29/04/2016

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SISTEMI DI PRODUZIONE

Dario Antonelli – Lezione A3

Introduzione alla lezione

Conoscere gli elementi caratteristici di metalli e

polimeri

Distinguere i campi di impiego dei diversi materiali

in funzione delle loro caratteristiche chimico-fisiche

Conoscere l’effetto dei principali trattamenti termici

e superficiali

Saper valutare l’effetto della temperatura sulla

formazione dei legami polimerici

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Moduli del corso

A: I materiali

B: Formatura

C: Deformazione

D: Taglio e Controllo Numerico

E: Altri Processi

Introduzione al corso

Tecnologia di produzione

I materiali

La misura della durezza

Le prove meccaniche distruttive

Prove non distruttive

La meccanica dei materiali

Lezioni del Modulo A

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I metalli

Legame metallico

I materiali hanno una struttura atomica:

le caratteristiche fisiche e chimiche di un atomo dipendono dal numero e dalla disposizione orbitale degli elettroni di valenza

un atomo da cui è stato rimosso un elettrone è denominato ione

Uno o più elettroni si allontanano dall’atomo originario e vengono condivisi tra più atomi vicini creando un numero elevato di ioni positivi immersi in una nuvola di cariche negative

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Legame metallico

Ioni positivi

Nuvola elettronica negativa

Legame metallico

Gli elettroni costituiscono cariche vaganti negative

che si insinuano nello spazio liberato dagli ioni

positivi

La coesione è stabilita dalle forze di attrazione tra

la nuvola elettronica e gli ioni

Se gli ioni si allontanano tra loro, la nuvola

elettronica tende a fissarli in equilibrio stabile,

secondo distanze ben definite

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Reticolo cristallino

La struttura che si presenta è composta da un

elevato numero di ioni metallici distribuiti nello

spazio a formare il reticolo cristallino

La più piccola porzione di volume che ripetuta

riempie completamente il reticolo, è denominata

cella unitaria o elementare

Cella elementare

• ferro-a (forma allotropica stabile <770°C)

• vanadio (V), molibdeno (Mo)

• tungsteno (W)

• cromo (Cr)

Cubica a corpo centrato (CCC)

• ferro-g (forma allotropica 910 - 1410°C)

• alluminio (Al)

• nichel (Ni), argento (Ag), piombo (Pb)

• cobalto-β (Co- β), rame (Cu)

Cubica a facce centrate (CFC)

• magnesio (Mg)

• zinco (Zn), cadmio (Cd), berillio (Be)

• cobalto- a (Co- a )

• titanio- a (Ti- a)

Struttura cristallina esagonale compatta

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Cristallo cubico a corpo centrato

Struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC): cella

elementare; modello teorico; cristallo con più celle elementari

Grano cristallino

Insieme di reticoli con medesimo orientamento

Prevalenza strutture policristalline

Dimensioni grano incidono su proprietà meccaniche

Esempio: dimensioni maggiori deformabilità

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Miscela

Un miscuglio è detto omogeneo se i suoi componenti non sono più distinguibili all'osservazione diretta e si presenta in un'unica fase

Un miscuglio omogeneo in cui una sostanza è in netta prevalenza rispetto alle altre prende il nome di soluzione

I miscugli omogenei possono essere separati solo attraverso passaggi di stato che coinvolgano i componenti in maniera differente

Un miscuglio è eterogeneo (o meccanico) se è costituito da due o più fasi

La sospensione è un esempio di miscuglio eterogeneo.

I miscugli eterogenei possono essere separati più facilmente dei miscugli omogenei, anche attraverso metodi meccanici

Soluzione solida

Sostanza costituita da una miscela solida omogenea

di atomi che occupano nel reticolo posizioni

statisticamente arbitrarie

è di sostituzione quando atomi di soluto sostituiscono

atomi di solvente nel reticolo cristallino del solvente

è interstiziale quando atomi di soluto occupano le

posizioni libere fra gli interstizi degli atomi del solvente

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Lega

Una lega è una combinazione, sia in soluzione o in miscela, di due o di più elementi, di cui almeno uno è un metallo

Una lega con due componenti è denominata una lega binaria; con tre è una lega ternaria; con quattro è una lega quaternaria

Le leghe hanno solitamente proprietà più desiderabili di quelle dei loro componenti

Per esempio l'acciaio (lega ferro-carbonio) ha una resistenza meccanica maggiore del ferro, l'ottone (lega rame-zinco) è più duro del rame

La temperatura in cui comincia la fusione è denominata solidus e quella in cui la fusione è completa è denominata liquidus.

Leghe con un singolo punto di fusione sono definite eutettiche.

I trattamenti termici

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Effetto del carbonio sulle proprietà

meccaniche

Diagramma Fe-C

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Diagramma Fe-C

GHISAACCIAIO

Diagramma Fe-C

Il diagramma Fe-C esprime le combinazioni (leghe) tra i due elementi Fe e C

Le leghe che hanno una percentuale di C fino al 2% sono acciai

Leghe oltre il 2% fino al 5% circa sono ghise

Leghe oltre il 5% di C non possono essere utilizzate come materiale da costruzione

Gli acciai sono arricchiti da altri elementi in lega che conferiscono caratteristiche particolari.

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Proprietà acciaio e ghisa

• Ottima plasticità → buona resilienza, buona malleabilità e duttilità

• Elevata resistenza a trazione, flessione e torsione

• Buona lavorabilità per asportazione di truciolo

• Buona colabilità

• Buona saldabilità

Acciaio

• Elevata durezza → ottima resistenza compressione e usura

• Ottima colabilità → molto adatta per getti

• Elevata fragilità → bassa resistenza flessione e torsione, bassa reilienza

• Ottima lavorabilità per asportazione di truciolo

• Non adatta a deformazione plastica

Ghisa

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I trattamenti termici

Si possono modificare le proprietà meccaniche dei

metalli con cicli termici

Operazioni mediante le quali un metallo o una lega

metallica viene sottoposto a riscaldamento senza

arrivare alla sua fusione e successivo raffreddamento

Alla base di molti trattamenti termici sta il diverso

comportamento di austenite e martensite

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Austenite

L'austenite è una soluzione solida primaria di tipo interstiziale di carbonio nel

ferro γ (il quale presenta un reticolo cubico a facce centrate o "CFC").

L'austenite è generalmente stabile solo ad alta temperatura (sopra i 723 °C)

Può contenere al massimo il 2,06% di carbonio alla temperatura di 1148 °C

La presenza nella soluzione solida, oltre al ferro e al carbonio, di altri metalli in

lega modifica la temperatura minima per ottenere l'austenite

Il molibdeno, il cromo e il silicio tendono a innalzarla, mentre il manganese e il

nichel tendono ad abbassarla.

Nel caso di acciai inossidabili austenitici, l'austenite è stabile a temperatura

ambiente.

Martensite

La martensite è una forma allotropica metastabile dell'acciaio, sovrassatura

di carbonio, nel reticolo del ferro α.

È una fase che non sussiste in equilibrio, ma può essere ottenuta mediante

congelamento strutturale dell'austenite per brusco raffreddamento

A temperatura ambiente sarebbe stabile la struttura perlitica, una miscela

etereogenea di ferro alfa e cementite (Fe3C)

il raffreddamento troppo rapido fa sì che la massa metallica "non riesca"

ad arrangiarsi nella struttura stabile ferritica

Le sue notevoli deformazioni reticolari, che ostacolano il movimento delle

dislocazioni, sono la causa prima dell'indurimento.

La martensite è una fase che presenta alta durezza e resistenza meccanica

ma elevata fragilità

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Principali trattamenti termici

Ricottura Tempra Rinvenimento

Bonifica Cementazione, nitrurazione

Normalizzazione

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I trattamenti termici

Tempo

° C

A3

A1

Temperatura di fine trasformazione in

austenite

Temperatura di inizio formazione

austenite

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La ricottura

Un riscaldamento a temperatura elevata seguito da

un raffreddamento lento in aria o in forno per

rendere più omogeneo e lavorabile il materiale

Diminuisce la resistenza ma aumenta la lavorabilità

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Tempo

° C

A3

A1

La ricottura

Raffreddamento lento in forno

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Tempo

° C

A3

A1

La ricottura

Raffreddamento veloce fino a temperatura

ambiente

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La tempra

Un riscaldamento a temperatura elevata

(800-900°C) è seguito da raffreddamento rapido

in acqua od olio

L'acciaio assume elevate caratteristiche di durezza

e di resistenza meccanica, ma accompagnate da

fragilità a causa della struttura martensitica

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Tempo

° C

A3

A1

La tempra

Raffreddamento veloce per ottenere

martensite

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Il rinvenimento

Riscaldamento intorno a 500-600 °C sotto la

temperatura di inizio formazione di austenite

Raffreddamento controllato per aggiungere agli

effetti della tempra una buona tenacità, riducendo

la durezza e la fragilità

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Tempo

° C

A3

A1

Il rinvenimento

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Tempo

° C

A3

A1

La bonifica

TEMPRA RINVENIMENTO

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La normalizzazione

Ad un riscaldamento a temperature di tempra è

seguito un raffreddamento in aria per attenuare la

durezza eccessiva conseguente al primo

trattamento

Rende omogenea la struttura dell’acciaio

eliminando le tensioni interne

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Tempo

° C

A3

A1

La normalizzazione

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Trattamenti superficiali

Cambiano solo le proprietà della superficie del

pezzo

I principali trattamenti sono:

per rimozione dello strato superficiale (meccanica,

mediante solventi)

per conversione della superficie (ossidazione,

anodizzazione, fosfatazione, cromatura)

termici (cementazione, nitrurazione)

per deposizione (elettrochimica, meccanica)

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Conversione della superficie

Questi trattamenti hanno lo scopo di aumentare la

resistenza alla corrosione

Ossidazione con mezzi chimici o mediante

riscaldamento ad elevata temperatura della

superficie del pezzo (acciaio)

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Conversione della superficie

Questi trattamenti hanno lo scopo di aumentare la

resistenza alla corrosione

Ossidazione con mezzi chimici o mediante

riscaldamento ad elevata temperatura della

superficie del pezzo (acciaio)

Anodizzazione dell’alluminio

ossidazione controllata della superficie dell’alluminio

per immersione in soluzione acquosa

collegamento di un generatore di tensione all’anodo

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Trattamenti termici superficiali

Comprendono:

trattamenti di tempra superficiale

trattamenti di diffusione di un elemento nello strato

superficiale

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Trattamenti termici superficiali

Comprendono:

trattamenti di tempra superficiale

trattamenti di diffusione di un elemento nello strato superficiale

I trattamenti di diffusione sono:

aggiunta di carbonio all’acciaio allo stato austenitico (carbocementazione)

aggiunta di azoto a 500 °C (nitrurazione) per formare dei nitrati con gli elementi leganti presenti nell’acciaio

Proprietà tecnologiche

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Proprietà tecnologiche dei metalli

Deformazione plastica

Tribologia

Ricristallizzazione

Anisotropia

Lavoro di deformazione

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Scorrimento plastico nei metalli

Variazione della tensione tangenziale nello

scorrimento di un piano atomico sull’altro

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Modello ideale scorrimento plastico

La deformazione avviene sotto l’azione di

forze di taglio lungo i piani di scorrimento

Difetti puntuali in un reticolo cristallino46

Autointerstiziale, vacanza, interstiziale, sostituzione

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Difetti lineari: dislocazioni47

Modello reale scorrimento plastico48

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Modello di attrito

Superficie nominale (Sn) e superficie reale (Sr) di contatto

Meccanismi di attrito nei processi di

produzione

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Tribologia

Definizione di tensione tangenziale di attrito:

Modello di Coulomb (coefficiente di attrito):

Modello dell’adesione (fattore d’attrito):

n

attritoa

S

F

pa

3

Yma

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Tribologia

p

a

3

Ym

3

mY

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Ricristallizazione

Formazione di una nuova struttura cristallina senza

tensioni residue

Avviene solo a temperature elevate

Il tempo di ricristallizazione diminuisce al crescere

della temperatura

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Ricristallizazione

Ricristallizazione statica e dinamica

Più il materiale è stato deformato più piccolo

diventa il grano con la ricristallizazione

L’anisotropia rimane dopo la ricristallizazione

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Recrystallization and Grain Growth

Schematic illustration of the

effects of recovery,

recrystallization, and grain

growth on mechanical

properties and on the shape

and size of grains.

Note the formation of small

new grains during

recrystallization

Deformazione plastica dei grani

I grani si allineano lungo la direzione normale alla deformazione.

Orientamento preferenziale dei grani

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Anisotropia

La deformazione plastica allunga il grano in una sola direzione

La resistenza meccanica ora dipende dalla direzione

Il materiale è detto anisotropo

Anche le proprietà fisiche vengono cambiate (permeabilità magnetica, resistenza elettrica)

Due tipi di anisotropia: cristallografica e orientazione delle fibre

58

Il lavoro di deformazione

Il lavoro generato durante il processo di

deformazione può essere scomposto in:

lavoro di deformazione uniforme

lavoro ridondante

lavoro di attrito

cSpLVYL

LLLL

attrunif

attrridunif

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Generazione di energia termica

Il lavoro di deformazione plastica è irreversibile

Il lavoro di deformazione plastica viene

trasformato in:

calore per il 90%

energia di legame per il 10%

In condizioni adiabatiche il calore generato

provoca un aumento di temperatura del corpo,

altrimenti viene scambiato con utensili e macchina

utensile

I polimeri

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Polimeri

Il primo polimero sintetico fu la fenol-formaldeide,

un termoindurente sviluppato nel 1906 e chiamato

Bakelite.

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Proprietà dei polimeri

I polimeri sono caratterizzati da:

• bassi valori di densità;

• resistenza;

• rigidezza;

• bassa conducibilità elettrica;

• elevata resistenza agli agenti chimici;

• elevata versatilità d’impiego;

• facilità di lavorazione.

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Monomero

Il monomerocostituisce l’elemento

costruttivo di base dei polimeri

La maggior parte dei monomeri sono

materiali organici nei quali gli atomi di

carbonio sono legati con altri atomi quali idrogeno, ossigeno, azoto attraverso legami covalenti

Etilene

Un esempio di monomero è l’etilene (C2H4).

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Polimerizzazione

I processi di polimerizzazione sono molto complessi e

sebbene esistano numerose varianti, i due processi

fondamentali sono:

Polimerizzazione per condensazione

Polimerizzazione per addizione

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Polimerizzazione per condensazione

I polimeri vengono ottenuti attraverso la formazione di legami tra

due tipi di monomeri reagenti. Si ha la condensazione di acqua

come sottoprodotto della reazione.

Un esempio di polimerizzazione per condensazione è data dalla

formazione della bachelite.

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Polimerizzazione per addizione

I legami hanno luogo senza sottoprodotti di reazione. Perché

la reazione avvenga, è necessario introdurre un iniziatore per

aprire il doppio legame tra gli atomi di carbonio.

I monomeri di etilene si legano mediante una polimerizzazione

per addizione per formare il polietilene.

Catene polimeriche

Nel corso della polimerizzazione, i monomeri vengono uniti

attraverso un legame covalente formando così una catena

polimerica.

Le catene polimeriche possono avere strutture differenti.

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I polimeri

• materiali termoplastici

• materiali termoindurenti

• elastomeri

Si possono distinguere 3 categorie di polimeri:

Struttura dei polimeri

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Materiali termoplastici

Per essere portati allo stato di plastificazione e modellati, richiedono

calore. Il polimero ritorna alla sua originale durezza se viene

successivamente raffreddato; in altre parole, gli effetti del processo

sono reversibili.

Cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento dei termoplastici

possono causarne la degradazione (invecchiamento termico).

Un esempio di polimero termoplastico è il polistirene:

Materiali termoindurenti

Quando le lunghe catene di un polimero vengono reticolate nelle tre

dimensioni, la struttura diventa un’unica molecola gigante con forti

legami covalenti (polimeri termoindurenti). Reazione di reticolazione

irreversibile: un successivo riscaldamento non modifica la forma.

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Elastomeri

Gli elastomeri sono materiali in grado di

recuperare in modo sostanziale le dimensioni e la

forma originaria dopo che un carico, ad esso

applicato, è stato rimosso.

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La vulcanizzazione

Lo zolfo crea un legame di saldatura forte fra le

macromolecole della gomma naturale

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Il processo di solidificazione

Volu

me s

peci

fico

Tg Tm

T °C

Solido vetroso

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Il processo di solidificazione

Volu

me s

peci

fico

Tg Tm

T °C

Liquido visco-elastico

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Il processo di solidificazione

Volu

me s

peci

fico

Tg Tm

Liquido viscoso

T °C

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Il processo di solidificazione

Volu

me s

peci

fico

Tg Tm

T °C

Termoplasticiamorfi

Termoplasticicristallini

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• Tg < T esercizio

Un polimero termoplastico

amorfo

• T esercizio < Tg rigidezza

• T esercizio > Tg deformabilitàUn polimero

termoindurente

Requisiti di un materiale polimerico

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Caratteristiche fisico – chimiche

Bassa densità (< 1 Kg/dm3)

Resistenza a trazione su valori (RM < 70 MPa)

Resistenza all’urto (21 ÷ 750 J/m)

Capacità di isolamento elettrico (15÷70 V/m)

Bassa T massima (50÷150 °C) eccetto il teflon (290°C)

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Sommario della lezione

La struttura metallica

Il reticolo cristallino

I metalli: tipologie

I metalli: i trattamenti termici

I materiali polimerici