratto elastico Palla di gomma La gomma ha ampio tratto elastico, non è presente il tratto plastico Durante l urto si trasforma l energia cinetica in energia di deformazione elastica e poi energia elastica in energia cinetica per farla rimbalzare

35 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: tenacità Comportamento nel tratto plastico Palla di pongo Il pongo ha trascurabile tratto elastico e ampio tratto plastico Durante l urto si trasforma l energia cinetica in energia di deformazione plastica

36 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: tenacità Comportamento alla rottura Palla di vetro Il vetro è un materiale con limitato tratto elastico e tratto plastico inesistente l energia cinetica non si trasforma in energia di deformazione elastica e neppure plastica

37 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: tenacità considerazioni Il vetro è fragile, (bassa tenacità) Sia la gomma che il pongo sono non fragili (tenaci) La tenacità della gomma è dovuta alla presenza di un ampio tratto a comportamento elastico La tenacità del pongo è dovuta alla presenza di un ampio tratto a comportamento plastico La grandezza ottenuta non è però adeguata a descrivere completamente i diversi comportamenti di gomma e pongo

38 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: tenacità Facilità di propagazione di una cricca L obiettivo è valutare la capacità di un materiale di sopportare la presenza di difetti (o cricche) al suo interno, senza rompersi quando sollecitato Si utilizza la misura sperimentale di un parametro della meccanica della frattura, il cosiddetto fattore di intensità dello sforzo, con sigla K Ic e unità di misura MPa m Tanto più è basso il K Ic tanto maggiore è la tendenza di una cricca a propagare e viceversa

39 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: tenacità Facilità di propagazione di una cricca Caso studio: i nastri isolante e da imballaggio assenza di intaglio

40 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: tenacità Facilità di propagazione di una cricca Caso studio: il nastro isolante in presenza di intaglio Se all apice di un difetto (o di una cricca) un materiale è in grado di deformarsi plasticamente (plasticizzarsi), l energia che tende a far propagare il difetto (cricca) viene in buona parte assorbita; il materiale si comporta in modo tenace (elevato KIc)

41 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: tenacità Facilità di propagazione di una cricca Caso studio: il nastro da imballaggio in presenza di intaglio Se all apice di un difetto (o di una cricca) un materiale non è in grado di deformarsi plasticamente, l energia che tende a far propagare il difetto (cricca) non può essere assorbita e il difetto (cricca) propaga formando nuovi superfici; il materiale si comporta in modo fragile (basso KIc)

42 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: tenacità Facilità di propagazione di una cricca Caso studio: i nastri isolanti e da imballaggio nastro da pacchi: R elevato, A% basso, K Ic molto basso nastro isolante: R basso, A% elevato, K Ic elevato non esiste una correlazione diretta tra resistenza ( R ), duttilità (A%) e tenacità (K Ic ) alcuni materiali di grande resistenza possono diventare estremamente fragili in presenza di piccoli difetti

43 Le 12 proprietà: Proprietà meccaniche: tenacità I metalli hanno in genere tenacità a frattura (K Ic ) più elevata dei polimeri I ceramici e il vetro hanno tenacità a frattura molto bassa (fragili)

44 Le 12 proprietà: Conducibilità termica Definizione: velocità con la quale il calore è trasmesso attraverso un solido in condizioni stazionarie (flusso di calore J (W/m 2 ) che fluisce da una superficie a temperatura T1 a una a temperatura T2 (T1 > T2) separate da una distanza X) ü Grandezza caratteristica: conducibilità termica ü Unità di misura: Watt al metro al grado Kelvin (W/m.K)

45 Le 12 proprietà: Conducibilità termica: i materiali I materiali si distinguono in quattro livelli qualitativi: ü _buon conduttore ü _scarso conduttore ü _scarso isolante ü _buon isolante

46 Le 12 proprietà: Conducibilità termica: i materiali ü I polimeri sono isolanti termici ü I metalli sono conduttori termici ü I ceramici hanno conducibilità termica molto differenziata diamante e grafite sono paragonabili ai metalli vetro e calcestruzzo sono paragonabili ai polimeri

47 Le 12 proprietà: Conducibilità elettrica ü Definizione: capacità di un materiale di condurre la corrente elettrica ü Grandezza caratteristica: resistività (inverso della conducibilità) ü Unità di misura: microohm per centimetro (.cm)

48 Le 12 proprietà: Conducibilità elettrica: i materiali I materiali si distinguono in quattro livelli qualitativi: ü _buon conduttore ü _scarso conduttore ü _scarso isolante ü _buon isolante

49 Le 12 proprietà: Conducibilità elettrica: i materiali ü I metalli sono ottimi/buoni conduttori elettrici ü I polimeri e i ceramici sono isolanti elettrici ü Questo comportamento è legato alla diversa mobilità degli elettroni

50 Le 12 proprietà: Magnetismo ü Si distinguono tre tipi di materiali: ü materiali non magnetici (non vengono attratti da una calamita) ü materiali ferromagnetici (che vengono attratti da una calamita) ü magneti permanenti (con cui vengono fatte le calamite)

51 Le 12 proprietà: Magnetismo Sono ferromagnetici solo ferro, nichel e cobalto e alcune ferriti ceramiche sono magnetici acciai e ghise (entrambe quasi solo ferro) alcuni tipi di acciai inossidabili (gli acciai inossidabili ferritici e martensitici, mentre gli austenitici sono non magnetici)

52 Le 12 proprietà: Massima temperatura di utilizzo

53 Le 12 proprietà: Durabilità ü Definizione: resistenza agli ambienti che si possono incontrare della vita quotidiana cinque differenti condizioni ambientali: _corrosione in acque naturali (pioggia, acqua potabile, fiumi e laghi); _corrosione in acqua di mare (ove la resistenza dei materiali è notoriamente inferiore rispetto a quella in acqua naturale); _corrosione atmosferica, che rappresenta un problema quando l umidità relativa supera l 80% o in presenza di forte inquinamento ambientale (soprattutto da anidride solforica);

54 Le 12 proprietà: Durabilità _irraggiamento solare, che determina problemi di infragilimento, decolorazione e ingiallimento; _uso di detergenti e solventi non idonei (nella avvertenze d uso di molti oggetti vengono indicati i prodotti utilizzabili o meno) Si trova è espressa in modo qualitativo utilizzando una scala da molto buono a molto scarso

55 Le 12 proprietà: Durabilità Solventi organici di uso comune Alcol Acetone Trielina Acquaragia Benzina Acidi deboli Acetilico Citrico (nei pomodori, nei succhi di frutta) Fosforico (Viakal) Basi deboli Candeggina Ammoniaca

56 Le 12 proprietà: Durabilità ü Acque naturali, acque di mare e atmosfera sono gravose per gli acciai, minori problemi hanno rame, alluminio e acciai inossidabili ü Per resistere gli acciai (non inossidabili) devono essere sottoposti, a trattamenti protettivi (verniciatura, zincatura, fosfatazione, nichelatura e cromatura, rivestimenti polimerici, protezione catodica ecc.) ü L irraggiamento solare e l uso di detergenti e solventi sono particolarmente critici per alcuni materiali polimerici ü I ceramici, essendo già ossidi, hanno in genere ottima durabilità

57 Le 12 proprietà: Durabilità

58 Le 12 proprietà: Trasparenza ü Si individuano quattro categorie qualitative che sono: ü _qualità ottica: corrisponde a eccezionale trasparenza, adatta all utilizzo per quelle applicazioni come lenti per occhiali; ü _trasparente: trasparenza molto buona (anche in caso di materiali colorati); ü _traslucido: la luce diffusa è trasmessa attraverso il materiale, ma le immagini non possono essere distinte in modo chiaro; ü _opaco: completamente non trasparente, la luce non passa attraverso il materiale

59 Le 12 proprietà: Trasparenza ü In linea generale si può affermare che i materiali cristallini sono opachi, mentre i materiali amorfi possono essere trasparenti Tutti i metalli sono opachi, come pure la maggior parte dei ceramici; ü sono trasparenti i vetri, materiali ceramici caratterizzati da una struttura amorfa ü Più complessa è la situazione dei polimeri, che possono essere amorfi o semicristallini ü Pur ribadendo l indicazione generale (amorfo sinonimo di trasparente), le dimensioni e i trattamenti dei materiali polimerici possono influenzare la trasparenza Ad esempio molti polimeri possono essere traslucidi con una sezione sottile, ma opachi quando lo spessore della sezione aumenta

60 Le 12 proprietà: Trasparenza

61 Tabella riassuntiva Comportamento Proprietà leggero/pesante densità cedevole (flessibile)/ rigido modulo di Young comportamento elastico/plastico limite elastico poco resistente (tenero)/molto resistente fragile/tenace resistenza a frattura poco resistente/molto resistente temperature limite isolante/conduttore bassa dilatazione/alta dilatazione temperature di transizione conducibilità termica/elettrica coeff di dilatazione termica trasparente/traslucido/opaco proprietà ottiche

62 Tabella riassuntiva