ITS MAKER – Prof. Pacchioni Maria Elena
Un materiale può presentarsi in diverse forme:
Gassoso
Solido
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
proprietà
“Resistività”.
con
opposta,
la
detta
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.
