Scienze dei Materiali AA 2010/2011
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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) Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 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. Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 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. Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 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. Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 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) Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 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) Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 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 Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 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 Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 Esempio: collagene • Proteina del tessuto connettivo • Idrosolubile • Buone proprietà meccaniche Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 Variazioni proprietà meccaniche • • • • Temperatura Sollecitazioni cicliche Difetti Usura (meccanica, agenti atmosferici) Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 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; Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 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. Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 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. Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 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 Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 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 Modulo MATERIALI – 7 aprile 2011 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
