ITS MAKER Prof. Pacchioni Maria Elena

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Un materiale può presentarsi in diverse forme: Solido Gassoso Liquido

I materiali da costruzione devono essere adatti a: assumere forma e dimensioni di progetto con tolleranze definite, resistere a sollecitazioni meccaniche e termiche, ad usura e corrosione, subire deformazioni contenute (avere una certa rigidezza). Queste caratteristiche dipendono dalle proprietà meccaniche, termiche e tecnologiche del materiale.

Altre caratteristiche di interesse, a parte le proprietà elettriche, sono: peso, (dipendente dalla proprietà fisica densità), affidabilità, durata, costo (che comprende quello del materiale e della sua lavorazione), caratteristiche estetiche.

Le caratteristiche meccaniche di un elemento di macchina dipendono, oltre che dalle proprietà del materiale utilizzato, dal processo di costruzione e dalla sua geometria (forma e dimensioni). Le principali cause di fuori uso degli elementi meccanici sono la rottura per fatica e il deterioramento delle superfici.

Lavorazione a caldo dell acciaio Forze di deformazione minori. I grani cristallini possono ricristallizzare nel corso della lavorazione stessa e ricomporsi in nuovi grani più fini e uniformi. Finitura non ottimale con uno strato superficiale ossidato e tolleranze geometriche grossolane.

Lavorazione a freddo dell acciaio Forze di deformazione maggiori. I grani si allungano in proporzione al grado di deformazione ricevuto nella direzione del flusso plastico, con uno slittamento del reticolo cristallino lungo piani direzionali ben definiti e ottenendo deformazioni permanenti della struttura cristallina, aumentandone la resistenza meccanica e il valore di snervamento, rottura e durezza. Diminuzione di capacità di allungamento, contrazione e resilienza.

Classi dei materiali Metallici: Costituiti da elementi a carattere metallico; hanno struttura cristallina; buona resistenza meccanica, densità elevata; sono malleabili, duttili, conduttori calore ed elettricità, poco trasparenti alla luce. Acciai e ghise, alluminio e leghe, rame e leghe (bronzi e ottoni), magnesio e leghe, nichel e leghe, titanio e leghe, zinco e leghe.

Ceramici: Ossidi e/o silicati; hanno struttura cristallina (a parte il vetro); sono duri e fragili, resistenti a corrosione ed usura, non conduttori di calore ed elettricità, con elevate temperature di fusione. Ceramici tradizionali (cemento, vetri, laterizi, piastrelle, porcellana, pietre naturali, gesso), ceramici speciali.

Polimerici: Composti organici macromolecolari, sintetici o naturali; la struttura è costituita da catene di molecole; hanno densità bassa, scarsa stabilità dimensionale; sono amorfi, facilmente modellabili, rammolliscono o bruciano per effetto della temperatura. Naturali (gomma, legno, adesivi, vernici, bitumi), artificiali (termoplastici, plastiche termoindurenti, elastomeri).

Materiali compositi: Sono ottenuti miscelando o incollando due o più materiali mutuamente insolubili dei quali uno costituisce la matrice, che agisce da legante, e gli altri la carica, che può agire da rinforzo, destinato a migliorare rigidezza e resistenza nel caso dei materiali strutturali, o da riempitivo, destinato a migliorare proprietà di vario genere, quali resistenza alla fiamma, all abrasione, all impatto e conducibilità elettrica. La matrice può essere costituita da un materiale polimerico (nella maggior parte dei casi), metallico o ceramico. La carica può essere costituita da fibre lunghe, fibre corte o particelle.

Microstruttura I materiali metallici e ceramici hanno struttura cristallina nella quale gli atomi si dispongono ordinatamente assumendo una struttura geometricamente definita. I materiali polimerici hanno invece struttura amorfa. I materiali, possono essere omogenei cioè costituiti da una sola sostanza o diverse sostanze solubili allo stato solido (per esempio il Rame puro), o eterogenei cioè costituiti da componenti non solubili formanti un sistema polifasico (per esempio acciai, laterizi porcellane). In questo caso si osservano cristalli di sostanze differenti. I materiali compositi sono polifasici nei quali le diverse fasi sono state deliberatamente disposte con un criterio mirante a realizzare una certa proprietà.

Isotropia e Anisotropia Un materiale si definisce isotropo quando le sue proprietà sono uguali in tutte le direzioni. Il singolo cristallo di materiale è tipicamente anisotropo, tuttavia i materiali costituiti da aggregati di cristalli possono risultare isotropi poiché questi ultimi si dispongono con orientazione casuale (in pratica in tutte le direzioni). I materiali amorfi sono generalmente isotropi perché il disordine molecolare si riproduce statisticamente in tutte le direzioni. Lavorazioni come laminazione, trafilatura e forgiatura possono rendere anisotropo un materiale, perché provocano un orientamento preferenziale dei grani cristallini. I materiali compositi sono spesso volutamente anisotropi, grazie alle differenti proprietà meccaniche di matrice e fibre.

Le proprietà dei materiali si suddividono in:

Riguardano la composizione chimica dei materiali e la loro struttura interna, dalle quali derivano tutte le proprietà meccaniche e tecnologiche. Nella fase di solidificazione, gli atomi dei metalli, che derivano dalla miscelazione dei vari elementi chimici allo stato liquido, si dispongono con un certo ordine, formando un reticolo cristallino in forma ripetitiva, nelle tre dimensioni dello spazio.

La struttura e le proprietà che ne derivano, dipendono principalmente dalla natura dei legami esistenti tra gli atomi. Esistono in natura quattro tipi di legami chimici: ionico, covalente, di Van der Waals e metallico. Quello di nostro interesse, è il Legame metallico.

Esistono 14 modi di cristallizzazione. Tuttavia, quasi il 90% degli elementi metallici, durante la solidificazione, cristallizza secondo tre sole strutture cristalline:

Poiché gli atomi tendono ad avvicinarsi quanto più possibile a causa delle notevoli forze interatomiche, è possibile considerare gli atomi, come sfere incomprimibili a contatto tra di loro, in un ordinato reticolo.

Le proprietà chimiche del materiale riguardano il complesso dei fenomeni che si producono fra un materiale e l ambiente in cui questo è posto. Le reazioni, inizialmente superficiali e successivamente penetranti, danno luogo ad un apporto o ad un asporto di sostanza (viene modificata la struttura chimica).

Decapaggio Brunitura dell acciaio Cromatura Nichelatura Fosfatazione Zincatura Corrosione

Si riferiscono alle caratteristiche generali della materia. Le più importanti sono: - Massa volumica - Dilatazione termica - Capacità termica massica - Conducibilità termica - Conducibilità elettrica - Temperatura di fusione

E il rapporto tra la massa di un corpo omogeneo ed il suo volume: ρ = M / V [kg/m3] La massa volumica, spesso misurata in [kg/dm3], ha un notevole interesse perché fornisce indicazioni riguardo la pesantezza o la leggerezza di un materiale:

I materiali metallici, ognuno in quantità diversa, subiscono un aumento di volume quando vengono riscaldati. Infatti per effetto del riscaldamento di un corpo, dovuto a somministrazione di calore, il movimento delle molecole al suo interno, aumenta. Questo movimento comporterà una agitazione che tenderà a occupare sempre più spazio, e a livello macroscopico, si noterà una variazione delle dimensioni del corpo riscaldato.

La dilatazione può essere: - lineare (una dimensione prevalente come nei fili e nelle barre) - superficiale (due dimensioni prevalenti come nelle lamiere) - volumetrica (tre dimensioni prevalenti come nei solidi in genere) Prendendo in considerazione il caso della dilatazione lineare, un corpo metallico rettilineo di lunghezza L0, in seguito ad un aumento di temperatura ΔT, subisce un allungamento ΔL dato da:

Il coefficiente di dilatazione termica lineare indica l allungamento subito da un solido lungo 1 metro per effetto dell aumento di temperatura di 1 grado centigrado. Valori medi di α tra 20 100 sono: 0,000012 per gli acciai 0,000018 per il bronzo 0,000010 per la ghisa grigia. Nelle costruzioni meccaniche la dilatazione termica si considera negli accoppiamenti soggetti a funzionare a temperature elevate e negli strumenti di misura; in fonderia è importante per la costruzione delle forme.

E la quantità di calore Q che bisogna cedere all unità di massa m di una determinata sostanza per aumentare di un valore unitario la temperatura:

Per ciascuna sostanza la capacità termica massica non è costante ma varia sensibilmente al variare della temperatura. Per facilitare i calcoli si assumono valori medi relativi ad ampi campi di temperatura: Per l acciaio da 20 a 1150 C si assume Cs = 685 [J/kg K] Per la ghisa si assume Cs = 710 [J/kg K] Per bronzi ed ottoni si assume Cs = 375 [J/kg K]

L interesse pratico è quello di potere determinare la quantità di calore Q che deve essere somministrata ad una sostanza di massa m per riscaldarla (come per esempio nelle operazioni di stampaggio a caldo).

Indica l attitudine di un materiale a trasmettere il calore. Ciò si verifica all interno di un corpo tra punti a diversa temperatura. Se riscaldiamo una delle due estremità di barre di diverso metallo, noteremo dopo breve tempo all altra estremità, delle diverse temperatura. Ciò è dovuto al fatto che i materiali hanno una diversa conduttività termica, cioè una diversa capacità di condurre il calore.

Attraverso una lastra di Superficie S e di spessore s, tra le cui facce esiste una differenza di temperatura ΔT, nel tempo t passa una quantità di calore Q dato dalla relazione: Q = (kt S ΔT t) / s [J] dove kt = (Q s) / (S ΔT t) [J / m C s] é il coefficiente di conducibilità termica.

E il caso della Trasmissione del calore per conduzione e la legge suddetta è la Legge di Fourier. Il coefficiente di conducibilità termica rappresenta la quantità di calore, espressa in J, che attraversa in 1 secondo una lastra di 1 m2 di superficie e spessore 1 metro, quando la differenza di temperatura tra le due facce è di 1 C. L acciaio con carbonio 0,20 % ha kt = 83,7 MJ/m C Il rame ha kt = 372,2 MJ/m C L argento ha kt = 418 MJ/m C L argento ha la maggiore conduttività, il sughero la peggiore.

Esprime l attitudine di un materiale a trasmettere la corrente elettrica. La conducibilità elettrica viene espressa anche con la proprietà opposta, detta Resistività.

La resistenza che un conduttore oppone al passaggio della corrente elettrica è direttamente proporzionale alla lunghezza L del conduttore stesso ed inversamente proporzionale alla sua sezione trasversale S: R = ρ L/S [Ω] dove ρ = R S/L è la resistività, cioè la resistenza offerta da un conduttore avente sezione e lunghezza unitaria.

Il materiale elettricamente più conduttore è l argento. Tra i materiali a piccolissima conducibilità abbiamo il silicio. I materiali a bassa resistività vengono utilizzati come conduttori di elettricità (es.: rame). I materiali ad alta resistività sono invece utilizzati per costruire resistenze elettriche

A seconda del valore della resistività i materiali per applicazioni elettrotecniche si distinguono in: - conduttori (ρ limitata) - isolanti (ρ molto elevata) - semiconduttori (ρ intermedia tra quella dei metalli e quella degli isolanti) - superconduttori (ρ praticamente nulla)

Riscaldando progressivamente una sostanza, aumenta l ampiezza di oscillazione molecolare. A un certo punto le forze di legame del reticolo cristallino, non sono più in grado di resistere all aumento di ampiezza di oscillazione, e da questo istante, la sostanza passa lentamente dallo stato solido a quello liquido. Quindi la temperatura per la quale si verifica il passaggio dallo stato solido a quello liquido, si chiama Temperatura di fusione.

Le proprietà tecnologiche descrivono l attitudine di un materiale ad essere lavorato per produrre dei manufatti o ad essere trattato per acquisire determinate proprietà.

È l'attitudine di un materiale a passare dallo stato solido allo stato liquido mediante riscaldamento, per essere poi raffreddato in modo da assumere la forma desiderata. La fusibilità di un materiale cresce al diminuire della temperatura di fusione. Un materiale è colabile quando fornisce getti sani e compatti (senza soffiature) ed è fluido per costituire spessori anche sottili. Materiali adatti al getto sono le ghise, i bronzi e le leghe leggere (dell alluminio) da fonderia.

La Malleabilità è l attitudine del materiale a essere trasformato in lamine mediante lavorazioni a caldo o a freddo, senza che avvengano screpolature o rotture. I materiali malleabili, vengono spesso sottoposti a laminazione, hanno elevato allungamento, bassa durezza, bassa resistenza a trazione.

La duttilità è l attitudine dei materiali ed essere trasformati, tramite il processo di trafilatura, in fili. Questi materiali vengono tirati attraverso un foro calibrato, in tal modo da ottenere fili di vari diametri. Questi materiali devono avere elevato allungamento e bassa durezza.

E l attitudine di un materiale che, tramite il processo di estrusione, tende ad acquisire determinate forme, quando viene spinto attraverso un foro sagomato.

L imbutibilità è l attitudine di un materiale a essere deformato a freddo attraverso uno stampaggio profondo, senza screpolarsi o rompersi. I materiali imbutibili, sono anche malleabili, e caratterizzati da elevato allungamento.

E l attitudine dei materiali a subire notevoli deformazioni tramite piegatura, senza che essi manifestino screpolature o cedimenti. I materiali piegabili, sono in genere quelli che sono anche malleabili.

Filmato di un esempio di piegatura

E l attitudine di un materiale a unirsi per fusione con un altro materiale. Il materiale per essere ben saldabile, è necessario che passi dallo stato solido a quello liquido in modo graduale, attraverso uno stato pastoso. Sono maggiormente saldabili gli acciai a basso tenore di carbonio.

E l attitudine del materiale a subire lavorazioni, lasciandosi tagliare per asportazione di truciolo alle macchine utensili. L asportazione del materiale sotto forma di truciolo, avviene per mezzo di un utensile appositamente affilato, costituito da materiale che presenta una elevata durezza. Sono maggiormente lavorabili gli acciai a basso tenore di carbonio, gli acciai al piombo ed allo zolfo (acciai automatici).

E l attitudine di un materiale a modificare la propria struttura interna con un trattamento termico, composto da cicli di riscaldamento e raffreddamento opportuni. Quanto più facilmente la tempra si spinge sino al nucleo centrale del materiale, tanto più si dice che il materiale e temprabile.

Le proprietà meccaniche riguardano le capacità dei materiali di resistere alle sollecitazioni dovute all azione di forze applicate dall esterno, che tendono a modificare la forma e le dimensioni.

Se un materiale è sottoposto ad una sola sollecitazione, la sollecitazione è detta semplice. Quando il materiale è sottoposto a due o più azioni la sollecitazione è detta composta. Supponendo di considerare il seguente provino, andremo ad analizzare le sollecitazioni semplici applicabili ad esso.

Il corpo subisce uno sforzo di trazione e/o compressione quando le forze esterne applicate sono parallele alle fibre assiali. C è trazione quando le forze tendono ad allungare le fibre, viceversa se c è compressione.

Si ha invece sforzo di flessione quando la forza esterna agisce su un piano perpendicolare all asse del corpo e tende a flettere il corpo stesso, cioè a piegarlo.

Se invece la nostra barra è sollecitata a sforzo di torsione, le sezioni trasversali rispetto l asse saranno soggette a rotazione.

Infine rimane la sollecitazione a taglio, quando le forze applicate si riducono ad una risultante, il tutto in una sezione trasversale passante per il baricentro del pezzo.

Sono quelle la cui applicazione è graduale e continua ( o soggette a lente variazioni). Il comportamento del materiale a queste sollecitazioni viene definito come Resistenza alla Deformazione. In base alla direzione di applicazione, queste forze possono indurre a sollecitazioni di: compressione, trazione, flessione, torsione e taglio.

Le forze dinamiche sono quelle che vengono applicate per periodi brevissimi, dell ordine di grandezza del decimo di secondo. La resistenza dei materiali alle forze dinamiche, dette anche Urti, viene definita Resilienza.

Le forze Periodiche sono quelle che agiscono in modo discontinuo, con frequenza che può essere costante o irregolare. Il comportamento del materiale a queste sollecitazioni, viene definito come Resistenza a Fatica.

Si dicono forze concentrate, quelle forze che vengono applicate in zone ristrette dell oggetto. La resistenza che i materiali oppongono a questo tipo di forze applicate in zone ristrette o puntiformi, è detta Durezza.

Le forze di attrito sono quelle che si manifestano tra due superfici a contatto in movimento reciproco. Se il moto reciproco è di scorrimento, l attrito si chiama radente, se invece è di rotazione, l attrito è volvente. Il comportamento del materiale a queste sollecitazioni, viene definito come Resistenza all Usura.

Un corpo solido, sottoposto a forze esterne, tende a subire delle deformazioni, nel senso che le particelle elementari che lo compongono si spostano reciprocamente. Aumentando reciprocamente le azioni esterne, ad un certo punto si perverrà alla rottura del corpo.

Le deformazioni conseguenti alle sollecitazioni applicate possono essere di due tipi: 1) Elastiche, quando, togliendo il carico, il materiale riprende la forma e le dimensioni iniziali; 2) Permanenti, quando, togliendo il carico, il materiale non torna più alla forma e dimensioni iniziali.

Nelle applicazioni pratiche non bisogna mai raggiungere le deformazioni permanenti, pertanto la scelta di un materiale per uno scopo ben preciso va eseguito con rilevante attenzione, tramite uno studio approfondito delle sollecitazioni che dovrà subire. Il materiale non dovrà mai lavorare al limite delle sue possibilità, ma ben al di sotto (assumendo opportuni coefficienti di sicurezza) del carico che porterebbe alla rottura.