RIEPILOGO SUI DIAGRAMMI SFORZO-DEFORMAZIONE Per valutare lo scostamento dei materiali da un comportamento elastico, si utilizzano i grafici sforzo-deformazione. Lo sforzo σ =F/S, dove F è la forza applicata e S è l'area della sezione del provino di materiale: ha le unità di una pressione, quindi pascal (Pa), ma di solito è più appropriato il megapascal (MPa) = 106 Pa. La deformazione ε è un numero puro e si misura come Δl/l, dove Δl è la variazione di lunghezza del provino e l è la lunghezza iniziale del provino. Condizione necessaria, ma non sufficiente, per utilizzare il materiale è che ci sia qualche forma di proporzionalità tra lo sforzo applicato e la deformazione ottenuta. Nel caso più semplice che il materiale sia elastico, il coefficiente di proporzionalità ottenuto E = σ/ε si definisce come modulo elastico o di Young, e si esprime di solito in MPa o in GPa (gigapascal) = 109 Pa.
DIAGRAMMA SFORZO-DEFORMAZIONE (a trazione) DI UN ACCIAIO (lega ferro-carbonio con max. carbonio 2.06%) La deformazione dell'acciaio dipende molto dal contenuto in carbonio, dagli altri elementi e dai trattamenti termici.(p.es. tempra) effettuati (sforzo=stress; deformazione=strain) La diminuzione di sforzo dopo il punto C è in realtà soltanto apparente, in quanto il materiale si è molto assottigliato, subendo strizione (necking), e quindi lo sforzo reale è considerevolmente aumentato Il modulo elastico viene calcolato dalla pendenza del tratto tra A e B. Il limite di utilizzo del materiale è sempre inferiore al limite elastico. Il tratto tra A e B è indicato come snervamento (yielding).
PINZE E MATERIALI PINZA UNIVERSALE IN ACCIAIO SPECIALE PER UTENSILI E RICOPERTA IN RESINA TERMOPLASTICA (POLIPROPILENE O PVC) TENAGLIA CON MOLLA DI TENUTA RIVESTITA DI CARBURO DI TUNGSTENO PINZETTA PER UNGHIE IN ACCIAIO INOSSIDABILE TENAGLIA PER FERRAIOLI IN ACCIAIO SPECIALE BONIFICATO, FORGIATO, TEMPERATO AD OLIO
ACCIAIO INOSSIDABILE Austenitico: Ferro-cromo-nichel, carbonio < 0.1%, non magnetico (p.es. pentole) Ferritico: Ferro-cromo, carbonio < 0.1%, magnetico p.es., edilizia, posate di bassa qualità) Martensitico: Ferro-cromo, carbonio > 0.1%, magnetico e temprabile (p.es. coltelli) Duplex (austenitico-ferritico): Ferro-cromo-nichel, carbonio < 0.1% (p.es. scambiatori di calore, vasche, serbatoi, ecc.) Un acciaio inossidabile tipico è il 18-10 (18% di cromo e 10% di nichel) (AISI 304)
ALTRI TIPI DI COMPORTAMENTO NON TOTALMENTE LINEARE ELASTICO (a trazione) TRAZIONE E RITRAZIONE STRUTTURA RETICOLATA DEL COLLAGENE (pelle del lombrico), DELLA GOMMA Il comportamento della gomma (curva a S) indica che non c'è mai una deformazione totalmente elastica (nessun tratto rettilineo), poi una grande deformazione ed infine il carico sale fino a rottura, con notevole strizione. Nelle strutture naturali (curva a J) invece si ha prima grande deformazione con carico bassissimo per poter modificare la forma della struttura, poi si resiste a qualunque indesiderabile deformazione (il carico sale quasi verticalmente) (es. cartilagine).
DUREZZA ED ELASTICITÀ VARIABILE IN NATURA: IL CETRIOLO DI MARE L'epidermide del cetriolo di mare, che è un echinoderma simile alla stella marina, è un materiale con due diversi valori di modulo elastico (in generale: curva a J) e di durezza (superficiale) dovuti alla diversa disposizione delle fibrille di collagene. E' anche uno dei più noti casi di auto-rigenenerazione, emettendo i visceri in caso di pericolo e ricostruendoli in brevissimo tempo.
RIGENERAZIONE: L'ESEMPIO DELLE STELLE MARINE Sunflower seastar (Pycnopodia helianthoides) Esempio pratico di gerarchizzazione: braccia della Gorgonocephalus Eucnemis (basket seastar) La capacità di rigenerazione è inversamente proporzionale alla complessità, infatti per esempio i mammiferi non possono rigenerare gli arti. La rigenerazione degli arti in animali come le stelle marine avviene in due fasi, de-differenziazione delle cellule adulte in uno stato di staminali come le cellule degli embrioni, poi sviluppo dei nuovi tessuti più o meno nello stesso modo in cui funzionava in precedenza. Questo è possibile perché animali così semplici mantengono per tutta la durata di vita una certa quantità di cellule staminali, che sono in grado di migrare verso quelle parti del corpo che richiedono di essere rigenerate.
I POLIMERI E LA VISCOELASTICITÀ Il comportamento di un materiale viscoelastico, come i polimeri, a differenza di quello di un materiale elastico, dipende dal tempo. Di conseguenza, il materiale si comporta diversamente a seconda della velocità con cui la forza è applicata ed in particolare durante il carico e lo scarico, consentendo un risparmio di energia, misurato dal ciclo di isteresi (in verde). IL COMPORTAMENTO ELASTICO E RAPPRESENTATO DA UNA MOLLA MENTRE QUELLO VISCOSO E RAPPRESENTATO DA UN AMMORTIZZATORE, CHE SMORZA LE VIBRAZIONI NEL TEMPO
SCOSTAMENTO DALL'IDEALITÀ E VISCOELASTICITÀ Il modulo E nei materiali viscoelastici è complesso, dato da una componente elastica E1 (reale) ed una viscosa E2 (immaginaria). E2/E1 indica le perdite (tangente di delta) FLUIDO VISCOELASTICO IL TENDINE E VISCOELASTICO: IL MODULO AUMENTA CON LA LENTEZZA CON CUI SI APPLICA LA FORZA
STRUTTURA DEI POLIMERI NATURALI (SETA DEI RAGNI) La seta da cammino nei ragni consiste di proteine del tutto ripetitive, le spidroine: la spidroina contiene regioni di polialanine fatte da 4 a 9 molecole di alanina, che le danno la resistenza, e regioni ricche di glicina che le danno l'elasticità, quindi di un'alternanza di regioni cristalline (orientate) e amorfe (disordinate).
SETA DEI RAGNI: VELOCITÀ DI ESTRUSIONE E PROPRIETÀ TIPI DI GHIANDOLE E SETA PRODOTTA Aggregatae (materiale colloso) Ampullaceae (seta da cammino) Pyriformes (seta per tele sospese) Aciniformes (seta per incapsulamento della preda) Tubiliformes (seta da bozzolo) Coronatae (ragnatele adesive) FILIERA DELLA SETA Cicli di isteresi di due sete di ragno con funzione diversa (una tende ad una grande deformazione, l altra ad una grande resistenza)
MISURA DELLA FLUIDITA DI UN POLIMERO: MELT FLOW INDEX Per misurare la fluidità di un polimero e quindi valutare quanto è viscoso e quindi quanto facilmente è in grado di riempire uno stampo, si misura il melt flow index, cioè la massa di polimero, in grammi, che scorre durante il tempo di dieci minuti attraverso un capillare di specifico diametro e lunghezza. REOMETRO CAPILLARE PER MELT FLOW INDEX
SISTEMI DI STAMPAGGIO DELLE PLASTICHE (con riempimento per gravità o a pressione) Stampaggio con soffiatura (blow moulding) Termoformatura Formatura della lastra di polimero nei vari casi Va osservato come lo stampaggio semplicemente per gravità o a pressione si basa sul presupposto che lo stampo si riempia sufficientemente ed abbastanza uniformemente. E' ideale per plastiche abbastanza reticolate (intermedie tra termoplastiche e termoindurenti)
ESEMPIO: PRODUZIONE FLACONI IN ACIDO POLILATTICO (PLA) PER BLOW MOULDING E POSSIBILI DIFETTI Profilo di temperatura Fasi del blow moulding I difetti possono essere dovuti ad inappropriate pressioni di soffiaggio, a film di spessore inadeguato derivati dallo stampaggio ad iniezione ed alla necessità del rispetto di parametri dimensionali della preforma non sempre controllabili dal progettista (impostati per design) Parametri dimensionali
LEGGE DELLA VISCOSITA' DI NEWTON La legge della viscosità di Newton fornisce il valore della viscosità, indicata con la lettera µ (mu) come: µ =F*h/(A*v) In pratica, per mantenere una velocità costante v contro la forza ritardante data dalla viscosità del liquido, si richiede una forza di spinta F quando la separazione tra le due superfici è uguale ad h. In altre parole, la legge di Newton dice che la forza da applicare ad un fluido per farlo scorrere contrastando l'attrito dato dalla viscosità non dipende da quanto rapidamente viene applicata la forza. I fluidi che si comportano in questo modo (es., acqua, mercurio, olio, etanolo, benzene) si dicono newtoniani.
FLUIDI NON NEWTONIANI
I DIVERSI COMPORTAMENTI REOLOGICI IN PRATICA I diversi polimeri hanno vari comportamenti non-newtoniani, i quali influenzano il loro comportamento durante il processo di stampaggio.
COMPRESSIONE MATERIALI EDILI Disposizione sperimentale per compressione su muratura E' essenziale che i provini di compressione siano di altezza ridotta rispetto alla sezione, per evitare (dato che il materiale non è mai isotropo) di avere Imbozzamento (buckling) Indicazioni per prove di compressione su calcestruzzo Malte e calcestruzzi sono entrambi ottenuti da acqua, cemento ed elementi lapidei (sabbia, ghiaia, ecc.): laddove la dimensione massima di questi ultimi (aggregati) non supera i 5 mm si parla di malte, in caso contrario di calcestruzzi. Il rapporto acqua/cemento deve essere ottimizzato a seconda dell'uso: abbastanza alto da consentire la lavorabilità del calcestruzzo, ma non troppo da renderlo fragile.
COMPRESSIONE ED IMBOZZAMENTO (BUCKLING) DISTRIBUZIONE DEGLI SFORZI SU UN MODELLO DI ALA DI AEREO (si ha imbozzamento per vento laterale) IMBOZZAMENTO FINO A ROTTURA Una struttura ad anelli, come quella del lombrico, oltre a permettere il movimento, impedisce l imbozzamento, anche in presenza di compressione.