Materiali e componenti: proprietà meccaniche e tipi di sollecitazione

Materiali e Componenti

Materiali e Proprietà

T.P.S.E.E. 3ª A ELE A.S. 2024/2025 GIANLUIGI DE GIUSEPPE

Classificazione dei Materiali Usati nelle Costruzioni Elettriche

Materiali Metallici

I materiali metallici possono essere costituiti da un solo elemento chimico (metalli puri, come il rame) o da più elementi (metalli impuri e leghe come l'acciaio) e allo stato solido presentano struttura cristallina. Nei metalli impuri sono presenti atomi differenti da quelli del metallo, in quantità molto ridotta (dallo 0,01% all'1%). Le leghe metalliche (dette anche soluzioni solide) si formano aggiungendo intenzionalmente a un metallo uno o più elementi chimici differenti, allo scopo di migliorare determinate caratteristiche. L'elemento presente in percentuale maggiore è necessariamente un metallo e costituisce il solvente, mentre l'altro (o gli altri) può anche non essere un metallo e si chiama soluto. La particolarità del legame metallico, che consente lo spostamento di un gran numero di elettroni, conferisce ai materiali metallici buone caratteristiche di conducibilità elettrica e termica.

Materiali Plastici e Ceramici

Le materie plastiche sono sostanze organiche ottenute artificialmente, aventi struttura macromolecolare e che, in determinate condizioni di pressione e temperatura, assumono una consistenza plastica, deformandosi in modo permanente al cessare della sollecitazione a cui sono sottoposte. Le macromolecole (o polimeri) sono formate da catene di migliaia di atomi uniti tra loro da legami covalenti. I materiali ceramici sono costituiti da elementi metallici e non metallici, con legami di tipo ionico o covalente e struttura cristallina per i composti ceramici più semplici. Nel settore elettrico trovano applicazione quelli a base di silice o di silicati, per le loro caratteristiche isolanti o per alcune proprietà particolari (ceramiche ferroelettriche e piezoelettriche).

Classificazione dei Materiali in Base alla Funzione

• materiali conduttori, usati per formare i circuiti elettrici interni alle macchine (trasformatori, motori ecc.) e agli apparecchi elettrici e per la costruzione di condutture elettriche; devono consentire la conduzione della corrente elettrica opponendo una minima resistenza;
• materiali semiconduttori, usati per la costruzione di componenti elettronici (diodi, transistor, circuiti integrati ecc.);
• materiali magnetici, usati per la costruzione dei nuclei magnetici delle macchine e degli apparecchi elettrici; devono permettere la creazione del campo magnetico necessario al funzionamento del componente, con il minimo impiego di corrente magnetizzante;
• materiali isolanti, aventi la funzione di isolare parti a diversa tensione, come le spire degli avvolgimenti tra loro e verso massa, i conduttori dei cavi elettrici, i conduttori delle linee aeree rispetto ai sostegni;
• materiali strutturali, con i quali vengono costruite le parti meccaniche delle macchine e degli apparecchi elettrici.

Proprietà Meccaniche dei Materiali

Le proprietà meccaniche sono quelle proprietà che descrivono la resistenza dei materiali che compongono una determinata struttura, quando essa viene sottoposta a sollecitazioni meccaniche prodotte da forze applicate dall'esterno La resistenza dei materiali viene misurata mediante prove sperimentali, codificate da norme internazionali

Prove Sperimentali

• prove statiche, eseguite con carichi applicati lentamente nel tempo e che determinano la rottura del pezzo in prova (provetta) dopo alcuni minuti;
• prove dinamiche, in cui il carico applicato raggiunge il valore massimo in un tempo molto breve, dell'ordine delle frazioni di secondo (urto);
• prove periodiche, aventi lo scopo di determinare la resistenza a fatica di un organo meccanico e in cui il carico ha un andamento periodico, che si ripete nel tempo secondo cicli aventi una certa frequenza (10 : 100 volte al secondo);
• prove di scorrimento, in cui il carico, di valore costante, resta applicato per un tempo molto lungo (dell'ordine delle centinaia di ore), in modo da provare la resistenza del materiale a sollecitazioni permanenti.

Tipi di Sollecitazione Meccanica

a) trazione b) compressione c) flessione torsione e) taglio

Sollecitazione di Trazione

a) Un corpo è soggetto a trazione quando è sottoposto a una forza agente nella direzione del suo asse geometrico e il cui effetto è quello di determinare l'allungamento e il restringimento di sezione (strizione) del corpo stesso. Un esempio è costituito dalla sollecitazione sulle funi di sostegno della cabina di un ascensore.

Sollecitazione di Compressione

b)La sollecitazione di compressione si ha quando il corpo è sottoposto a una forza agente lungo il suo asse geometrico, ma il cui effetto è quello di diminuire la lunghezza e aumentare la sezione del corpo stesso.

Tipi di Sollecitazione: Flessione

a) trazione b) compressione c) flessione torsione e) taglio

c) La sollecitazione di flessione è determinata dall'applicazione di un momento flettente agente su un piano di sollecitazione contenente l'asse geometrico del corpo. La flessione può essere determinata anche da una forza agente perpendicolarmente all'asse, supponendo trascurabile lo sforzo di taglio prodotto dalla forza, come avviene, per esempio, appendendosi a una barra fissata alle due estremità

Tipi di Sollecitazione: Torsione

a) trazione b) compressione c) flessione torsione e) taglio

d) La torsione è prodotta dall'applicazione di un momento torcente agente su un piano di sollecitazione perpendicolare all'asse del corpo e che tende a far ruotare ogni sezione rispetto a quella adiacente, come avviene, per esempio, avvitando una vite in un tassello.

Tipi di Sollecitazione: Taglio

a) trazione b) compressione c) flessione torsione e) taglio

e) La sollecitazione di taglio è determinata dall'applicazione di una forza perpendicolare all'asse del corpo e che produce lo scorrimento di una sezione trasversale rispetto a quella adiacente. È la tipica sollecitazione prodotta dalle lame delle forbici durante un'operazione di taglio.

Tensioni

0 I I

• tensioni assiali o = F/S se la direzione della forza è perpendicolare alla sezione resistente;
• tensioni tangenziali t = F/S se la direzione della forza è parallela alla sezione resistente.

Un materiale reagisce alle sollecitazioni esterne sviluppando al suo interno delle forze di reazione date dal rapporto tra la forza sollecitante F e l'area della sezione resistente S e il cui valore numerico esprime la resistenza sviluppata dal materiale per unità di superficie. Per questa ragione vengono chiamate tensioni interne e la loro unità di misura è il newton su millimetro quadrato o megapascal (MPa)

Resistenza a Trazione

si indichi con I la sua lunghezza iniziale, con S. l'area iniziale della sezione perpendicolare alla forza, con F l'intensità della forza applicata lungo l'asse del corpo in una determinata condizione e con 4/ l'allungamento conseguente all'applicazione della forza F:

l F F a) trazione

Si definisce allungamento unitario il rapporto:

AZ 8 =- 8% =100 g = 100 Δ/ 10 - che, essendo un rapporto tra grandezze omogenee, è un numero adimensionale e rappresenta l'allungamento per unità di lunghezza iniziale. Il suo valore può anche essere espresso in percentuale rispetto alla lunghezza iniziale

Modulo di Young

Supponendo che il corpo sollecitato reagisca alla forza in modo uniforme su tutta la superficie resistente, la tensione assiale unitaria (carico unitario) sarà data da:

F So

Se aumenta l'intensità della forza agente, il valore del carico unitario cresce e diventa maggiore anche l'allungamento. Entro certi limiti di sollecitazione e dipendentemente dal materiale in esame, il carico e l'allungamento risultano direttamente proporzionali e quindi il loro rapporto rimane costante, come stabilito dalla legge di Hooke. Nell'intervallo di linearità della legge sforzi-allungamenti, la costante di proporzionalità, chiamata modulo di Young o modulo di elasticità longitudinale, è data dal rapporto:

E=º 8

Carico Unitario di Rottura

Indicando con FM il valore massimo del carico applicato durante la prova, si definisce convenzionalmente come carico unitario di rottura (o resistenza a trazione) il rapporto:

RM FM So [B1.6] espresso in newton su millimetri quadrati o in megapascal. [ N mm 2 =M Pa]

Esempio di Alcuni Materiali

Tabella B1.1 Valori del modulo di elasticità e del carico unitario di rottura

Resilienza e Durezza

Per resilienza si intende la resistenza di un materiale alla rottura causata da un urto. Un materiale è detto tenace se resiste bene agli urti (per esempio l'acciaio), fragile in caso contrario (per esempio il vetro). La durezza può essere definita come la resistenza superficiale che il materiale oppone alla penetrazione di un corpo più duro. Il vetro è un materiale duro, a differenza del burro che è morbido, poiché se sottoposto a pressione puntuale, non restano segni permanenti.