Università degli Studi di Catania
Dipartimento di Metodologie Fisiche e Chimiche per
l’Ingegneria
Corso di Tecnologie di Chimica Applicata
1.
MATERIALI INGEGNERISTICI E LORO APPLICAZIONI
Criteri di scelta dei materiali nella gestione di un progetto
• Con quale criterio scegliere un materiale o una
combinazione di materiali?
• Quali proprietà meccaniche devono essere prese in
considerazione?
Illustreremo, con una serie di esempi, come un progettista
programma le scelte in modo da garantirsi i risultati
senza andare incontro ad inconvenienti che potrebbero
comportare anche gravi conseguenze.
LE DIVERSE TIPOLOGIE DI MATERIALI DISPONIBILI
PROPRIETA’ COMUNI DEI MATERIALI
Esaminiamo un oggetto semplice. Il cacciavite
Esaminiamo le singole parti
IL CORPO:
- deve resistere alla torsione elastica ed alla flessione
- deve avere una elevata resistenza allo snervamento
perciò si richiede che abbia un alto modulo E
LA LAMA : - deve avere elevata durezza
- deve resistere alla frattura fragile
perciò si richiede che abbia una buona resilenza
CORPO e LAMA si realizzano in acciaio ad alto tenore di
carbonio che è dotato di alto modulo ed elevata resilenza
IL MANICO:
- deve avere una sezione maggiore dell’asta per
minimizzare l’importanza della torsione e quindi del modulo
Perciò si sceglie il PMMA (PoliMetilMetAcrilato)
Il PMMA è un polimero che :
- rammollisce se riscaldato (e perciò può essere formato
per stampo)
- ha una buona tessitura (morbido al tatto)
- ha bassa densità ( usarlo non è faticoso)
- ha un basso costo
USO DI MATERIALI NON METALLICI
TURBINA
Il motore del turbogetto comprime l’aria
Le pale del compressore comprimono ulteriormente l’aria
L’aria miscelata al carburante brucia nella camera di combustione
I gas espansi forniscono energia al motore ed alle pale del compressore e
fuoriescono da dietro dando spinta
PALE DELLA TURBINA
Si usa una lega a base di Titanio
- Modulo
- Resistenza allo snervamento
buoni valori
- Resilienza
Resistenza
Densità
- alla fatica
- all’usura superficiale
- alla corrosione
- leggerezza con buona resilenza
PALE DEL MOTORE
Devono garantire: - resistenza al creep
- resistenza all’ossidazione
PROGETTO DEL MANUFATO
PREZZO E DISPONIBILITA’ DEI MATERIALI
La disponibilità di un dato materiale ha influenzato, nel corso dei secoli, la
scelta di un progettista.
Sino al 1800 si aveva una grande disponibilità di foreste: il legno era
abbondante e poco costoso
Anche l’uso della pietra era largamente diffuso
Dal !900 in poi si ebbe la disponibilità di una grossa quantità di ferro.
Gli sviluppi della metallurgia hanno portato alla realizzazione di strutture in
acciaio
Dal 1950 si è avuta una grande diffusione di strutture realizzate in cemento
armato
Composizione della crosta terrestre
Tipologie di costruzione
La disponibilità in natura di un materiale e la tecnologia adoperata per
la sua estrazione e/o purificazione ne determinano in prima battuta il
prezzo.
La richiesta di un materiale non naturale è invece determinato, oltre che
dalla tecnologia, dalla domanda.
In genere nei prezzi si hanno fluttuazioni, a breve termine, che sono
condizionati dal rapporto domanda/offerta ma anche da fattori
speculativi.
La indisponibilità in loco di una materia prima condiziona
pesantemente il prezzo di un materiale.
solo titolo di esempio vengono riportate alcune tabelle relative ai prezzi
nel 1980 per Tonnellata di materiale.
Oggi, la maggior parte di questi prezzi sono più che triplicati.
Come si calcola la disponibilità di una risorsa nel tempo?
In genere tutte le materie prime vengono consumate con una velocità
che cresce esponenzialmente con il tempo
Se C è la velocità attuale di consumo in T/anno la crescita
esponenziale di un dato prodotto sarà
dC/dt = r C/100
r = velocità di crescita esponenziale
Integrando
C = C0 exp(r(t-t0)/100)
Al tempo t0 il consumo sarà C0
Quando C sarà diventato C0/2 , Cioè la disponibilità si sarà dimezzata, il tempo
Trascorso td sarà stato di
Td = (100/r) ln 2
