Corso di Tecnologia e Disegno per il biennio degli ITI
I materiali
I materiali a disposizione per ottenere manufatti utili
alle attività umane si possono suddividere
genericamente in:
• materiali metallici
• materiali non metallici
• materiali compositi
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I materiali metallici
Tra gli svariati materiali disponibili per la produzione di
prodotti finiti, ci occuperemo soprattutto dello studio dei
materiali metallici, in quanto occupano ancora un ruolo
preminente nelle costruzioni meccaniche.
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I materiali metallici
Nell’industria meccanica, la generica definizione di
“materiali metallici” coinvolge più tipologie di materiali che,
dal punto di vista chimico, sono così definiti:
Metalli
Non metalli
Leghe metalliche
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Misura delle proprietà
Tutti i materiali metallici hanno caratteristiche o proprietà specifiche.
La conoscenza di queste proprietà ne determina la scelta nelle applicazioni.
Ogni proprietà è posseduta da un materiale qualitativamente
quantitativamente in modo differente da ogni altro materiale.
e/o
Ciò è verificabile da opportune scale che indicano il grado o la misura di
quella determinata proprietà per il materiale in esame.
Il grado o la misura di una determinata proprietà è espresso per mezzo
di un numero e di una unità di misura (diversa per ogni proprietà)
L’insieme delle proprietà e le rispettive misure riferite al medesimo materiale,
costituiscono una sorta di “carta d’identità” per il materiale stesso.
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Scelta di un materiale
La scelta di un materiale dipende:
• dalla sua capacità di resistere alle sollecitazioni
• dalla esigenze inerenti all’impiego
• dalla facilità ed economicità della sua lavorazione
• dal costo
In altri termini si può affermare che la scelta di un
materiale dipende in larga misura dalle sue
proprietà chimico-strutturali, fisiche, meccaniche e
tecnologiche.
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Le proprietà dei materiali metallici
Proprietà chimico
strutturali
riguardano la composizione chimica dei metalli e la loro
struttura interna (distribuzione atomica, struttura cristallina),
dalle quali dipendono le proprietà meccaniche e tecnologiche e
le interazioni con l’ambiente (ossidazione, corrosione).
fisiche
sono le proprietà verificabili in relazione agli agenti esterni
(massa volumica, punto di fusione, conducibilità termica e
conducibilità elettrica, dilatazione, ecc.).
meccaniche
riguardano il comportamento dei materiali quando sollecitati da
forze esterne. Le principali proprietà meccaniche sono: la
resistenza meccanica, la resistenza alla fatica, la resistenza
all’usura e la resistenza a forze concentrate (durezza).
tecnologiche
riguardano l’attitudine dei materiali a subire diversi tipi di
lavorazioni meccaniche. Sono proprietà tecnologiche la
malleabilità, la duttilità, la colabilità, la saldabilità, la
truciolabilità, ecc.).
proprietà
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FINE
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Orientamento dei grani cristallini
Durante una normale solidificazione i reticoli dei grani si
orientano in tutte le direzioni.
E’ questa la ragione per cui i metalli resistono in modo uguale in
ogni direzione.
L’orientamento dei grani può essere cambiato attraverso
determinate
lavorazioni.
Questo
fenomeno
modifica
sostanzialmente la resistenza del metallo secondo le direzioni di
sollecitazione.
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Dimensioni dei grani cristallini
Durante il raffreddamento, raggiunta la temperatura di
solidificazione, si ha la formazione dei centri di cristallizzazione. Il
loro numero dipende dalla velocità di raffreddamento
In generale si può affermare che:
 un raffreddamento veloce porta alla formazione di grani piccoli
 un raffreddamento lento porta alla formazione di grani grossi
I metalli con grani piccoli hanno generalmente caratteristiche
migliori di quelli a grani grossi.
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La struttura cristallina dei metalli
Un metallo è costituito da grani cristallini (o cristalli), aderenti gli uni
agli altri, ma separati da linee sottili e irregolari (giunti cristallini).
E’ il giunto cristallino che, come una colla, tiene uniti in un tutt’uno i
grani cristallini.
I cristalli a loro volta sono formati da piccolissime particelle (atomi),
non visibili neppure al microscopio, che si dispongono in modo
geometricamente regolare a formare <celle elementari>.
Le celle elementari si dispongono con regolarità geometrica in
modo da formare il <reticolo cristallino>, che si interrompe solo ai
bordi del cristallo.
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La cella elementare
La cella elementare è il più piccolo solido che
possiede la completa simmetria del cristallo
ottenuta congiungendo i centri degli atomi contigui.
La cella elementare è definita dalla sua forma e
dalle sue dimensioni.
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Le celle elementari dei metalli
In natura le celle elementari possono essere di 14 forme
diverse.
La maggioranza dei metalli cristallizza secondo tre tipi di celle
elementari:
cubica a corpo centrato (c.c.c.)
cubica a facce centrate (c.f.c.)
esagonale compatta (e.c.)
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Cella Cubica a Corpo Centrato (c.c.c.) 9 atomi
Gli atomi sono a contatto lungo le diagonali
secondo il seguente schema:
8
4
5
1-9-7
7
3-9-5
4-9-6
2-9-8
3
9
1
2
8
6
7
4
3
Cella elementare
C.C.C.
9
Questo tipo di cella è
caratteristica dei materiali
più duri con resistenza alle
deformazioni
e
duttilità
medie, come il tungsteno, il
molibdeno e il ferro a (alfa)
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5
1
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6
2
22
Cella Cubica a Facce Centrate (c.f.c.) 14 atomi
8
8
7
11
3
2
10
12
13 5
9
6
14
1
4
7
11
3
2
10
13
12
5
9
Cella elementare
C.F.C.
6
14
4
1
La cella cubica a facce centrate è caratteristica dei materiali più duttili,
malleabili, buoni conduttori di elettricità e calore come il rame, il nickel,
l’alluminio, il piombo, l’oro, l’argento e il ferro g (gamma)
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Cella Esagonale Compatta (e.c.) 17 atomi
2
1
3
7
6
4
5
15
17
16
8
9
14
13
12
10
11
Cella elementare
E.C.
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La cella esagonale compatta è caratteristica
dei materiali fragili, come il magnesio, il
cadmio e lo zinco
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Le proprietà meccaniche di un metallo e, conseguentemente
quelle tecnologiche, sono influenzate dalle dimensioni dei
grani cristallini.
A parità di dimensioni del grano cristallino e delle dimensioni
dell’atomo, le celle c.c.c. sono in numero superiore,
rispettivamente, delle celle c.f.c e delle celle e.c.
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Grano cristallino
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Struttura cristallina delle leghe
metalliche
Le leghe metalliche sono formate da cristalli costituiti da atomi
di due o più metalli diversi oppure da atomi di metalli e atomi di
non metalli
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I cristalli che si formano nelle leghe metalliche sono di
tre tipi fondamentali:
• Cristalli puri
• Cristalli di soluzioni solide o misti
• Cristalli di composti intermetallici
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Tipi di leghe metalliche
A
B
Solvente
Lega di cristalli puri
C
Soluto
C
Lega di cristalli di soluzione solide o misti
Lega di cristalli di composti intermetallici
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Proprietà fisiche dei materiali
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Proprietà fisiche dei materiali
Svariate sono le proprietà fisiche dei materiali. Qui ne vengono
indicate alcune tra le più importanti :
•
•
•
•
•
•
•
•
Massa volumica (peso specifico)
Capacità termica massica (calore specifico)
Dilatazione termica
Temperatura di fusione
Calore latente di fusione
Conduttività termica
Conduttività elettrica
Magnetismo
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Proprietà meccaniche
Le proprietà meccaniche esprimono la capacità di un
materiale a resistere alle sollecitazioni dovute all’azione
di forze esterne che tendono a deformarlo.
L’azione delle forze esterne può avvenire secondo modalità
diverse e altrettanto diverse sono le capacità di resistenza dei
materiali sollecitati.
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Proprietà meccaniche
Ricordiamo che le caratteristiche fondamentali con cui viene
espressa una forza sono:
• l’intensità
verso
direzione
• la direzione
• il verso
intensità
La forze così rappresentate possono variare:
• per il tempo di applicazione
• per il punto o la superficie di applicazione
• per la direzione rispetto al corpo, ecc..
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Proprietà meccaniche
Secondo il tempo di applicazione si avranno:
• forze statiche
• forze dinamiche
• forze periodiche
Secondo la superficie di applicazione si avranno:
• forze concentrate
• forze di attrito
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Proprietà meccaniche
Forze statiche
Le forze applicate con gradualità e continuità nel tempo sono dette
statiche; si parla anche di sollecitazioni statiche.
Una sollecitazione statica è l’insieme delle forze esterne
(carichi) che agiscono su un corpo.
I vari tipi di sollecitazione si distinguono secondo la direzione di
applicazione delle forze rispetto all’asse geometrico principale del solido.
Se la forza statica agisce lungo un’unica direzione essa è definita:
sollecitazione statica semplice.
Più sollecitazioni semplici agenti su un corpo definiscono una
sollecitazione statica composta.
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Proprietà meccaniche
Resistenza meccanica
La capacità che i materiali hanno di resistere a sollecitazioni
statiche è detta resistenza meccanica.
Secondo la direzione di applicazione della sollecitazione
semplice si distinguono :
• sollecitazione a trazione
• sollecitazione a compressione
• sollecitazione a flessione
• sollecitazione a torsione
• sollecitazione a taglio
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Proprietà meccaniche
(Resistenza meccanica)
Sollecitazione semplice a trazione
Un corpo si dice sollecitato a trazione quando due forze di uguale
intensità sono dirette lungo l’asse geometrico del corpo e
tendono
ad allungarlo
Alcuni esempi:
catene, funi,
organi di
sollevamento, le
viti.
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Proprietà meccaniche
(Resistenza meccanica)
Sollecitazione semplice a compressione
Un corpo si dice sollecitato a compressione quando due forze di
uguale intensità sono dirette lungo l’asse geometrico del corpo e
tendono ad accorciarlo
Alcuni esempi: i
pilastri e i muri
degli edifici
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Proprietà meccaniche
(Resistenza meccanica)
Sollecitazione semplice a flessione
Un corpo si dice sollecitato a flessione quando la forza applicata
tende a piegarlo o a fletterlo.
La direzione della forza è
perpendicolare all’asse del pezzo e giace nel piano passante per
l’asse geometrico stesso.
Alcuni esempi: travi, alberi
motori, balestre, ecc.
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Proprietà meccaniche
(Resistenza meccanica)
Sollecitazione semplice a torsione
Un corpo si dice sollecitato a flessione quando è sottoposto a una
tende a far ruotare una sezione del pezzo
rispetto alla sezione immediatamente adiacente. Le
forza che
forze giacciono sul piano perpendicolare all’asse del pezzo e
tendono a torcerlo.
Alcuni esempi: maniglie delle
porte, alberi di trasmissione,
morse, ecc..
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Proprietà meccaniche
(Resistenza meccanica)
Sollecitazione semplice a taglio
Un corpo si dice sollecitato a tagli quando è sottoposto a una forza
che tende, di
conseguenza, a scorrere rispetto all’altra parte,
mantenuta fissa da una forza contraria.
applicata soltanto su una parte del corpo stesso,
Alcuni esempi: chiodature,
cesoie, spine, ecc..
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Proprietà Tecnologiche
Le proprietà tecnologiche riguardano l’attitudine dei
materiali a subire diversi tipi di lavorazioni meccaniche.
La misura delle proprietà tecnologiche è realizzata, con
procedure non sempre unificate, utilizzando provette o
campioni del materiale in esame.
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Proprietà Tecnologiche
Svariate sono le proprietà tecnologiche. Tra le più importanti
possiamo annoverare:
• la malleabilità
• la duttilità
• la fusibilità e colabilità
• la saldabilità
• la piegabilità
• la truciolabilità
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Fine presentazione
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