PROPRIETA’ DEI MATERIALI
Nella progettazione di qualsiasi oggetto è necessario definire oltre alla geometria e alle dimensioni
anche i seguenti elementi:
Caratteristiche funzionali del prodotto finito
I materiali da impiegare per la sua realizzazione
I procedimenti di lavorazione necessari per trasformare la materia prima in prodotto finito
Gli elementi economici (costo finale del prodotto)
Gli elementi normativi (leggi e norme sulla sicurezza e sulla qualità)
Tutti gli elementi sopra elencati sono profondamente condizionati dalla scelta del
materiale utilizzato nella progettazione.
Per questo è necessario conoscere le caratteristiche dei materiali più utilizzati che si
distinguono in:
PROPRIETA’ FISICHE
PROPRIETA’ CHIMICO-STRUTTURALI
PROPRIETA’ MECCANICHE
PROPRIETA’ TECNOLOGICHE
TIPI DI MATERIALI
SOSTANZE PURE
MISCUGLIO
COSTITUITI DA UNA
SOLA SOSTANZA
FORMATI DA DUE O PIU’
SOSTANZE
ELEMENTI
METALLI
FERRO
ALLUMINIO
RAME ECC.
NON
METALLI
COMPOST
I
OMOGENEI
ETEROGENEI
ARIA
SOLUZIONI
LEGHE
ROCCE
VETRORESINE
SILICIO
CARBONIO
AZOTO ECC.
L’ARGOMENTO SU CUI PUNTEREMO PRINCIPALMENTE L’ATTENZIONE SARA ‘
I METALLI E LE LEGHE
LE LEGHE SONO DEI MISCUGLI DI DUE O PIU’ SOSTANZE IN CUI PREVALE
LA PRESENZA DI UN METALLO.
HANNO CARATTERISTICHE MIGLIORI RISPETTO A QUELLE
DI OGNI SOSTANZA CHE LE COMPONE
MASSA VOLUMICA è il rapporto tra la massa di
un materiale e il suo volume
Massa
Kg
γ= Volume = dm3
PROPRIETA’ FISICHE
Piombo
Ferro
Alluminio
Materiali pesanti ≥4kg/dm3
ferro, rame, piombo,
Materiali leggeri ≤4kg/dm3
alluminio e sue leghe, ceramica
1 dm ≤2kg/dm3
Materiali ultraleggeri
Massa 11,36 kg
1 dm
Massa 7,8 kg
magnesio 1
e dm
sue leghe, legno, sabbia
Massa 2,7 kg
Per esempio l’alluminio per la sua leggerezza è utilizzato nelle costruzioni aereonautiche
Mentre il piombo essendo molto pesante è utilizzato come schermo protettivo contro le
radiazioni nocive(raggi X)
CAPACITA’ TERMICA MASSICA (o calore specifico) esprime la quantità di
calore necessaria per innalzare di 1°C la massa di un kg
Cs=
Q
m * (T1-T0)
Materiali con alta capacità termica:
Materiali con bassa capacità termica:
=
J
kg * °C
alluminio, cromo, nichel, acqua, carbonio.
ferro, piombo, oro, stagno, argento.
CONDUTTIVITA’ TERMICA ED ELETTRICA
è la capacità di un materiale di trasmettere calore o elettricità. Infatti solitamente in
un materiale queste due caratteristiche sono associate quindi
un buon conduttore elettrico sarà anche un buon conduttore termico
Cavi elettrici
Pannello solare
BUONI CONDUTTORI
RAME, ALLUMINIO, ORO,
ARGENTO, METALLI IN GENERE
CATTIVI CONDUTTORI
ISOLANTI
PORCELLANA, AMIANTO, VETRO, LEGNO
I NON METALLI IN GENERE
DILATAZIONE TERMICA
E’ la variazione di lunghezza ΔL=Lf-Li per effetto della variazione
di temperatura ΔT=Tf-Ti. E’ variabile in base al materiale.
E’ espressa dal COEFFICIENTE DI DILATAZIONE TERMICA LINEARE
ΔL
α = ΔT*L
i
=
m
m*°C
N.B. Per esempio un filo di rame lungo 1m subisce
un allungamento di 17μm per un incremento di temperatura di 1°C
α:
TEMPERATURA DI FUSIONE
E’ la temperatura alla quale un materiale passa dallo stato solido a quello liquido.
I metalli puri hanno ognuno un punto di fusione ben definito, mentre per le leghe varia in
base alla composizione chimica.
Dal punto di vista della temperatura di fusione, i materiali si dividono in:
Bassofondenti (fino a 500°C)
Piombo 328°C, stagno 232°C
Mediofondenti (da 500 a 1200°C) Alluminio 660°C, argento960°C, Rame1083°C
Altofondenti (da 1200 a 2000°C) Ferro 1535°C, Cromo 1875°C
Refrattari
(oltre 2000°C)
Ceramiche (per questo utilizzate nei rivestimenti dei forni)
RESISTENZA ALLA CORROSIONE
E’ l’attitudine di un materiale a resistere
all’aggressione di agenti chimici. Sotto questa
aggressione molte sostanze si trasformano reagendo
chimicamente con questi agenti creando nuove
sostanze, che col passare del tempo degradano il
materiale stesso.
Questo processo di chiama CORROSIONE
Metalli NOBILI
Praticamente inattaccabili
(rame, argento, oro)
Metalli REATTIVI
Più esposti al fenomeno
della corrosione
STRUTTURA DEL MATERIALE
GLI ATOMI CHE COMPONGONO LE SOSTANZE
HANNO DISTRIBUZIONE DIFFERENTI
STRUTTURA
AMORFA
VETRO PLASTICA CERAMICA ECC.
Nella struttura Amorfa gli atomi
sono disposti in maniera
casuale ed irregolare
STRUTTURA
CRISTALLINA
METALLI MINERALI ECC.
Nella struttura Cristallina gli
atomi sono disposti in maniera
perfettamente regolare
formando un reticolo
geometrico
RETICOLO CRISTALLINO
CELLA ELEMENTARE
Parte più piccola
LE FORME DELLA CELLA CRISTALLINA POSSONO ESSERE NUMEROSE
NE ESISTONO 14 TIPI DIVERSI
TRA I METALLI LE FORME DELLA CELLA ELEMENTARE
SONO SOLTANTO
STRUTTURA CUBICA
A CORPO CENTRATO
STRUTTURA CUBICA
A FACCE CENTRATE
STRUTTURA
ESAGONALECOMPATTA
STRUTTURA CUBICA
A CORPO CENTRATO
STRUTTURA CUBICA
A FACCE CENTRATE
STRUTTURA
ESAGONALECOMPATTA
Costituita da 9 atomi disposti sui vertici di un cubo
e 1 al centro del cubo stesso.
Questo tipo di cella è caratteristico dei materiali
più duri
Con resistenza alle deformazioni come:
Tungsteno, Molibdeno, Ferro α (alfa)
Costituita da 14 atomi. 8 atomi disposti sui vertici
e 1 al centro di ciascuna delle 6 facce.
Questo tipo di cella è caratteristico dei materiali
più duttili, malleabili, buoni conduttori di calore ed
elettricità come: Rame, Nichel, Alluminio, Piombo,
Oro, Argento, Ferro γ (gamma)
Costituita da 17 atomi. 14 atomi disposti in modo
da formare un prisma esagonale e 3 atomi disposti
all’interno del prisma stesso.
Questo tipo di cella è caratteristico dei materiali
più fragili come Magnesio Cadmio Zinco
Non tutti i materiali possiedono una sola forma di cristallizzazione.
Alcuni metalli possono cristallizzare sotto forme differenti a seconda della
temperatura e della pressione. Questa particolare caratteristica prende il nome
di POLIMORFISMO
I cambiamenti di struttura cristallina prendono il nome di
TRASFORMAZIONI ALLOTROPICHE
Ogni struttura cristallina attribuisce proprietà differenti al materiale
Diamante e Grafite: stati allotropici differenti della stessa sostanza, il carbonio.
Con caratteristiche completamente differenti, ma stessa composizione chimica
Riguardano la capacità dei materiali di resistere alle sollecitazioni di forze
applicate dall’esterno, che tendono a modificarne la forma e le dimensioni.
Se al cessare della sollecitazione il corpo
acquista
la forma iniziale, si è avuta una
DEFORMAZIONE ELASTICA
Se al cessare della sollecitazione il corpo
NON acquista
la forma iniziale, si è avuta una
DEFORMAZIONE PLASTICA
A SECONDA DEL TEMPO IN CUI AGISCONO POSSIAMO DISTINGUERE:
SOLLECITAZIONI STATICHE
Le forze sono applicate con gradualità e continuità nel tempo
La capacità dei materiali di resistere alle sollecitazioni statiche
è detta RESISTENZA
MECCANICA
SOLLECITAZIONI DINAMICHE
Le forze sono applicate in tempi brevi
meno di 1/10 di secondo
La resistenza dei materiali alle forze dinamiche
è detta RESILIENZA
SOLLECITAZIONI PERIODICHE
Sono forze ripetitive nel tempo (ad esempio nel caso di forze
che agiscono decine di volte in 1 secondo)
La resistenza dei materiali alle forze periodiche
è detta FATICA
VARI TIPI DI SOLLECITAZIONI SEMPLICI
SOLLECITAZIONE DI TRAZIONE
Quando due forze di uguale intensità sono
dirette lungo l’asse del pezzo e tendono ad
allungarlo
SOLLECITAZIONE DI COMPRESSIONE
Quando le forze dirette lungo l’asse del
pezzo tendono ad accorciarlo
SOLLECITAZIONE DI FLESSIONE
Quando la forza applicata tende a
piegarlo e fletterlo
ZONA SOGGETTA A COMPRESSIONE
ASSE
NEUTRO
ZONA SOGGETTA A TRAZIONE
ZONA COMPRESSA
ZONA TESA
NELLE TRAVI A DOPPIO “T” SONO LARGHE LE
ZONE SOTTOPOSTE A SOLLECITAZIONI INTENSE,
MENTRE QUELLA CENTRALE HA UNO SPESSORE
RIDOTTO PERCHE’ POCO SOLLECITATA
SOLLECITAZIONE DI TORSIONE
Quando la forza applicata tende a
far ruotare il pezzo
La punta di un trapano
è sollecitata a torsione
SOLLECITAZIONE DI TAGLIO
Quando la forza applicata tende a
tranciare il pezzo
SOLLECITAZIONI CONCENTRATE
Quando le forze agiscono su una zona
ristretta.
La resistenza che un corpo oppone ai
carichi concentrati si chiama DUREZZA.
Un metallo a struttura polimorfa come il
ferro, presenta durezze diverse a seconda
della struttura cristallina
SI RIFERISCONO ALLA CAPACITA’ DI UN MATERIALE DI SUBIRE LAVORAZIONI DI VARIO TIPO COME:
LAVORAZIONI A CALDO (FUSIONE, FUCINATURA, SALDATURA)
LAVORAZIONI A FREDDO SENZA ASPORTAZIONE DI TRUCIOLO (LAMINAZIONE STAMPAGGIO,
IMBUTITURA, TRAFILATURA, ECC.)
LAVORAZIONI A FREDDO CON ASPORTAZIONE DI TRUCIOLO (TORNITURA, FRESATURA, FORATURA
ECC.)
FUSIBILITA’ E COLABILITA’
Attitudine di un materiale ad essere
lavorato con la tecnica della fusione
Creazione dello stampo
e colata del materiale
Dopo raffreddamento si
estrae il prodotto (GETTO)
Queste proprietà vengono sfruttate in
FONDERIA, dove si ottengono per fusione
o colata, pezzi anche molto grandi e di
forma complessa, difficilmente ottenibili in
altro modo
Viene liberato delle
parti eccedenti e pulito
SALDABILITA’
Attitudine di un materiale ad essere
congiunto per fusione con un altro.
La saldabilità è buona per l’acciaio ma
scarsa per le ghise e le leghe leggere
CON MATERIALE DA APPORTO
SENZA MATERIALE DA APPORTO
MALLEABILITA’
E’ sinonimo di plasticità. È la capacità di un
materiale ad essere deformato a caldo o a
freddo, in lamine, senza rompersi o
screpolarsi, mediante l’azione di
PRESSE, MAGLI, LAMINATOI.
Materiali malleabili sono gli acciai dolci,
l’alluminio e il rame.
FUCINATURA
La malleabilità è sfruttata anche nella
FUCINATURA, consiste nel riscaldare il
pezzo sino ad una data temperatura e nel
batterlo con martelli o magli per ottenere la
forma voluta
LAMINAZIONE
La malleabilità risulta particolarmente
significativa nella laminazione, per
costruire lamiere di vario spessore e
profilati di vario genere
DUTTILITA’
E’ l’attitudine di un materiale ad essere
trasformato in fili. La lavorazione che
sfrutta questa proprietà è la
TRAFILATURA.
Materiali molto duttili sono: l’acciaio dolce,
l’argento, l’oro, l’alluminio e il rame.
TRAFILATURA
IL MATERIALE VIENE
TIRATO ATTRAVERSO
UN FORO SAGOMATO
ESTRUDILITA’
E’ l’attitudine di un materiale ad acquisire
determinate forme quando viene spinto
attraverso un foro sagomato.
Questo tipo di lavorazione è detta
ESTRUSIONE.
Buona estrudibilità hanno le leghe
dell’alluminio e gli acciai dolci
IMBUTIBILITA’
E’ l’attitudine di un materiale ad essere
deformato a freddo ottenendo corpi cavi.
L’operazione viene chiamata IMBUTITURA.
I materiali imbutibili sono quelli malleabili.
TRUCIOLABILITA’
E’ l’attitudine di un materiale a subire
lavorazioni per asportazione di truciolo.
Le principali lavorazioni per asportazione
di truciolo sono:
•TORNITURA
•FRESATURA
•TRAPANATURA
•FILETTATURA
Materiali difficilmente truciolabili sono: le ghise e gli acciai temprati (perché troppo duri).