1 - Introduzione alla Scelta dei Materiali 1.1 - Tipologie e proprietà dei materiali Contenuti • Classi dei materiali per l’ingegneria • Proprietà dei materiali • Confronti tra classi di materiali • Proprietà e utilizzo dei metalli Fonti: • M. F. Ashby, “Materials Selection in Mechanical Design” Butterworth Heinemann, 1999 Chapters 1, 3 • The Cambridge Material Selector (CES) software -- Granta Design, Cambridge (www.grantadesign.com) Evoluzione dei materiali Progressi nei materiali strutturali Strength - to - density ratio (SDR) è una misura del risparmio di peso a parità di resistenza I primi materiali strutturali sono stati la pietra e il legno (la pietra a compressione, il legno a trazione e compressione, in direzione parallela alle fibre) I primi materiali venivano utilizzati così come reperibili in natura. Col passare del tempo sono stati scoperti metodi per la lavorazione. Il legno ha un SDR sorprendentemente elevato I primi metalli strutturali sono stati il rame (copper), le sue leghe (bronzo), la ghisa (cast iron) e il ferro battuto (wrought iron) Questi metalli sono più resistenti di legno e pietra in termini assoluti,ma sono molto più pesanti – quindi hanno valori di SDR bassi Progressi nei materiali strutturali SDR ha avuto un forte incremento negli ultimi 20 anni -- 50X Per tenere in sospeso un peso di 25 ton per mezzo di una barra cilindrica di ghisa è necessaria una sezione di raggio pari a 14.2 mm, pesante 6 kg/m. Lo stesso peso può essere tenuto in sospeso da un cavo di fibre polimeriche ad alta resistenza (high strength polymer fibers) con un raggio pari a 4.5 mm, pesante 100 g/m. Force (F) Force (F) Failure Stress = σf = F/A Area (A) Classi dei materiali Steels Cast irons Al-alloys Metals Cu-alloys Ni-alloys Ti-alloys PE, PP, PC PA (Nylon) Alumina Si-Carbide Polymers, elastomers Ceramics, glasses GFRP CFRP Soda-glass Pyrex Composites Polymer foams Metal foams Foams Ceramic foams Glass foams Butyl rubber Neoprene KFRP Plywood Woods Natural materials Natural fibres: Hemp, Flax, Cotton Materiali appartenenti a una stessa classe sono generalmente accomunati da proprietà simili, stessi processi di lavorazione applicabili, e campi di utilizzo analoghi Classi di materiali Metals Ferrous metals: carbon, alloy, stainless steels Nonferrous metals and alloys: aluminum, magnesium, copper, nickel, titanium, low-melting alloys Plastics: thermoplastics, thermosets, and elastomers Ceramics: glass ceramics, glasses, graphite, and diamond Composite materials: reinforced plastics, metal-matrix and ceramic-matrix composites, and honeycomb structures. Metals Reticolo cristallino (crystal lattice) semplice Metals L’accumulo di celle unitarie nelle 3 dimensioni produce un singolo grano -- grani di orientamento differente si incontrano lungo i confini (grain boundaries) Metals La deformazione avviene per slittamento (slip) secondo piani di scivolamento (slip plane) Metals Eccellente conduttività termica e elettrica (electric and thermal conductivity) Moduli elastici relativamente elevati E = σ/ε (stress/strain) La resistenza può essere aumentata mediante elementi leganti, deformazioni meccaniche, trattamenti termici Gli elementi leganti impediscono il movimento delle dislocazioni Le lavorazioni meccaniche producono l’accumulo delle dislocazioni verso i bordi dei grani Il riscaldamento a basse temperature causa la migrazione degli elementi leganti verso il centro delle dislocazioni e la formazione di precipitati che le bloccano Il riscaldamento a temperatura elevata, seguito da rapido raffreddamento, causa distorsione e indurimento del reticolo cristallino Metals Hanno buona duttilità (misurata dalla resistenza alla frattura -- strain to fracture), e si snervano prima di arrivare a frattura Sono sensibili al fenomeno della fatica Sono i materiali meno resistenti a corrosione tra le 6 classi (a meno di ricorrere a ricoprimenti protettivi) Ceramics Sono generalmente costituiti da una combinazione di atomi metallici e non metallici (ossido di alluminio, Al2O3). Altri ceramici molto noti sono SiC, SiO2 La caratteristica principale è costituita dalla natura del legame tra atomi metallici e non metallici, particolarmente forte Ceramics Come i metalli, i ceramici hanno legami resistenti e quindi moduli di elasticità elevati Mentre i primi sono duttili, i ceramici sono fragili (i metalli possono deformarsi plasticamente mediante movimento delle dislocazioni) Nei ceramici le dislocazioni si formano difficilmente a causa del forte legame covalente tra gli atomi di differente natura Si deformano elasticamente fino a rottura improvvisa -- la resistenza a trazione è circa 15 volte minore di quella a compressione La rigida struttura fortemente legata comporta elevata durezza e resistenza all’usura (largo utilizzo negli utensili da taglio) Polymers Sono costituiti da lunghe catene di molecole ripetute (longchain repeating molecules) – generalmente gli atomi di carbonio costituiscono la spina dorsale, quelli di idrogeno sono legati ad essi Esempio: Polietilene – conposto da molecole ripetute di etilene (C2H4 ) Polymers Architettura Classificazione Polymers La struttura molecolare può essere “stirata” perché le molecole che costituiscono le catene possono scorrere una rispetto all’altra, e le catene stesse possono “srotolarsi” Se i fenomeni di scorrimento sono reversibili la deformazione è elastica, e può essere definito un modulo elastico. Se non sono reversibili si verifica una specie di snervamento, e la deformazione irreversibile può essere molto ampia prima della rottura Conseguentemente i polimeri hanno moduli elastici bassi (circa 50 volte inferiori rispetto ai metalli), ma sono resistenti (talvolta quanto i metalli) grazie alla buona resistenza dei legami secondari, che devono essere spezzati per giungere a rottura Polymers Le proprietà dipendono fortemente dalla temperatura. Possono essere tenaci e flessibili a 20o C e fragili a 4o C, soggetti a creep (lenta deformazione irreversibile) a 100o C. Nessuno ha buona resistenza oltre i 200o C. Sono facilmente formabili: parti complesse che realizzano prestazioni diversificate possono essere realizzate da un singolo polimero mediante un’unica lavorazione Sono resistenti alla corrosione e hanno bassi coefficienti di attrito Composites Sono costituiti da due tipi di fasi: la matrice, e una o più fasi di rinforzo Lo scopo delle fasi di rinforzo è di accrescere le proprietà della matrice (resistenza, rigidezza, resistenza all’usura, etc.) La fase matrice può essere costituita da metalli, ceramici, polimeri Le fasi di rinforzo sono generalmente costituite da fibre continue, o particolati E-Glass Fibers in Polycarbonate Matrix SiC Fibers in a Al2 O3 - Al Matrix Composites Tipi di rinforzo utilizzati per le matrici polimeriche, e a volte anche metalliche e ceramiche Composites Particelle e scaglie sono meno efficaci di fibre corte. Le fibre continue sono le più efficaci, ma l’effetto di rinforzo varia a seconda della direzione (sono più forti in direzione longitudinale) Per ridurre la direzionalità si ricorre a tappetini intrecciati (woven mats) Il legame tra matrice e rinforzo è generalmente molto forte Composites Miglioramento della resistenza e della rigidezza per compositi a matrice polimerica rinforzati in vario modo (glass, graphite, boron, aramid) Composites Tipologie di materiali da rinforzo per compositi polimerici Composites Proprietà meccaniche delle fibre di rinforzo Proprietà dei materiali Mechanical properties: strength, toughness, ductility, hardness, elasticity, fatigue, and creep Physical properties: density, thermal expansion, conductivity, specific heat, melting point, and electrical and magnetic properties Chemical properties: oxidation, corrosion, toxicity, and flammability Manufacturing properties: castability, formability, machinability, weldability, and hardenability by heat treatment Proprietà dei materiali Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) - (CH2-CH-C6H4)n Thermal Properties General Properties Density Price 1.05 2.1 - 1.07 Mg/m^3 2.3 USD/kg Mechanical Properties Bulk Modulus Compressive Strength Ductility Elastic Limit Endurance Limit Fracture Toughness Hardness Loss Coefficient Modulus of Rupture Poisson's Ratio Shear Modulus Tensile Strength Young's Modulus 4.1 55 0.06 40 24 2.3 100 0.00950 0.38 0.85 45 2.5 - Glass Temperature Max Service Temp Min Service Temp Specific Heat Thermal Conductivity Thermal Expansion 350 350 150 1500 0.17 70 - 360 370 200 1510 0.24 75 K K K J/kg.K W/m.K 10-6/K - 15 MV/m 3.3 22 1.6x10 μ ohm.cm 0.009 Electrical Properties 4.6 GPa 60 MPa 0.07 45 MPa 27 MPa 2.6 MPa.m1/2 140 MPa 0.026 55 MPa 0.42 0.95 GPa 48 MPa 2.8 GPa Breakdown Potential Dielectric Constant Resistivity Power Factor 14 2.8 6.3x1021 0.008 Corrosion and Wear Resistance Flammability Fresh Water Organic Solvents Oxidation at 500C Sea Water Strong Acid Strong Alkalis UV Wear Weak Acid Weak Alkalis Average Good Average Very Poor Good Good Good Good Poor Good Good Curva tensione-deformazione: Metalli Il modulo di Young E è la pendenza del tratto lineare della curva La tensione di snervamento σy corrisponde a una deformazione permanente del 0.2% La tensione σu è la tensione massima raggiungibile prima della rottura Curva tensione-deformazione: Polimeri 0 σy viene definita dal punto in cui la curva diviene marcatamente non lineare Il modulo di elasticità può essere definito orientativamente dalla pendenza iniziale della curva L’estensione dello scorrimento plastico dipende dalla temperatura di prova in relazione alla Tg (temperatura di transizione vetrosa -- quando un polimero viene raffreddato al di sotto di questa temperatura, diventa rigido e fragile come il vetro) Curva tensione-deformazione: Ceramici A causa del comportamento fragile, i ceramici si rompono per rapida propagazione di microfratture La rottura a trazione avviene per tensioni molto basse. A compressione la propagazione della frattura viene contenuta, e la resistenza a rottura è circa 15 volte maggiore che a trazione Curva tensione-deformazione: Confronto Steel Ceramic Rubber Polymer Resistenza a trazione: Confronto 1000 Tensile Strength (MPa) 100 10 1 0.1 Materials:\Ceramic Materials:\Composite Materials:\Foam Materials:\Metal Materials:\Natural Materials:\Polymer Classes of materials Modulo di Young: Confronto 1000 100 Young's Modulus (GPa) 10 1 0.1 0.01 1e-003 1e-004 1e-005 Materials:\Ceramic Materials:\Composite Materials:\Foam Materials:\Metal Classes of materials Materials:\Natural Materials:\Polymer Tenacità alla frattura: Confronto 100 Fracture Toughness (MPa.m^1/2) 10 1 0.1 0.01 1e-003 Materials:\Ceramic Materials:\Composite Materials:\Foam Materials:\Metal Materials:\Natural Materials:\Polymer Classes of materials Espansione termica: Confronto 1000 900 800 Thermal Expansion (10^-6/K) 700 600 500 400 300 200 100 0 Materials:\Ceramic Materials:\Composite Materials:\Foam Materials:\Metal Classes of materials Materials:\Natural Materials:\Polymer Conduttività elettrica: Confronto 0.6 0.55 0.5 Electrical conductivity 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 Materials:\Ceramic Materials:\Composite Materials:\Foam Materials:\Metal Materials:\Natural Materials:\Polymer Classes of materials Proprietà e utilizzo dei metalli: Acciai Carbon steels Low-carbon steel (0.02% - 0.3%C) -- bulloneria, barre e spranghe, tondini Medium-carbon steel (0.3% - 0.6 %C)-- utensili induriti, martelli, cacciaviti, chiavi meccaniche High-carbon steel (0.6 % - 1.5%C) -- bordi di utensili da taglio, perforatrici, stampi, chiavette, alesatori Alloy steels Addition of alloying elements (Cr, Mn, Mo, Ni, T, V) -migliora le proprietà meccaniche Proprietà e utilizzo dei metalli: Ghise Alloy of iron and carbon (1.7%-4.5%C) Gray cast iron -- macchine utensili, componenti automotive, ampio campo di utilizzo White cast iron -- utilizzata per la produzione di malleable iron casting Chilled cast iron -- prodotti con superfici resistenti all’usura Alloy cast iron -- motori autimobilistici, freni e altri dispositivi, macchine utensili Malleable iron castings -- applicazioni industriali che richiedono alta lavorabilità, buona resistenza meccanica, duttilità, resistenza all’urto Proprietà e utilizzo dei metalli: Alluminio Proprietà: High strength-to-weight ratio Resistance to corrosion High thermal and electrical conductivity Nontoxicity, ease of recycling Reflectivity, ease of machinability Utilizzi: Laminati Costruzioni (edifici etc.) Mezzi di trasporto (autoveicoli, aerei, etc.) Conduttori elettrici Elettrodomestici Proprietà e utilizzo dei metalli: Leghe non ferrose Copper-based alloys (brasses and bronzes) -- good strength, hardness, conductivity Aluminum-based alloys -- increased tensile strength, ductility Nickel-based alloys -- high strength and corrosion resistance Zinc-based alloys -- good corrosion resistance, strength, ductility
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