Biomateriali Proprietà meccaniche ING. DENNY COFFETTI UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BERGAMO DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA E SCIENZE APPLICATE MAIL: DENNY.COFFETTI@UNIBG.IT
Classificazione dei materiali Elementi metallici (Fe,Cu,Al,Ni ) Prodotti da minerale (Reperibili in natura solo Au, Hg,Ag) Conducono bene il calore e l elettricità. Non sono trasparenti e hanno aspetto lucente Buona resistenza ai carichi applicati. Possono essere deformati mediante processi meccanici (es.laminazione) Neoceramici, terrecotte, vetri, pietre naturali, cementi Elementi metallici e non metallici (ossidi, carburi, nitruri, silicati ) Prodotti da minerale o per sintesi Reperibili in natura Solitamente non conducono il calore e l elettricità. Alta resistenza ai carichi applicati (anche ad alta temperatura). Poco resistenti agli urti Ceramici Metallici Polimerici Compositi Plastiche, gomme Costituiti da grandi molecole di solito a base di composti organici (C,H e altri elementi non metallici) Prodotti per sintesi o per elaborazione di sostanze naturali Reperibili in natura (fibre naturali,gomme, legno) Solitamente non conducono il calore e l elettricità. Leggeri e molto flessibili
Materiali compositi Cemento armato Compositi a matrice metallica Calcestruzzo Murature Ceramici Metallici Polimerici Vetroresine Fibra di carbonio Compositi Compensato
Materiali di maggior impiego Cemento Cemento armato Ghisa Acciaio laminato a caldo Acciaio basso legato Legno PVC HDPE PP Gomma naturale Vetro Poliesteri Epossidiche Ottone Alluminio Rame Acciai inossidabili GFRP Acciai da utensile Allumina PMMA Policarbonato Nylon Mg SiC poliammidi Ni Ti CFRP Argento Oro Costo dei principali materiali metallici (dati 1994) 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 Costo($/kg)
Proprietà dei materiali
Prorietà meccaniche carichi applicati Proprietà fisiche temperatura, campi elettrici Proprietà chimiche corrosione Legame Proprietà Struttura Microstruttura
Proprietà meccaniche Capacità del materiale di resistere alle azioni provocate da forze esterne che tendono a deformarlo. Le proprietà meccaniche sono esclusive dei solidi; lo stato solido è l unico in grado di reagire alle forze esterne grazie ai legami tra i vari atomi e/o molecole Tanto maggiori sono le forze di legame in gioco, più elevate saranno le proprietà meccaniche
Proprietà meccaniche Resistenza Elasticità Plasticità Rigidità Fragilità Resistenza all usura Durezza Resistenza a fatica Capacità di resistere ai carichi Capacità di riprendera forma dopo la rimozione della sollecitazione Capacità di modificare la forma in modo permanente senza rompersi Capacità di mantenere la forma in presenza di sollecitazione Tendenza a rompersi in frantumi a seguito di un urto (inverso della tenacità) Resistenza all azione superficiale di un altro corpo in contatto, in movimento relativo Resistenza alla scalfitura o alla penetrazione Resistenza all azione di una sollecitazione ciclica
Tipologie di sollecitazione trazione compressione taglio flessione torsione
Sollecitazioni complesse Torsione Flessione
Effetto di un carico di trazione/compressione F F F F trazione compressione
Sollecitazione e materiale Lampadario da soffitto
Sollecitazione e materiale Trampolino da piscina
Sollecitazione e materiale Sedie
Sollecitazione e materiale Paiolo per polenta
Sollecitazione e materiale Alettone anteriore di una formula 1
L Prove meccaniche (trazione) estensometro
Azioni interne (definizione di sforzo) F F
Azioni interne (definizione di sforzo) F F S σ F [ F] S 2 [ L] Unità di misura dello sforzo: [MPa] 1 [MPa] =1 [N/mm 2 ] 0.1 [kg/mm 2 ]
Definizione di deformazione F L/2 L l/2 F l/2 L/2 l l Le deformazioni sono grandezze adimensionali
Comportamento a compressione F Le deformazioni sono definite in modo analogo al caso di trazione F compressione
l Effetto di un carico di taglio l F Sforzo F Deformazione l tg( ) l
Legame costitutivo Il comportamento del materiale di cui è costituito il corpo, cioè come questo si deforma per azione di forze applicate, è descritto da relazioni costitutive: legame tra i parametri che descrivono lo stato di sollecitazione e di deformazione del corpo e funzioni di risposta ((e) oppure ee())
Deformazione elastica IPOTESI: comportamento del materiale isotropo Il materiale reagisce nelle diverse direzioni in modo simile (la relazione tra e e è la stessa) Es.: isotropi -> acciaio, calcestruzzo anisotropi -> legno, roccia
Moduli di elasticità Relazioni che legano sforzo e deformazione in campo elastico Dette anche costanti elastiche Tipiche del materiale (e quindi dei legami coinvolti) Dipendono dalla temperatura
Modulo di elasticità a trazione o modulo di Young definizione di E: costante di proporzionalità tra sforzo e deformazione in campo lineare elastico Relazione sforzo deformazione lineare elastica = E e
Moduli di elasticità E e n e n e t e n t e n E = modulo di Young o modulo di elasticità longitudinale n = modulo di Poisson o coefficiente di contrazione trasversale Per i materiali isotropi la deformazione elastica NON avviene a volume costante
Modulo di Poisson et ve n
Moduli di elasticità t t G t G = modulo di elasticità tangenziale I moduli di elasticità sono legati tra loro E = 2G (1+n)
Deformazione plastica Deformazione elastica: è reversibile Se rimuovo la sollecitazione torno alle dimensioni iniziali Il legame costitutivo descritto da = E e (lineare) è valido solo fino ad un determinato valore di sforzo, dopo il quale il materiale si rompe se è fragile o subentra una deformazione di tipo plastico, irreversibile se il materiale è duttile
Deformazione elastica e plastica def. plastica NON lineare =E e lineare (piccole deformazioni) e Il legame lineare s-e vale solo fino ad un certo valore di sforzo, per cui si ha (nei materiali duttili) inizio delle deformazioni plastiche
Deformazione elastica e plastica stato iniziale carico rimozione del carico = Deformazione elastica: rimuovendo il carico si torna alle condizioni iniziali Deformazione plastica: rimuovendo il carico NON si torna alle condizioni iniziali
Materiali fragili e duttili Alla luce dei diversi tipi di deformazione ora descritti, quando posso ritenere un materiale fragile e quando duttile?
Materiali fragili incapacità di deformarsi sotto carico, giungendo così ad improvvisa rottura vetro, ceramici, lapidei Quasi tutta la deformazione che subiscono prima di rompersi è di tipo elastico
Materiali duttili capacità di un materiale di deformarsi plasticamente sotto carico prima di giungere a rottura metalli (ferro, alluminio, zinco ) Prima di rompersi subiscono sia deformazione di tipo elastico che plastico
Fragile Duttile Morfologia di rottura
Frattura fragile
Innesco Rottura fragile a partire da un difetto superficiale
Frattura duttile
Frattura dei materiali Clivaggio Frattura duttile Quasi clivaggio
Principali grandezze meccaniche (definizione) Moduli di elasticità (a trazione, a taglio) Carico di snervamento (solo per materiali che possono deformarsi plasticamente) Carico di rottura Durezza Tenacità Resistenza a fatica
Carico di snervamento La sollecitazione per la quale il materiale inizia a deformarsi plasticamente prende il nome di LIMITE ELASTICO e non può essere determinata sperimentalmente La grandezza sperimentale che indica il valore di sforzo per il quale il materiale inizia a subire deformazione plastica è il carico di snervamento Carico di snervamento: è il carico unitario (sforzo) che lascia sul provino una deformazione permanente (plastica, residua) prefissata In genere si utilizza un valore sufficientemente piccolo da essere trascurabile in esercizio, ma sufficientemente grande da essere misurabile con precisione Caso più generale 0.2% (Rs 0.2 o Rp 0.2 )
Carico di rottura Sforzo massimo che il materiale può sopportare senza rompersi Carico di snervamento e di rottura dipendono dal materiale, dalla temperatura, dalla sua microstruttura, dai trattamenti subiti (termici, termomeccanici)
Duttilità Misura della deformazione plastica che il materiale può subire senza rompersi parametri di misura della duttilità ricavabili dalla prova di trazione: allungamento totale a rottura strizione percentuale 100 % 0 0 l l l A f 100 % 0 0 A A A Z f
Durezza misura della resistenza offerta da un materiale alla deformazione plastica (ovvero a un penetratore) Ne esistono di diversi tipi a seconda del materiale Unica prova meccanica non distruttiva in grado di stimare la resistenza meccanica del materiale Dipendono inoltre dalla durezza: la resistenza all abrasione e all usura, la capacità di taglio, et.
Tenacità Capacità di un materiale di assorbire energia fino al raggiungimento della rottura Energia assorbita da un materiale: deformazione elastica deformazione plastica creazione di nuove superfici (frattura) altro (energia cinetica, attrito, emissione acustica )
Fatica La fatica è un tipo di rottura che avviene in strutture sottoposte a sforzi variabili nel tempo in queste circostanze è possibile che la rottura avvenga a livelli di carico considerevolmente inferiori ai carichi statici di trazione o snervamento in condizioni statiche la rottura per fatica è catastrofica perché avviene improvvisamente senza alcun preavviso le rotture per fatica avvengono in modo simile a quello fragile anche in materiali a comportamento normalmente duttile La fatica esiste per tutti i materiali, ma il comportamento a fatica dipende dal materiale (es. acciaio e alluminio)
Altre proprietà Elettriche Termiche Ottiche Acustiche
Resistenza al degrado Ogni classe di material e ha i suoi problemi!