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LOGISTICA - Capitolo 2 - Modulo 5
MATERIALI
FERRO (Fe)
Il ferro è presente in natura nei cosiddetti minerali ferrosi (silice,
argilla, quarzo, ardesia, calcare).
È un materiale duttile e malleabile, facilmente lavorabile sia per
asportazione di truciolo sia per deformazione plastica ma la sua
resistenza meccanica è molto bassa.
Resiste poco al calore e alla corrosione, infatti si combina facilmente
con l’ossigeno con il quale forma l’ossido di ferro chiamato
comunemente ruggine.
Alcune caratteristiche del ferro sono:
Densità (massa volumica)................................................ 7.87 kg/dmc
Temperatura di fusione..................................................... 1534 °C
Resistenza a trazione ….............................................250 ÷ 300 N/mmq
Durezza Brinnel …...............................................................60 ÷ 80 HB
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MATERIALI
ACCIAIO
Con il termine acciaio si intende una lega di ferro e carbonio che
presenta elevata resistenza a trazione e compressione, buona
resilienza, ottima lavorabilità, sia per deformazione plastica che alle
macchine utensili, ottima saldabilità.
Le proprietà degli acciai sono variabili e dipendono da molti fattori tra
i quali; percentuale di carbonio, processo di produzione, trattamenti
termici, presenza e percentuali di altri elementi di lega.
Gli acciai possono essere classificati in base all’impiego cui sono
destinati, le tipologie più comuni sono:
Acciai per usi generali – Acciai da bonifica – Acciai da cementazione
– Acciai inossidabili – Acciai per cuscinetti - Acciai per molle – Acciai
per utensili
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MATERIALI
GHISA
Con il termine ghisa si intende una lega di ferro e carbonio che
presenta bassa elasticità e resilienza.
È caratterizzata da ottima fusibilità e colabilità ed è lavorabile alle
macchine utensili.
Alcune caratteristiche della ghisa sono:
Temperatura di fusione.......................................................... 1300 °C
Resistenza a trazione............................................. 100 ÷ 800 N/mmq
Resistenza a compressione …................................150 ÷ 400 N/mmq
Burezza Brinnel …........................................................150 ÷ 400 HB
In base alla composizione chimica le ghise possono essere classificate
in:
Ghise bianche – Ghise grigie – Ghise malleabili
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MATERIALI
ALLUMINIO (Al) E LEGHE LEGGERE
L’alluminio è diffusissimo sotto forma di composti che
costituiscono circa l’8% della crosta terrestre e il minerale più
usato per la produzione dell’alluminio è la Bauxite (dal nome
della località francese Les Baux, dove fu scoperta nel 1821).
L’alluminio può formare leghe con vari metalli quali: rame,
magnesio, silicio, manganese e zinco, spesso sono presenti
in piccole percentuali ferro, nichel, titanio, piombo e stagno.
Le particolari caratteristiche dell’alluminio sono la
leggerezza, alta conduttività termica e elettrica, insensibilità
agli agenti atmosferici, buona plasticità sia a caldo che a
freddo e buona fusibilità.
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MATERIALI
RAME (Cu) E LE SUE LEGHE
Metallo molto diffuso in natura era conosciuto fin
dall’antichità e viene ricavato da minerali come la cuprite e la
calcopirite.
È il migliore conduttore elettrico e del calore, ha una
elevatissima resistenza alla corrosione e agli agenti
atmosferici.
Molto duttile e malleabile si presta bene a tutte le lavorazioni
plastiche, tanto che può essere trafilato a freddo per produrre
fili di diametro capillare.
Le più importanti leghe di rame sono:
OTTONE = lega costituita da Rame e Zinco
BRONZO = lega costituita da Rame e Stagno
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MATERIALI
MAGNESIO (Mg) E LE SUE LEGHE
È un metallo molto diffuso in natura si trova nelle rocce
dolomitiche sotto forma di carbonati, silicati, cloruri e solfuri.
Fonde a 650 °C ed è il più leggero tra i metalli industriali,
forma leghe ultraleggere con l’alluminio, lo zinco e il
manganese e proprio per la loro leggerezza e resistenza alla
corrosione sono impiegate nelle costruzioni aeronautiche.
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MATERIALI
TITANIO (Ti) E LE SUE LEGHE
È un metallo molto costoso, dotato di elevate caratteristiche
meccaniche molto resistente al calore e alla corrosione.
Si presta bene allo stampaggio sia a caldo che a freddo ed è
lavorabile alle macchine utensili.
Per le sue doti di resistenza agli agenti chimici e alle alte
temperature trova impiego nelle costruzioni aeronautiche,
missilistiche ed aerospaziali.
Il titanio forma numerose leghe con alluminio, stagno,
vanadio, cromo, molibdeno, zirconio.
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MATERIALI
MATERIE PLASTICHE
Le materie plastiche non esistono in natura, vengono ottenute
per mezzo di procedimenti chimici partendo da prodotti
naturali.
Attraverso opportune reazioni chimiche le molecole semplici
degli elementi di base (carbonio, ossigeno, azoto, idrogeno,
zolfo, cloro, ecc.) vengono combinati in complessi
macromolecolari disposti in “catene” più o meno lunghe.
Le proprietà delle materie plastiche sono: leggerezza, ottime
capacità di isolamento termico ed elettrico, resistenza alla
corrosione, ottima resistenza agli urti, facilità di lavorazione.
Sono diffusamente impiegate in tutti i settori industriali:
industria chimica, meccanica, automobilistica, aeronautica
(pneumatici, allestimenti interni, componentistica).
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MATERIALI
LEGNO
Il legno è un materiale naturale che vanta numerosi pregi tra i
quali; leggerezza, economicità, facilità di lavorazione, buone
proprietà meccaniche e tecnologiche, ottimo aspetto estetico.
In passato è stato ampiamente usato nelle Costruzioni
Aeronautiche.
Abete, pino, larice, pioppo, quercia, castagno, faggio,
betulla. ….............................Costruzioni civili e industriali.
Mogano, ebano, palissandro, ciliegio, noce, pero, olivo.
….........................................................Ebanisteria, intarsio.
Larice, quercia, teak. ….....Costruzioni navali e idrauliche.
Abete, pino, larice, pioppo, noce, quercia, frassino, olmo,
platano, faggio, cipresso. …...........................Falegnameria.
Noce, faggio, tiglio, ciliegio. ….................Torneria in legno.
Faggio, abete, noce. ….........................Modelli per fonderia
.
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MATERIALI
MATERIALI COMPOSITI
Si definiscono compositi quei materiali nei quali due o più
componenti vengono combinati artificialmente per ottenere
un materiale con proprietà particolari, diverse da quelle dei
singoli componenti.
Nei compositi le sostanze componenti sono fisicamente
separate e distinguibili all’esame microscopico.
Uno dei componenti svolge la funzione di matrice (metallica,
ceramica, polimerica), nella quale sono dispersi dei sottili
filamenti (whiskers) di materiale diverso, che fungono da
rinforzo.
Nell’industria aeronautica si utilizzano materiali compositi
per parti strutturali di aeromobili, carrelli di atterraggio, parti
di ala e fusoliera.
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MATERIALI
LEGHE A MEMORIA DI FORMA
Questi materiali possono essere deformati ad una certa
temperatura, ma quando vengono riscaldati o raffreddati,
riprendono la loro forma originaria, come se ne avessero
“memoria”, per questo vengono definiti “a memoria di forma”
o SMA (dall’inglese Shape Memory Alloys).
Le deformazioni completamente recuperabili sono
dell’ordine del 10% e la memoria di forma si dice :
“a una via” se il materiale presenta l’effetto memoria solo
quando viene riscaldato;
“a due vie” se l’effetto memoria funziona anche se il
materiale viene raffreddato.
In quest’ultimo caso però le deformazioni utili scendono al
valore di circa il 3%.
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MATERIALI
PROPRIETA' FISICHE
DENSITA'
La densità o massa volumica è la massa dell’unità di
volume di una sostanza, nel sistema internazionale (SI) si
misura in [kg/m3], anche se comunemente si usa il [kg/dm3]
CALORE SPECIFICO
Rappresenta la quantità di calore che si deve fornire a 1
Kg dell’elemento considerato per aumentare di 1 °C la
sua temperatura. Nel Sistema Internazionale l’unità di
misura è il [J/kg °C]
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MATERIALI
CONDUTTIVITA' TERMICA
Esprime la capacità di un materiale di condurre il calore, la
conduttività termica è definita dalla quantità di calore in [J]
che in 1 secondo attraversa perpendicolarmente il solido
quando tra le due facce opposte c’è una differenza di
temperatura di 1 °C.
Nel Sistema
Internazionale la
conduttività termica
si misura in [W/m °C].
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MATERIALI
DILATAZIONE TERMICA
Un corpo di qualsiasi materiale quando viene riscaldato si
dilata, di questo fenomeno si deve tener conto in tutti gli
accoppiamenti meccanici.
Per definire e quantificare la dilatazione termica dei
materiali si utilizza il coefficiente di dilatazione lineare
In pratica il coefficiente di dilatazione lineare definisce
l’aumento di lunghezza subito da un pezzo di lunghezza
unitaria quando la sua temperatura aumenta di 1 °C
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MATERIALI
TEMPERATURA DI FUSIONE
È la temperatura alla quale un materiale, sottoposto
all’azione del calore, passa dallo stato solido allo stato
liquido.
I metalli puri hanno una temperatura di fusione ben definita,
che rimane costante durante la fusione, le leghe invece
(salvo alcune eccezioni) fondono in un intervallo di
temperatura che dipende dalla loro composizione chimica .
Il calore necessario a un materiale per effettuare il completo
passaggio dallo stato solido a quello liquido è definito calore
latente di fusione.
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MATERIALI
RESISTIVITA' ELETTRICA
Un corpo al quale si applica una tensione elettrica, oppone
una certa resistenza al passaggio della corrente che
dipende dalla sua sezione, dalla lunghezza e dalla sua
resistività elettrica
Quindi la resistività elettrica, tipica di ogni materiale, indica
la resistenza di un conduttore rettilineo uniforme di
lunghezza e sezione unitarie.
Nel Sistema Internazionale si misura in [Ω m] ma per
comodità di calcolo si utilizza [Ω mm2/m].
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MATERIALI
MAGNETISMO
Rappresenta l’insieme dei fenomeni e delle leggi che
descrivono il comportamento dei materiali in relazione ai
campi magnetici.
In base alla diversa sensibilità ai campi magnetici i metalli
possono essere suddivisi in :
PARAMAGNETICI
MAGNETICI
FERROMAGNETICI
DIAMAGNETICI
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MATERIALI
PROPRIETA' CHIMICHE
Definiscono il comportamento dei materiali con gli agenti chimici con
cui sono in contatto.
Ad esempio, per la resistenza alla corrosione e all’ossidazione si deve
ricorrere a trattamenti o rivestimenti superficiali protettivi come
verniciatura, cromatura, zincatura, brunitura ecc.
Invece per le materie plastiche, un fattore fondamentale è la resistenza
all’azione di idrocarburi, solventi, acidi.
Molti materiali impiegati nell’arredamento interno di aerei ed elicotteri
devono essere omologati, tenendo presente la loro infiammabilità e
resistenza al fuoco, nonché la possibilità di emissione di fumi tossici in
caso d’incendio.
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MATERIALI
PROPRIETA' STRUTTURALI
I metalli hanno una struttura cristallina, cioè i loro atomi sono disposti
in reticoli regolari e ordinati, ogni metallo ha una struttura atomica
diversa da quella di un altro metallo e allo stato solido gli atomi
formano sempre lo stesso tipo di reticolo cristallino composto da celle
elementari.
La maggior parte dei metalli è costituita da celle elementari
appartenenti a tre tipi fondamentali:
CUBICA A CORPO CENTRATO
CUBICA A FACCE CENTRATE
ESAGONALE COMPATTA
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MATERIALI
Cella elementare - Cubica a corpo centrato
Tipica dei metalli più duri (Tungsteno, Molibdeno, Ferro) è formata
da 9 atomi di cui 8 disposti sui vertici di un cubo e 1 al centro del
cubo stesso
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MATERIALI
Cella elementare - Cubica a facce centrate
Caratteristica dei metalli più duttili e dotati di buona conduttività
termica ed elettrica (Rame, Alluminio, Oro, Argento, Ferro), è
formata da 14 atomi, di cui 8 disposti sui vertici di un cubo e 6 al
centro delle facce del cubo stesso
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MATERIALI
Cella elementare - Esagonale compatta
Tipica dei materiali fragili (Zinco, Magnesio), è costituita da 17 atomi,
di cui 12 disposti ai vertici di un prisma esagonale, 2 ai centri delle
basi, e 3 all’interno del prisma.
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MATERIALI
Le leghe metalliche hanno cristalli costituiti da atomi di metalli diversi,
oppure da atomi di elementi metallici e non metallici (acciaio), si
possono distinguere cristalli di tre tipi fondamentali:
CRISTALLI PURI
CRISTALLI MISTI O DI SOLUZIONE SOLIDA
CRISTALLI DI COMPOSTI INTERMETALLICI
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MATERIALI
Lega di Cristalli puri
I componenti della lega non sono solubili tra di loro né allo stato
liquido né allo stato solido, coesistono 2 o più tipi di cristalli diversi,
ognuno formato da atomi di uno solo dei componenti
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MATERIALI
Lega di Cristalli misti o di soluzione solida
I componenti della lega sono solubili tra di loro sia allo stato solido
che liquido.
In questa struttura uno dei componenti fa da solvente per l’altro per
cui nei reticoli dei cristalli sono presenti entrambi i componenti
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MATERIALI
Lega di Cristalli di composti intermetallici
Derivano da combinazioni chimiche degli elementi di lega, ad
esempio il carburo di ferro o cementite nella lega ferro carbonio
Gli atomi dei vari
composti si combinano
tra loro sempre nella
stessa proporzione: la
lega è perciò formata da
celle identiche tra loro e
la disposizione di un
elemento nel reticolo
dell’altro è sempre
regolare.
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MATERIALI
PROPRIETA' MECCANICHE
Definiscono la capacità dei materiali di resistere all’azione di forze
esterne tendenti a modificarne la forma e le dimensioni, queste forze
possono essere applicate in vari modi e ogni materiale reagisce in
modo diverso a ciascuna sollecitazione.
Le proprietà meccaniche fondamentali sono:
• Resistenza meccanica:
è la capacità di resistere
alle sollecitazioni statiche
di trazione, compressione,
flessione, torsione e taglio.
• Resilienza:
è la capacità di resistere a
forze dinamiche di breve
durata e forte intensità,
cioè agli urti e agli strappi.
Forza dinamica di breve durata e forte intensità
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MATERIALI
DUREZZA
E' la capacità di resistere a forze concentrate applicate in zone
puntiforme, esempio taglienti degli utensili che ovviamente devono
avere una durezza superiore a quella del materiale in lavorazione.
Lavorazione con utensile
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MATERIALI
Resistenza all’usura
Dipende dalla durezza e dalla rugosità delle superfici, interessa le parti
in moto relativo che, a causa dell’attrito (strisciamento, rotolamento),
sono soggette all’usura.
È il caso delle guide di scorrimento delle macchine utensili, delle
bronzine, dei cuscinetti, dei pistoni e dei cilindri nei motori a scoppio.
Parti soggette ad usura
(cilindro di un motore a
scoppio)
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MATERIALI
Resistenza a fatica
E' la capacità di resistere a forze applicate in modo ripetitivo, che
possono provocare la rottura di un materiale molto prima di una stessa
forza di intensità e direzione costante.
Sono soggetti a forze periodiche le bielle e gli alberi a gomito dei
motori a scoppio, le molle e le valvole di distribuzione.
In genere, gli organi dotati di moto alternativo, ma nelle costruzioni
aeronautiche, la resistenza a fatica deve essere valutata per l'intera
struttura del velivolo.
Organo meccanico sollecitato
a fatica (molla)