RIEPILOGO SUI DIAGRAMMI SFORZO

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.