Scienze dei Materiali
A.A. 2010/2011
7 aprile 2011
Annalisa Tirella
[email protected]
Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011
Tenacità
• La tenacità di un materiale ne indica la capacità di
assorbire energia, spendendola nella sua
deformazione (generalmente avviene nel campo
elasto-plastico);
• La scarsa tenacità di un materiale può pertanto
portare ad una rottura di tipo fragile;
• Test su materiali per urti, verifica di trattamenti dei
materiali (termici o lavorazioni plastiche).
Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011
Tenacità all’intaglio
• Prova d'urto tramite un maglio a forma di pendolo su
un provino intagliato.
• La tenacità si calcola come:
K = P (H − h )
P è il peso del pendolo
H è l’altezza iniziale da cui viene fatto cadere il pendolo
h è l’altezza del provino quando colpito a rottura dal pendolo
K è la tenacità espressa in Joule (J)
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Duttilità
• La duttilità è una proprietà fisica dei materiali e
indica la capacità di deformarsi plasticamente sotto
carico prima di giungere a rottura, ovvero la capacità
di sopportare deformazioni plastiche;
• Un corpo è tanto più duttile quanto maggiore è la
deformazione (plastica) raggiunta prima della
rottura;
• La temperatura influenza la duttilità di un materiale.
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Misura della duttilità
• La duttilità può essere anche definita come la
capacità di un materiale ad essere ridotto in fili
sottili;
• Allungamento e strizione sono indicatori della
duttilità (durante prove a trazione);
• Tale proprietà è legata anche all'età del materiale e ai
cicli di carico. In generale, essa tende a ridursi con
l'invecchiamento del materiale e con l'uso.
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Durezza
• La durezza è un valore numerico che indica le caratteristiche
di deformabilità plastica di un materiale. È definita anche
come resistenza alla deformazione permanente.
• Misurata in Mohs: scala che mette 10 sostanza tra diamante e
talco e da un numero da 10 a 1 (e.g. diamante 10, vetro 5.5,
acciao 6.5)
• Le prove di durezza determinano la resistenza offerta da un
materiale a lasciarsi penetrare da un altro (penetratore).
Esistono diverse scale per misurare la durezza dei materiali.
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Esempio: alluminio
• Metallo duttile lucido
• Resistente a corrosione (sottile strato
di ossido a protezione)
• Scarse proprietà meccaniche (E= 70
GPa)
• Alta conducibilità elettrica (37.7·10⁶
m¯¹Ω¯¹)
• Alta conducibilità termica (237
W·m¯¹·K¯¹) e calore specifico (900
J·Kg¯¹·K¯¹)
Modulo elastico 68-76 GPa (1,2,3)
Carico di snervamento 55-520 GPa (4)
Carico di rottura 125-590 GPa (X)
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Esempio: titanio
• Metallo duttile lucido
• Resistente a corrosione
• Elevate proprietà meccaniche (E= 114
GPa), anche a fatica
• Bassa conducibilità elettrica (2.34·10⁶
m¯¹Ω¯¹)
• Bassa espansione termica, calore
specifico (520 J·Kg¯¹·K¯¹) e
conducibilità termica (21.9 W·m¯¹·K¯¹)
• Non magnetico
• Biocompatibile (porosità superficiale
analoga a quella dei tessuti umani), la
lega Ti6Al4V usata per protesi di anca,
ginocchio, impianti dentari, ecc.
Modulo elastico 115 GPa (1,2,3)
Carico di snervamento 1.1 GPa (4)
Carico di rottura 1.2 GPa (X)
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Esempio: ossido di alluminio
• Ceramica
• Resistente a corrosione e ossidazione
• Ottimo grado di durezza e resistente a
usura, ma scarsa resistenza meccanica
• Ottimo dielettrico (isolante elettrico)
• Scarsa conducibilità termica e
resistenza a shock termici
• Eccellente biocompatibilità
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Esempio: acido polilattico
• Polimero a vario peso molecolare, due
isomeri (D, L)
• Biodegradabile
• Elevate proprietà meccaniche se
cristallino, minori se amorfo
• Scarsa conducibilità elettrica
(isolante)
• Bassa conducibilità termica
• Biocompatibile
Modulo elastico 0.2-20 GPa
Carico di snervamento 0.4 GPa
Carico di rottura 0.5 GPa
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Esempio: collagene
• Proteina del tessuto connettivo
• Idrosolubile
• Buone proprietà meccaniche
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Variazioni proprietà meccaniche
•
•
•
•
Temperatura
Sollecitazioni cicliche
Difetti
Usura (meccanica, agenti atmosferici)
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La viscoelasticità
• La viscoelasticità è la proprietà dei materiali che
esibiscono un comportamento reologico intermedio
tra i "materiali puramente viscosi" e i "materiali
elastici“;
• La viscoelasticità è una proprietà dei materiali che
dipende dal tempo;
• Più viscoso è un materiale, più assomiglia un liquido,
al contrario più è elastico più è simile a un solido;
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La viscoelasticità
• I materiali viscosi (e.g. miele) rispondono ad una sollecitazione
tangenziale con la legge di Newton, originando al loro interno uno
sforzo tangenziale pari al prodotto della velocità di deformazione e
della viscosità; se sottoposti a sollecitazione normale non si
oppongono in alcun modo;
• I materiali elastici (e.g. gomma) rispondono ad una sollecitazione
normale con la legge di Hooke, originando al loro interno uno
sforzo normale e una deformazione, ritornando al loro stato
originario quando queste sollecitazioni cessano; se sottoposti a
sollecitazione tangenziale non si oppongono in alcun modoò
• I materiali viscoelastici si oppongono sia alle sollecitazioni
tangenziali sia alle sollecitazioni normali, generando quindi al loro
interno sia sforzi tangenziali sia sforzi normali.
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Come si misura la viscoelasticità
• Cicli di carico e scarico (isteresi);
• Prove di Creep: rilassamento della deformazione (come ε
varia nel tempo), applicazione di uno sforzo costante e
misura della deformazione del materiale;
• Stress relaxation: rilassamento dello sforzo (come σ varia
nel tempo), applicazione di una deformazione e misura
della forza o carico che il materiale riesce a sostenere;
• Test con diverse velocità di deformazione e analisi della
risposta elastica.
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σ = Eε
σ =η
η
ε
σ
σ
t
ε=
ε
t
to
to
to
Stress
Relaxation
ε
t
σ
ε
t
σ dt
∫
η
σ
σ
to
1
σ
Creep
ε
to
ε
to
to
t
to
dε
dt
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Materiali viscoelastici
σ
c
ε
to
t
t0
t
σ
ε
to
t
t0
t
Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011
Modello MAXWELL
• Descrive il comportamento di materiali viscoelastici
(generalemente liquidi) con comportamento elastico
su intervalli di tempo brevi e viscoso su intervalli
lunghi;
• Elemento elastico in serie ad un elemento viscoso.
dε dε V dε E σ 1 dσ
=
+
= +
dt
dt
dt η E dt
Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011
Modello KELVIN-VOIGT
• Descrive il comportamento di materiali viscoelastici
(generalemente solidi);
• Elemento elastico in parallelo ad un elemento
viscoso
dε (t )
σ (t ) = Eε (t ) + η
dt
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Set-up sperimentale
1.
2.
3.
4.
Prove in compressione
Elaborazione dati
Realizzazione curva stress-strain
Valutazione proprietà del materiale
Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011
Prove di resistenza a compressione
1. Prove compressione
2. Elaborazione dati (Excel)
• Realizzazione provino di
materiale noto
• Misura grandezze provino
• Set-up macchina di test
• Determinazione dati utili provino
• Estrapolazione valori stress dalla
macchina
• Estrapolazione valori strain dalla
macchina
3. Costruzione curva stress-strain
4. Modulo elastico
• Graficare valori su foglio excel
• Valutazione tratto lineare della
curva ottenuta
