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Capitolo 2 MATERIALI

1 (c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 1

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(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 2

Principali “famiglie” di materiali solidi

• Leghe metalliche per usi strutturali

• Altre leghe metalliche o metalli puri

• Plastiche di largo consumo (es.: PET)

• Tecnoplastiche (es.: Nylon)

• Materiali compositi

• Gomme ed elastomeri

• Materiali espansi (structural foams)

• Engineering ceramics (es.: SiC)

• Altre ceramiche (es.: porcellana, isolatori elettrici)

• Vetri

• Legni migliorati

3 3


Acciai non legati, a bassa % Carbonio,

Ghise

Leghe di Al o Mg,

Bronzi, Ottoni

Acciai e ghise bassolegati

“Super leghe” a base

di Ni, Co, W, Re

Quantità prodotte

Economicità Prestazioni

Leghe di Ti

Acciai con alta % lega

MATERIALI METALLICI

4 4


Polipropilene (PP), Acrilonitrile stirene (SAN),

Resine fenoliche, ureiche e melamminiche

Polietilene (PE), Resine stireniche (PS), PVC

Policarbonato (PC)

Poliacetato (POM),Poliammide (PA)

ABS, Polimetilmetacrilato(PMMA), PET

Quantità prodotte

Economicità Prestazioni

PES, PPS

Polisulfone (PSU)

Poliammide-immide (PAI)

PEEK, PEI, PI,

PTFE, PVDT MATERIALI POLIMERICI

5 5


Principali “famiglie” di materiali ferrosi

• Ghise (grigia, malleabile, sferoidale, al Ni, ADI (Austempered

Ductile Iron))

• Acciai:

• saldabili al C, HSLA (debolmente legati ad alta resistenza): per

carpenteria metallica, ecc.

• da imbutitura, microlegati (microstruttura a grano fine): per

carrozzerie, ecc.

• da bonifica (al C o con bassa % lega): per applicazioni

meccaniche in generale, per molle, ecc.

• da cementazione, da nitrurazione, ad alta durezza

• ad alta % lega, resistenti al calore e/o alla corrosione

• “rapidi”, “super rapidi”: da utensili

• Acciai per getti (ordinari, al Mn, ecc.)

6 6


• Leghe leggere di Alluminio

• per getti (es.: AlSiMg, Silumin)

• da lavorazione plastica (es.: AlCuMg o “2024”,

Duralluminio, AlZnMgCu o “7075”, Ergal)

• Leghe superleggere di Magnesio

• Leghe di Titanio (es.: Ti6Al4V)

• Leghe di Rame

• Ottoni (CuZn)

• Bronzi (CuSn, CuPb, CuAl, CuNi)

• Leghe di Nichel (es.: NiCu, Monel)

• “Superleghe” di Ni,Co,W,Re (es.: Inconel, René)

Principali “famiglie” di materiali non ferrosi

7 7


Proprietà dei materiali metallici

• elasticità lineare se e < e limite elastico

• duttilità (di regola eR >> elimite elastico )

• rigidezza, conducibilità,

• ampio campo di temperature di esercizio,

• resistenza

• fortemente dipendente da difettosità, impurezze

• migliorabile con trattamenti termici o meccanici

• durezza, migliorabile con trattamenti superf., ricoprimenti

• densità relativamente elevata

• resistenza a varie forme di corrosione e di usura.

• caratteristiche di scorrimento viscoso a caldo o fragilità a

freddo.

8

Proprietà dei materiali non metallici

Polimerici

Resistenza alla corrosione

Leggerezza

Producibilità in serie

Resistenza adeguata a vari usi

Rigidezza scarsa

Limitata temperatura di impiego

Ceramici

Resistenza a corrosione ed usura

Rigidezza, leggerezza

Alta temperatura d’uso

Fragilità

Bassa resistenza in trazione

Sensibilità agli intagli


9 9


Principali “famiglie” di materiali non metallici

• Tecnoplastiche (PA (Nylon), POM, PC, ecc.)

• resistenza 1/10 di quella degli acciai;

• rigidezza 1/100 “ “ “ “ in campo elastico;

• densità 1/5 “ “ “ “

• buona resistenza a corrosione ed usura

• bassa temperatura di utilizzo (creep, rammollimento)

• Gomme ed elastomeri:

• elasticità con grandi deformazioni, smorzamento.

• Compositi a matrice plastica, metallica o ceramica,

• leggerezza, resistenza, rigidezza.

• Ceramiche strutturali:

• durezza, rigidezza ad alta temperatura, fragilità

• Vetri, cementi, materiali espansi, structural foams, ecc.

10 10


Proprietà meccaniche

• Densità r

• Rigidezza / cedevolezza elastica E

• Resistenza (alla deformazione permanente / alla rottura):

• con carichi statici SY , SU (in funzione di T)

• “a fatica” S’n, curve DS-NR o De-NR ( “ “ )

• Tenacità (energia/volume)

• Resilienza KU (energia assorbita prova Charpy)

• Proprietà definite dalla “Meccanica della frattura” (cap.4)

• Tenacità a frattura KIC

• Avanzamento fessure per fatica C, m

• Tenacità con tensocorrosione KISCC

• Resistenza a scorrimento viscoso S(T)creep

• Smorzamento interno DU/U

11 11


Altre proprietà (termo-meccaniche ecc.)

• Calore specifico c [J/kg]

• Conducibilità termica k [J/(°K m s)]

• Coefficiente di dilatazione termica a

• Temperatura limite di creep: Tcreep 0,3Tfusione

• Permeabilità a gas e liquidi (carcasse, tenute )

• Rigonfiamento (swelling) (es.: assorbimento H20)

• ...

12 12


Proprietà tribologiche

• Durezza superficiale HB (Bhn), HR, HV,

Shore, Knoop

• Coefficiente di usura cu (Cap. 5)

• Limiti di grippaggio pamm , Tamm

• Coefficienti d’attrito fstatico, fcinetico

N.B. dipendono fortemente dall’accoppiamento tra

materiali, dalle condizioni ambientali, dalla

lubrificazione e dalle rugosità superficiali

13 13


Aspetti essenziali per tutti i materiali

• Sicurezza (tossicità, infiammabilità +...)

• Proprietà fisiche (densità, conducibilità, coeff. di

dilatazione +....)

• Rigidezza /cedevolezza

• Resistenza a rottura (a fatica, statica)

• Qualità tribologiche (attrito, capacità di “rodaggio”,

resistenza ad usura o fatica superficiale)

• Compatibilità con solidi e fluidi a contatto

• Compatibilità con l’ambiente (temperatura,

corrosione, inquinamento)

• Reperibilità, producibilità

• Riciclabilità

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(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 14 (c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 14

Acciai da carpenteria metallica, ghisa grigia

Acciai da bonifica o cementazione, ghise migliorate

Acciai resistenti a corrosione e temperatura

Leghe leggere di Al o Mg

Ceramiche strutturali

Leghe di Titanio, superleghe di Ni, Co

Materie plastiche comuni

Materie plastiche ad alta resistenza

Materiali compositi

Costo relativo al kg dei materiali

15 15


LE PROVE MECCANICHE

SUI MATERIALI

• di trazione

• di durezza

• di resilienza

• di Meccanica della frattura (vedi Cap.4)

• di creep (Cap.4)

• di fatica (Cap.5)

16 16


Resistenza meccanica con carichi “statici”

Carichi applicati “con gradualità” =

= successione di stati di equilibrio.

Nessun effetto dinamico.

17 17


Cella di

carico

Cella di

carico

Attua -

tore

del

carico

Schema di una

macchine per prove

di resistenza su

campioni

Comando

idraulico od

elettrico

18 18


d0, A0

Campione per prove

di resistenza

in trazione

L = 5÷10 d0

attacchi (varia forma)

tratto utile

19 19


A0

Rottura

duttile F

F

Aridotta

F

F

Rottura

fragile

AR A0 AR<<A0

20 20


21 21


sn=F/A0

e=DL/L ep = 0,2%

Lavoro unitario

di rottura

(“tenacità“)

Energia elastica

restituita

Su= sR

Sy= s0,2

DLr /L

a tg a = E

Resistenza in trazione di materiali metallici duttili F

F F

A

DL

(DL/L)max

22 22


)1(

ln

0 cost.

)1ln(lnln

0

0

00

000

A

A

A

A

A

dA-

d

dAAdAA

d

NNNV

v

Nv

esss

e

ee

==

==

===

=D

===

Grandi deformazioni plastiche

• Tensione e allungamento veri diversi da quelli nominali;

• deformazione a volume quasi costante n 0,5

23 23


s=F/A

e =DL/L

Energia elastica

restituita

sR s0,2

(DL/L)max

a tg a = E

Resistenza in trazione dei materiali fragili

DL

Lavoro unitario

di rottura

(“tenacità“)

F

F F

A

24 24


Fattori infragilenti

• Temperatura bassa.

• Carichi d’urto.

• Orientazione sfavorevole della microstruttura.

• Difettosità interna del materiale.

• Ambiente (es.: infragilimento da idrogeno degli acciai,

effetto dei raggi UV su materie plastiche).

• Stato di tensione triassiale di trazione (intagli).

25 25


sn=F/A0 [MPa]

e=DL/L

Resistenza in trazione di alcuni materiali metallici

Leghe di Titanio

Leghe leggere di Alluminio

Acciai ad alta resistenza, trattati

termicamente

Acciai a bassa % di C

“da carpenteria met.”

1500÷2000

500÷1200

350÷500

N.B. valori orientativi

26 26

26

Trattamenti termici Trattamento termico = ciclo termico di riscaldamento effettuato in

predeterminate condizioni e temperature a cui devono seguire raffreddamenti,

più o meno lenti, con lo scopo di fare assumere ad un metallo o ad una lega

metallica (solitamente acciaio) quelle strutture cristalline che gli conferiscono

determinate caratteristiche meccaniche e/o tecnologiche

Importante la velocità di raffreddamento o di riscaldamento della trasformazione

27 27


Trattamenti termici acciai

• Normalizzazione: riscaldamento in campo austenitico (800°C) seguito da

raffreddamento in aria calma.

• Ricottura: riscaldamento annullare gli effetti di qualsiasi trattamento precedente

per eliminare tensioni residue, incrudimento, alterazioni della microstruttura

• Tempra: riscaldamento in campo austenitico seguito da raffreddamento rapido

per ottenere martensite.

• Rinvenimento: riscaldamento seguito da raffreddamento a velocità controllata

per ridurre fragilità e ottenere bainite.

• Bonifica: tempra + rinvenimento.

• Distensione: riscaldamento a 150-180 °C che provoca una riduzione delle

tensioni residue.

• Cementazione : indurimento superficiale tramite riscaldamento a 950°C e

arricchimento superficiale in C, seguito da tempra.

• Nitrurazione: indurimento superficiale degli acciai tramite riscaldamento a 500

°C e introduzione di azoto atomico.

28 28


s=F/A

e=DL/L

Effetti dello stato di trattamento del materiale

normalizzato

bonificato

ricotto

Acciaio C40

29 29


s=F/A

e=DL/L

a tg a = Eapp.

Resistenza in trazione delle materie plastiche

~ fragile: T<<Ttrans

oppure

termoindurenti

T>>Ttrans.: viscoso

temperatura

30 30


F

D

Resistenza in flessione dei materiali ceramici

D

F

Dis

pers

ione !

3

2

1 1

2

3

31 31


sn

Resistenza “statica”

in trazione e in compressione

F

e

metalli duttili

ceramici

32 32


Durezza superficiale

Dh Area calotta

sferica

Brinell Rockwell C

10 mm

33

Carichi d’urto e resilienza

Misura dell’energia assorbita a rottura (K=Epot/A0)

Uso di campioni standardizzati

Carichi applicati tramite l’urto di una mazza.

Classificazione dei materiali in base alla resilienza (materiali di elevata resilienza sono detti tenaci, bassa resilienza

fragili).

Dipendenza dalla temperatura.


34 34


Prova di resilienza Charpy

Resilienza con carichi d’urto

campione

supporti

vimpatto

mazza

metà provino rotto in modo fragile

35 35


Resilienza

Temperatura

[J]

KU

(KV)

duttile

fragile

dispersione

°0 C

acciai a bassa % C

Resilienza e temperatura

acciai inox

36 36


37 37


Resistenza a creep a caldo

D L

L = etot.= eelastica ecreep

tempo

max. durata

prove

??

F, s, T

F

F F

A

DL

III

II

I

giorni mesi anni

38 38


Materiali compositi

• Matrice: plastica (es.: epoxy), ceramica, metallica.

• “Rinforzo”: fibre ad alta resistenza (sviluppate in L, es.: di C)

• resistenza meccanica e rigidezza elevate

• anisotropia necessaria la formatura in più strati.

• “Carica”: particelle (D≈L, es.: sferette)

• stabilità di forma, resistenza allo scorrimento viscoso

• maggiore tenacità, relativa durezza

• riduzione dell’attrito, maggiore resistenza all’usura

• Criticità: costo, riciclo del rottame, controllo qualità

39 39


s=F/A

e=DL/L

Resistenza di una lamina di materiale composito

DL

F F F

F F F

tensione di rottura

delle fibre

tensione di rottura della matrice

tensione nella

matrice

corrispondente alla

rottura delle fibre

e rottura fibre

40 40


Caratteristiche dei materiali compositi

Le proprietà meccaniche possono essere “progettate”: es.: per una lamina con fibre monodirezionali:

Gli elementi strutturali sono costituiti da più lamine sovrapposte, con direzioni delle fibre scelte opportunamente

Si possono ottenere laminati ortotropi o “quasi isotropi”, ma si può anche sfrutturare l’anisotropia.

)1(

)1(

%,,,%,,,1

%,%,1

FFRMFUFU

FmatriceFfibra

vSvSS

vEvEE

=

=

e

41 41

Compositi laminati: esempio

Impacchettamento:

0° 45° 0°

(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 41 (c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 41

42 42


Indici di merito

La scelta dei materiali è facilitata dal confronto

tra “indici di merito”.

Dati certi obiettivi (es.: minima massa m con

vincolo di resistenza o rigidezza) il parametro

che riassume le proprietà del materiale

significative per quei dati obiettivi è l’ “indice di

merito” del materiale per quella applicazione.

43 43


F

F

L

DL=

A

F x L

s =

E x A

F

A

Volume: L x A

Massa: L x A x r

Esempio 1: l’obiettivo

è la leggerezza con il

vincolo di resistenza

in trazione

Esempio 2:

l’obiettivo è la

leggerezza con il

vincolo di rigidezza

in campo elastico

44 44


F

F

L

A =

A

F L

samm

E DLamm

F A =

m = L r =

densità e resistenza

in trazione

caratteristiche del

materiale

densità e rigidezza

caratteristiche del

materiale

samm

F

samm

r = F L

m = L r = F L

E DLamm

= F L2

DLamm E

r

minimizzare m equivale a minimizzare questi rapporti

45 45


es. trave inflessa

M assegnati damm, M, L

46 46


es. trave inflessa (cont.)

M assegnati samm, M, L

47 47


Rigidezza e densità dei materiali strutturali

0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Densità (kg/dmc)

Mo

dulo

di Y

ou

ng

(G

Pa)

Acciai

Ghise Ottoni

bronzi

Leghe Zn

Leghe Ti

Leghe Al

Compositi

Leghe Mg

Superleghe

Plastiche

Leggerezza e rigidezza

Linee di merito

costante

mappa di Ashby

48 48


Resistenza e densità dei materiali strutturali

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Densità (kg/dmc)

Ca

ric

o d

i ro

ttu

ra (

MP

a)

Acciai

Ghise

Ottoni

bronzi

Superleghe

Leghe Zn

Leghe Ti

Leghe Al

Compositi

Leghe Mg

Plastiche

Leggerezza e resistenza

Linee di merito

costante

mappa di Ashby

49 49


Durezza superficiale e densità dei materiali

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Densità (kg/dmc)

Du

rezza

Bri

nell (H

B)

Acciai

Ghise

Ottoni

bronzi Leghe Zn

Leghe Ti

Leghe Al

Compositi polim.

Leghe Mg

Plastiche

Leggerezza e durezza superficiale

mappa di Ashby

50 50


• Il materiale più economico non rappresenta sempre la

soluzione più economica!

• Il materialepiù costoso può portare ad una riduzione

di massa e di costo complessivo!

Indici di merito tecnico-economici

materiale CR

Acciai ordinari e ghise 1-1.5

Acciai bassolegati trattati termicamente

2-3

Acciai altolegati e INOX 10

Leghe TI e superleghe NiCo 100

Leghe Al Mg 3-6

Ceramiche strutturali >30

tecnopolimeri 2-10

Compositi alte prestazioni 30-60

CR= Cu mat/Cu Fe360

Fe360, acciaio al C da

carpenteria metallica

51 51


• Il materiale più economico non rappresenta sempre la

soluzione più economica!

• Il materialepiù costoso può portare ad una riduzione

di massa e di costo complessivo!

Indici di merito tecnico-economici

Costo= C0 CR rV= C0 (CRr/samm)NL (es.asta tesa vincolo

resistenza)

C0=Cu Fe360 Fe360, acciaio al C da carpenteria metallica

V=AL

costo minimomin(CRr/samm) ind. merito tecn.economico

se anche CR è elevato, se r/samm è basso, soluzione

potrebbe essere economicamente più conveniente

52 52


• Aspetti funzionali ed economici non vanno considerati

separatamente

• Ci sono altri aspetti da considerare tra cui processo

tecnologico, volume serie, impatto ambientale

• Bisogna stabilire le PRIORITA’!

Indici di merito

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