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Caratteristiche meccaniche materiali

 

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Caratteristiche meccaniche materiali

 

 

Articolo di Pietro Luigi Cavallotti

 

Maggio 2003

 

 

Introduzione ai materiali

 

Lo sviluppo dei materiali è stato ed è un fattore fondamentale del crescere civile. I tipi di civilizzazione sono state designati in base ai materiali all'epoca prevalenti, per scopi almeno inizialmente strutturali, ed al modo di lavorarli: l'età della pietra (>10,000 AC, in cui venivano impiegati i materiali naturali, ceramiche e vetri), l'età del rame e del bronzo (4,000-1,000 AC, in cui si sono sviluppate le tecniche di fonderia), l'età del ferro (1,000 AC-1,620 DC, con lo sviluppo delle tecniche di forgiatura e di lavorazione dei metalli). Nel 1620 si è sviluppato l'uso della ghisa e dal 1850 quello dell'acciaio. I grandi cambiamenti epocali sono stati determinati dall'introduzione di materiali innovativi, ed anche per la nostra epoca si è parlato dapprima in prospettiva di età dell'alluminio (Napoleone III pensava all'esercito leggero con armature di questo metallo e dal 1940 si sono affermate le leghe leggere) e poi dal 1960 più propriamente di età del silicio.

Una grande distinzione dei materiali è nelle due classi dei materiali da costruzione e dei materiali funzionali. L'impiego dei materiali dipende dalle loro proprietà e dal costo.

Per i materiali da costruzione, il criterio di scelta principale è determinato dalla loro resistenza e dal loro costo.

La resistenza del materiale è determinata dal modulo elastico, quando è la rigidezza del materiale, la sua deformazione massima, ad essere limitante e per carico di punta, dal carico di rottura (comportamento elasto-plastico) o dal carico di snervamento (comportamento elastico), quando i carichi sono principalmente di tipo statico, dalla resilienza, dalla tenacità e dalla resistenza a fatica, per carichi impulsivi e dinamici ed in condizioni di bassa temperatura. Queste proprietà devono essere valutate anche in funzione della densità e del costo. Quando le condizioni di funzionamento sono ad alta temperatura bisogna considerarne anche lo scorrimento viscoso o creep.

Per molti materiali è il loro comportamento nell'impiego a determinarne la scelta, spesso determinato da fenomeni di degrado che avvengono alle superfici, di tipo prevalentemente chimico - corrosione - o meccanico - usura.

Per i materiali in cui la funzione è predominante sono altre le proprietà da considerare:

• le proprietà termiche per i materiali che devono condurre calore od isolare;
• le proprietà elettriche per i materiali che hanno una funzione in un circuito elettrico, conduttori, semiconduttori od isolanti;
• le proprietà magnetiche per i materiali che hanno una funzione in un circuito magnetico, con alta permeabilità (magneti dolci) o alta forza coercitiva (magneti duri);
• le proprietà ottiche come colore o come funzione in un circuito ottico.

I materiali si distinguono in materiali metallici, ceramici o plastici a seconda delle caratteristiche, determinate soprattutto dal tipo di legame chimico presente.

I materiali metallici hanno alta riflettività, alta conducibilità termica e malleabilità (abilità di essere assottigliati per martellatura), combinate con bassa resistività elettrica.

Auto: Acciaio 56%, Al 6%, ghisa 11%, Plastica 10%, Vernice 6%, Vetro 5%

Boeing 747: Al 82%, Acciaio 13%, Ti 4%, Fibra di vetro 1%

Le ceramiche sono di vario tipo: ossidi metallici, come SiO2 quarzo per tubazioni e Al2O3 per montaggio componenti elettronici; vetri per contenitori ed ottica; mattoni refrattari, vasi e stoviglie; carburi, nitruri e boruri impiegati per la durezza elevata, anche ad alta temperatura. Sono generalmente isolanti. Possono essere cristallini o amorfi. Hanno legame e T fusione elevati; alta resistenza a compressione e fragilità. Le caratteristiche dielettriche ed isolanti sono impiegate per i condensatori data l'elevata capacità, nei circuiti alta frequenza, per sensori di ossigeno ed acqua, nei convertitori di segnali termici, di sforzi ed ottici in elettrici, superconduttori e magneti.

I polimeri hanno densità bassa (1,5 contro 7,5), sono impiegati in vestiti, tessuti, contenitori di cibo e bevande, nell'imballaggio, in mobili ed articoli sportivi. Auto da 10 a 20%.

Catene lunghe di idrocarburi alla base: lineari (termoplastici: PE, PVC, nylon) o con legami 3D (termoindurenti: epossidiche, fenoliche, siliconi). Meno rigidi e resistenti dei metalli di un ordine di grandezza, deformazioni a tempo elevato sotto sforzo.

Modifiche di catena e copolimeri, compositi con fibre di vetro o di carbonio.

I semiconduttori sono impiegati per elettronica, IC chip, SiO2, metalli conduttori, polimeri  per imballaggio e resist. GaAs e InP per laser o LED, diodi fotodetettori e transistor.

Dalla combinazione dei diversi tipi di materiali si possono ottenere i compositi, con proprietà specifiche migliorate per effetto sinergico. E' il caso dei polimeri rinforzati con fibra di vetro o di carbonio o di boro, che danno luogo a materiali leggeri con alta resistenza meccanica ed elevato modulo elastico, o del cemento armato che resiste bene a compressione per il cemento ed anche a trazione per l'armatura di ferro, collegata al cemento per legami alla sua superficie.

Nel seguito vengono riportate alcune tabelle di aiuto per risolvere i problemi di scelta fra i diversi materiali e che riguardano le densità ed i prezzi dei diversi materiali, come anche tabelle di in quadramento generale sulle proprietà degli elementi, e precisamente la loro densità, la struttura ed i parametri cristallografici, la temperatura di fusione.

 

Tabella 1.   Densità dei diversi materiali (g/cm3, Mg/m3)

 

Materiale	Densità (g/cm3)	Materiale	Densità (g/cm3)
Osmio Platino Tungsteno e leghe Oro Uranio Carburo di tungsteno WC Tantalio e leghe Molibdeno e leghe Widia WC/Co Piombo e leghe Argento Niobio e leghe Nichel e leghe Cobalto e leghe Rame e leghe Ottone e bronzo Ferro Suoperleghe a base ferro Acciaio inox austenitico Stagno e leghe Acciaio basso legato Ferro dolce Acciaio inox ferritico Ghisa Carburo di titanio TiC Zinco e leghe Cromo Carburo di zirconio ZrC Zirconio e leghe Titanio e leghe Allumina Al2O3 Alogenuri alcalini Magnesia MgO Carburo di silicio SiC	22,7 21,4 13,4-19,6 19,3 18,9 14-17 16,6-16,9 10-13,7 11-12,5 10,7-11,3 10,5 7,9-10,5 7,8-9,2 8,1-9,1 7,5-9,0 7,2-8,9 7,9 7,9-8,3 7,5-8,1 7,3-8,0 7,8 7,8 7,5-7,7 6,9-7,8 7,2 5,2-7,2 7,2 6,6 6,6 4,3-5,1 3,9 3,1-3,6 3,5 2,5-3,2	Nitruro di silicio Si3N4 Mullite Berillia BeO Rocce comuni Marmo, calcare CaCO3 Allluminio e leghe Silice, quarzo SiO2 Vetro al sodio Cemento PRFV* PTFE Fibra di carbonio Epossidica + fibra di boro Berillio e leghe Grafite compatta Poliestere+fibra di vetro PVC PRFC** Poliestere Poliimmide Epossidiche Poliuretano Policarbonato PMMA Nailon Polistirene Politene Alta Densità Ghiaccio Gomma naturale Politene Bassa Densità Polipropilene Legno comune Polimero espanso Poliuretano espanso	3,2 3,2 3 2,2-3 2,7 2,6-2,9 2,6 2,5 2,4-2,5 1,4-2,2 2,3 2,2 2,0 1,8-2,1 1,8 1,8 1,3-1,6 1,5-1,6 1,1-1,5 1,4 1,1-1,4 1,1-1,3 1,2-1,3 1,2 1,1-1,2 1,0-1,1 0,94-0,97 0,92 0,83-0,91 0,91 0,88-0,91 0,4-0,8 0,01-0,6 0,06-0,2

* Polimero +fibra di vetro     ** Polimero +fibra di carbonio

Le proprietà meccaniche che possono determinare la scelta dei diversi materiali sono: il modulo elastico E, la resistenza (il carico di snervamento ed il carico a rottura), la tenacità (l'allungamento a rottura, la resilienza e KIC), la fatica ed il creep (a T/Tfus elevata). A queste si devono correlare altre caratteristiche come la densità, se il peso dell'oggetto è determinante, ed il costo.

 

Per la legge di Hooke, valida in campo elastico, la relazione tra sforzo e deformazione è data da:

 

sc = E x/ao

dove ao è la distanza interatomica; assumendo x » l/2p (una stima ragionevole per la distanza a cui il comportamento si matiene elastico), si ottiene:

sc = E l/(2p ao)

e quindi eliminando ldalle due equazioni scritte  si ottiene:

o anche:

Introducendo i valori delle grandezze si ha per l'acciaio:

= 2,9 104 MPa

ed anche                     sc / E = 2,9 104/2,1 105 » 1/7

per l'alluminio:

= 1,5 104 MPa

ed anche                     sc / E = 1,5 104/0,7 105 » 1/5

Questo valore è stato confermato per i whisker di ferro e valori simili si sono ottenuti per fibre monocristalline.

Nell'acciaio i valori delle resistenze sono molto inferiori sc / E » 1/1000 e sono indotti dalla presenza di difetti nella struttura; per i materiali metallici duttili sono dislocazioni, per i materiali metallici fragili cricche.

Tabella 3.1. Carico di snervamento, carico ed allungamento a rottura dei materiali

 

 

Essendo:

We = p a2 scrit e = p a2 scrit2/E

Ws = 2 gs 2a

si ha:                                                  

da cui:                                                           

Un parametro che indichi la fragilità del materiale deve contenere sc ac1/2. Si definisce perciò il fattore critico di intensificazione degli sforzi KIC come:

KIC = bsc ac1/2

dove b è un parametro che dipende dal tipo di campione e dalla geometria della cricca ed ac è la lunghezza critica della cricca.

In effetti gs non è la vera energia di superficie, ma una grandezza che deve tener conto della deformazione plastica in vicinanza della sommità della cricca, ed ha un valore di circa mille volte superiore a quello dell'energia di superficie.

Il fattore di intensificazione degli sforzi rende conto della capacità del materiale di non far avanzare le cricche presenti nello stesso materiale in conseguenza della sua fabbricazione o alla sua superficie; è quindi un'espressione della tenacità del materiale ed anche della sua capacità di resistere a sforzi ripetuti.

I valori di KIc per i diversi materiali sono riportati in tabella 4.1, insieme con i valori di Gc che rappresenta l'energia necessaria per far avanzare una cricca critica, e nella fig. seguente in funzione della resistenza

 

Tabella 4.1 Valori di Gc e Kc per i diversi materiali

Cap. 5. Prova di trazione sui materiali metallici

 

Le proprietà meccaniche determinano il comportamento di un materiale sottoposto a forze e carichi. Sono correlate non solo al tipo di materiale, ma anche alla sua struttura cristallina e difettiva; dipendono perciò dal modo di fabbricazione e dagli eventuali trattamenti termici e meccanici successivi.

Il comportamento dei materiali sotto sforzo può essere classificato, in base la loro meccanismo di deformazione, come:

• elastoplastico, così si comportano i metalli e le leghe a temperatura ambiente;
• elastico, così si comportano i solidi ceramici, con legame ionico o covalente;
• viscoelastico, così si comportano i materiali polimerici, materie plastiche e gomme, ma anche i vetri ed il cemento.

Esamineremo in questo capitolo il comportamento elastoplastico dei metalli sottoposti alla prova di trazione. Ogni forza o carico applicato ad un materiale, sia direttamente sia in conseguenza di un modo di fabbricazione o come risultante di una variazione di temperatura, dà luogo a sforzi s e deformazioni e. Nel caso di sollecitazione uniassiale, lo sforzo s = F/A rappresenta la forza applicata F per area unitaria A agente sul materiale; la deformazione attuale de = dl/l è il rapporto tra la deformazione infinitesima del corpo e la sua lunghezza.

La curva sforzo deformazione di una barretta cilindrica di un metallo, sottoposto a trazione a velocità di deformazione costante, è rilevata con una macchina di trazione. Lo sforzo nominale è dato da  s = F/Ao, riferendolo all'area iniziale, mentre la deformazione nominale è anch'essa riferita ale condizioni iniziali ed è data da e = (l-lo)/lo.

Nei metalli si osserva un primo tratto rettilineo, con comportamento elastico s = E e e costante di proporzionalità chiamata E modulo elastico  (a recupero totale di deformazione tolto il carico), cui segue una deformazione che aumenta più velocemente all'aumentare del carico ed il comportamento del materiale si definisce plastico (a recupero parziale di deformazione tolto il carico).

Il carico limite a cui si ha il passaggio dal comportamento elastico a quello plastico si chiama carico unitario o sforzo di snervamento ssn e convenzionalmente viene definito come il carico che dà luogo ad una deformazione residua dello 0,2%.

In campo plastico il carico cresce fino ad un valore massimo, con sforzo smax,  a cui segue una diminuzione del carico e dello sforzo nominale, in conseguenza di una riduzione locale di area resistente, definita dalla strizione percentuale S = (Ao-Af)/Ao*100. Il carico unitario finale si definisce come sforzo di rottura sR, in corrispondenza si misura l'allungamento percentuale a rottura o deformazione a rottura eR = (lf-lo)/lo con lf misurata accostando i pezzi del provino rotto.

Si possono anche definire i valori veri di sforzo e deformazione, con riferimento a sezione e lunghezza attuale del provino, come:

sv = F/A        

Dopo la strizione si deve correggere il valore della deformazione vera che diventa:

 

Esercizio 5.1 Una barretta in lega di alluminio di diametro, sottoposta a trazione a dl/dt=cost, in corrispondenza al carico P dà luogo ad una variazione di lunghezza nel tratto centrale, di lunghezza iniziale lo = 50mm e di diametro iniziale do = 12,5mm, come di seguito riportato:

P (kN)            0          4,1       12,8     22,3     31,2     33,4     35,2     35,7     35,7     33,8

Dl (mm)          0          0,021   0,074   0,13     0,18     0,75     2,0       3,0       4,0       5,13

Tracciare la curva sforzo/deformazione e determinarne i parametri caratteristici: E, ssn, smax, sR con le deformazioni corrispondenti.

Calcolare il valore dello sforzo e della deformazione veri nella condizione di massimo carico, dove il diametro minimo diventa 12,14mm, ed a rottura, con diametro minimo 9,87mm.

Dopo rottura la lunghezza misurata è 54,88mm e la sezione ha diametro minimo 9,87mm. Calcolare la duttilità della lega.

 

Risoluzione

 

Gli sforzi nominali sono dati da        s = P/Ao        con   Ao = p 12,52/4 = 122,72mm2,                     le deformazioni nominali percentuali da                      e = (Dl/lo) 100,            per cui:

s(MPa)           0          33,4     104,3   181,7   254,2   272,2   286,8   290,9   290,9   275,4

e (%)               0          0,042   0,148   0,26     0,36     1,50     4,0       6,0       8,0       10,26

da cui si ottiene il diagramma sforzi deformazioni.

Dall'andamento in campo elastico si ottiene:

E =104,3/1,48=70,5GPa        181,7/2,6=69,9GPa    254,2/3,6=70,6GPa    da cui E @ 70GPa

 

ssn @ 255MPa (dalla parallela alla retta  s/e  in campo elastico partendo da  e = 0,2%)

 

Dall'andamento in campo plastico si ottiene:

smax @ 290,9 MPa                              emax @ 6%

sR @ 275,4MPa                                  eR = 10,26%

 

I valori veri corrispondenti sono:

 

sv,max @ 290,9 (12,5/12,13)2=309MPA                      ev,max @ 100 ln(53/50) = 5,8%

sR @ 275,4 (12,5/9,87)2=442MPa                              ev,R = 200 ln(12,5/9,87)=47,24%

 

La duttilità è data dall'allungamento dopo rottura (minore di quello misurato nella prova per il ritorno elastico della deformazione):

AllR = 100 4,88/50 = 9,76%

e dalla strizione:

S = (Ao-Af)/Ao*100 = 100 (1-(9,87/12,5)2) = 37,65%

 

 

 

Fine articolo sulle caratteristiche meccaniche materiali

 

• LE SOLLECITAZIONI  (Sforzi )

   

  COSA SONO LE SOLLECITAZIONI? 
  Sono delle forze esterne che cercano di deformare il materiale cui sono applicate.

  Bisogna saper riconoscere la causa della forza ( cioè chi agisce ) e chi,  invece,  subisce l’azione deformante.

   

   

  I PRINCIPALI  SFORZI

   

   

                                       

                                      

   

  È una forza che cerca di allungare il materiale
  La catena del lampadario è sottoposta a trazione

   

   

   

  
  

  È una forza che cerca di accorciare il materiale
  Le mattonelle del pavimento sono sottoposte a compressione

   

   

  
  

  È una forza che cerca di curvare il materiale
  Il trampolino è  sottoposto a flessione

   

   

   

  
  

  È una forza che cerca di torcere il materiale
  La chiave nella serratura è  sottoposto a torsione

   

   

   

  
  

  E’ una forza che consiste in un colpo violento e di breve durata
  Un’auto che sbatte contro un albero, una martellata…

  
  

  COSA FANNO GLI SFORZI?        Gli sforzi cercano di deformare il         
  materiale

   

  COSA FA IL MATERIALE?          Il materiale oppone una certa resistenza

   

   

   

   

   

  
  

  SFORZO   <   RESISTENZAIl materiale non si deforma

   

  SFORZO  >  RESISTENZA                                                           Il materiale si deforma

  

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

  PROPRIETA’
  MECCANICHE

   

  PROPRIETA’
  FISICHE

   

  PROPRIETA’
  TECNOLOGICHE

    

   

   

  
  

  LE  PROPRIETA’  MECCANICHE

  Le proprietà meccaniche ci dicono in che modo un materiale resiste ai vari sforzi
  ( se resiste poco o molto alla trazione, all’urto, alla flessione etc… ).
  Dire “  questo materiale è resistente  “ non ha significato, bisogna specificare a quale sforzo è resistente.

   

               Ad es.  —   il vetro è resistente alla  scalfitura  ma non all’urto;
  —   il cemento è resistente alla compressione ma non alla trazione

   

  COME SI CHIAMANO?

   

   

  RESISTENZA ALLA TRAZIONE

   

  RESISTENZA ALLA COMPRESSIONE

    

   

   

   

   

   

   

  RESISTENZA ALLA FLESSIONE

   

  RESISTENZA ALLA TORSIONE

    

   

   

   

   

  
  

  

  E’ la capacità di resistere agli URTI

  Il ferro, il muro, la plastica sono  materiali tenaci ( resistono bene agli urti).

   

  Il contrario della tenacità si chiama FRAGILITA’. 
  Ad esempio il vetro, il ghiaccio, la ghisa sono materiali fragili, perché non resistono agli urti.

   

   
  E’ la capacità di resistere alla penetrazione, cioè a non lasciarsi scalfire.

      Acciaio ghisa  e vetro  sono materiali duri perché non si lasciano scalfire    
  facilmente.

                               

  Il gesso e l’abete, il rame, il piombo sono materiali TENERI (cioè non duri)
  perché si lasciano scalfire facilmente.

   

  

       E’ la capacità di riprendere la forma originale dopo avere subito una
  deformazione.

                                    La gomma e l’acciaio sono materiali elastici

   

  Il contrario di elasticità si chiama PLASTICITA’.
  Ad es. il fil di ferro, la plastilina, l’argilla sono materiali plastici, perché non tornano alla forma originale.

  
  

  LE  PROPRIETA’  TECNOLOGICHE

   

  Le proprietà tecnologiche  di un materiale ci dicono se quel materiale è adatto a subire una certa lavorazione (se si lascia ridurre in fili,  se si lascia saldare …etc.)

  Le proprietà tecnologiche sono tante, perché tante sono le lavorazioni che può subire un materiale. Vediamone alcune:

   

   

   

  MALLEABILITA’

                                             E’ l’attitudine del materiale a lasciarsi lavorare in lamine sottili

                                                     Oro, argento, stagno, alluminio, rame sono materiali malleabili.

   

   

   

  DUTTILITA’

                                       

                                           È l’attitudine del materiale a lasciarsi lavorare in fili sottili

                                                     Oro, argento, stagno, alluminio, rame sono materiali duttili.

   

   

  FUSIBILITA’

    
  
  

                                            E’ la capacità di potere costruire oggetti  fondendo il materiale

                                    e colandolo in uno stampo (statue, campane, motori…).

                                              Per fare questo il materiale deve fondere diventando molto fluido.

   

  • Ghisa, alluminio, bronzo sono materiali fusibili (fondono e diventano molto fluidi)
  • Il vetro e il ferro non sono fusibili, perché fondono ma rimangono molto densi.

   

                                         

   

  SALDABILITA’

                                                E’ la capacità di potere unire due pezzi di metalli con il calore

   

  • il legno non è saldabile perché brucia
  • il ferro è molto saldabile
  • la ghisa e l’alluminio sono poco saldabili

   

   

   

  TEMPRABILITA’

                                          Certi materiali se vengono riscaldati e poi raffreddati  
  velocemente diventano più duri

   

  • L’acciaio è temprabile
  • Il rame non è temprabile ( se riscaldato diventa più tenero )

                    

   

  Fusibilità

   

  Saldabilità

   

  Temprabilità

   

  Malleabilità

   

  Duttilità

     
  PROPRIETA’   FISICHE

   

   

  Sono le proprietà che la natura ha fornito a quel materiale. Vediamo le principali:

   

   

  PESO SPECIFICO

    
  
  

                                                             E’ il peso di 1 dm3 di materiale. Si misura in Kg/dm3

   

   

   

  
  

  1 dm3 di Fe                         pesa 7,8 Kg                                         il peso specifico del ferro
  é  7,8 Kg/dm3         

   

   

   

   

  CONDUCIBILITA’
  ELETTRICA

    
  
  

                                                                           E’ la capacità di trasmettere l’elettricità.

                                                                          Argento, rame, alluminio sono i migliori conduttori 

   

   

   

   

  CONDUCIBILITA’
  ELETTRICA

    
  
  

                                                                         E’ la capacità di trasmettere il calore.

                                                                    Argento, oro, rame, alluminio sono i migliori conduttori.

   

                                                       

  • I metalli sono conduttori di elettricità e di calore
  • Il legno, il vetro e la plastica non sono conduttori ma isolanti

   

  
  

                                                      

   

   

   

  
  

   

  TEMPERATURA
  DI FUSIONE

                                                            E’ la temperatura alla quale il materiale diventa liquido

                                                                Tutti i materiali riscaldati diventano liquidi, tranne i combustibili

   

   

   

   

   

   

   

   

  
  

                   ATTENZIONE: un pezzo di legno brucia ma non diventa liquido!

   

   

   

  DILATAZIONE
  TERMICA

                                                                 Alcuni materiali, soprattutto i metalli, se riscaldati
  si dilatano, cioè aumentano di volume.

   

   

  • Il metallo che si dilata di meno è il platino.
  • Il piombo e lo zinco quelli che si dilatano di più.

   

   

   

   

   

   

  COLORE ED
  ODORE

    
  
  

                                                                       Ogni materiale ha un colore ed un odore tipici

   

   

  • Il rame è rosso, l’argento bianco, l’oro è giallo….
  • Il legno di pino ha un odore pungente….

   

   

   

                                                                         

            

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

   

  
  

  ELEMENTI:   sono sostanze le cui molecole sono fatte da un solo tipo di atomi.

                          Es:  il ferro, l’ossigeno, l’idrogeno …In natura ne esistono un centinaio

   

   

  COMPOSTI:  sono sostanze le cui molecole sono fatte di atomi diversi.

                          Es. l’acqua  H2O  e fatta da atomi di ossigeno e atomi di idrogeno

 

Caratteristiche meccaniche materiali

 

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