Corso di Chimica: proprietà dei materiali e modulo di elasticità

Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE CORSO DI CHIMICA Laura triennale in Ingegneria Biomedica Giulia Serrano DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE Lezione 19 - Materiali e proprieta'Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Proprietà dei Materiali

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Proprietà dei materiali

• Il comportamento di un materiale è caratterizzato dalla sua reazione ad una sollecitazione proprietà di un materiale = misura di un comportamento in una prova
• Vi sono tre categorie di proprietà a seconda del tipo di sollecitazioni esterne applicate:
  • proprietà chimiche: comportamento dei materiali in un ambiente chimico aggressivo, particolare o specifico
  • proprietà fisiche: comportamento dei materiali sotto azione di forze fisiche come la temperatura, i campi elettrici o magnetici, la luce
  • proprietà meccaniche: comportamento dei materiali sottoposti all'azione di un sistema di forze

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Dettaglio delle Proprietà dei Materiali

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Proprietà dei materiali

• Proprietà fisiche: densità, punto di fusione, proprietà ottiche (colore, trasparenza), proprietà termiche (coefficiente di espansione termica, conducibilità termica), proprietà elettriche e magnetiche.
• Proprietà Meccaniche: sono la risposta di un materiale a forze o carichi applicati
  • Sono determinate da test di laboratorio
  • molto sensibili ai processi di lavorazione e trasformazione
• Risposta (= comportamento) del materiale, dipende da:
  • tipo di legami
  • morfologia (arrangiamento strutturale degli atomi o molecole)
  • tipo e numero di difetti
  • tipo di sforzo e modo in cui è applicato

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Classificazione dei Materiali: Risposta Meccanica

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Classificazione dei materiali risposta meccanica

• La risposta all'applicazione di una forza comporta tre tipi di deformazione:
  • elastica
  • plastica
  • viscosa
• A seconda del meccanismo di deformazione conseguente all'applicazione di una forza:
  • elastoplastici
  • elastici
  • viscoelastici (materiali che si comportano in modo intermedio tra un solido elastico e un fluido)

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Classificazione dei Materiali: Deformazione

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Classificazione dei materiali risposta meccanica

elasticità capacità di recupero plasticità incapacità di recupero viscoelasticità capacità di recupero parziale in funzione di t e v (di deformazione)

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Esempi di Materiali Viscoelastici

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Classificazione dei materiali risposta meccanica

• Esempi di materiali viscoelastici (VE) includono: polimeri amorfi, polimeri semicristallini, biopolimeri, metalli ad elevate temperature, materiali bituminosi.
• Anche il legno ed i tessuti umani mostrano effetti viscoelastici significativi.
• Quando un materiale VE è sottoposto a sollecitazione, la risposta che si ottiene è di spostamento elastico (che immagazzina energia) e di flusso viscoso (che dissipa energia).

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Sforzo (Stress) e Deformazione (Strain)

N STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Sforzo (stress) e deformazione (strain)

• Ogni forza o carico applicato ad un materiale produce uno sforzo (o) ed una deformazione (8) nel materiale
• Sforzo: intensità della forza di reazione in ogni punto del corpo del materiale sottoposto a carichi, che possono essere:
  • in differenti condizioni di lavorazione e fabbricazione
  • in seguito a cambiamenti termici
  • = F/A
  • L'unità con cui si misura è: N/mm2 = MPa
• Stress: è la forza di reazione in ogni punto di un campione soggetto a carichi durante l'uso, in differenti condizioni di processo e manifattura e dopo variazioni termiche.

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Tipi di Sforzo (Stati Tensionali)

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Tipi di sforzo (stati tensionali)

• Normale (trazione o compressione)
• Flessione
• Taglio

AL AL L L AL Tension Compression Shear Lezione 19 - Materiali e proprieta'Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Sforzo Normale e Deformazione

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Sforzo normale e deformazione

• (A): Deformazione a trazione o longitudinale AL/Lo corrispondente alla deformazione laterale Ad/d.
• (B): compressivo deformazione AL/Lo e corrispondente allungamento laterale Ad/d.
• Strain (deformazione): E = L-Lo/Lo

F AL/2 1 1 F AL/2 F undeformed compressive strain F tensile strain Lezione 19 - Materiali e proprieta'Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Sforzo di Taglio

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Sforzo di taglio

T= S (forza di taglio) A (area di applicazione di S) La deformazione al taglio è espressa anche dalla grandezza dell'angolo teta, che risulta dalla variazione dell'inclinazione di un particolare piano soggetto allo sforzo da taglio.

surface A a , S / 1 O 1 1 1 h 1 1 I S S I S Lezione 19 - Materiali e proprieta'Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Modulo di Elasticità (o Modulo di Young)

N STUI NIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Modulo di elasticità (o Modulo di Young)

Modulo di elasticità (E) = tensione (o)/deformazione (E)

• Un materiale viene detto elastico quando la deformazione prodotta nel corpo viene completamente recuperata dopo rimozione della forza.
• rigidità o rigidezza (stiff): tendenza a subire deformazioni in campo elastico (più è elevato il modulo elastico, più rigido è il materiale)

Tensile strength, ots Stress o = F/Ao Yield strength, o, y A AF I Elastic regime Slope E = o/E Strain & = 8L/L Lezione 19 - Materiali e proprieta'Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Valori del Modulo Elastico (E) per Materiali

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Modulo elastico (E)

MATERIALE E (GPa) MATERIALE E (GPa) Diamante 1000 Legno 6:15 Carburo di silicio SiC 450 Polivinilcloruro rigido 3,5 Allumina Al2O3 400 Polistirene 3 Fibre di carbonio 300 Poliammide (Nylon 6,6) 2 Acciaio 210 Polipropilene 1,5 Titanio 110 Polietilene media densità 0,7 Vetro inorganico 70 Gomma 0,005:3 Alluminio 70 Lezione 19 - Materiali e proprieta'Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Modulo Elastico (E) e Densità

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Modulo elastico (E)

1,000 Ceramics - Composites Stiff 100 Wood and wood products YOUNG'S MODULUS (GPa) 10 Porous Ceramics Metals and alloys 1 Polymers Flexible 0.1 Rubbers 0.01 100 300 1,000 3,000 10,000 30,000 Light DENSITY (kg/m3) Heavy Lezione 19 - Materiali e proprieta'Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Elasticità Entalpica

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Elasticità - elasticità entalpica

A riposo Sotto sforzo F

• Si osserva per metalli e ceramici.
• Ridotto movimento degli atomi causato dai legami forti nella struttura: modulo elastico molto alto, tensione elastica molto piccola, piccolissimi spostamenti degli atomi.

F > = = 0 = > 0 Lezione 19 - Materiali e proprieta'Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Elasticità Entalpica: Energia Interna ed Entropia

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Elasticità - elasticità entalpica

A riposo Sotto sforzo F U internal energy, U S entropy, S F 0 0.2 0.4 0.6 > strain [%] = = 0 = > 0 Lezione 19 - Materiali e proprieta'Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Elasticità Entropica

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Elasticità - elasticità entropica

a riposo sotto sforzo

• Si osserva per elastomeri (lunghe catene macromolecolari tenute insieme da pochi legami a ponte).
• pochi nodi di reticolazione
  • permettono ampie deformazioni delle maglie del reticolo.
  • garantiscono il richiamo elastico del materiale.

€ F F € = 0 => 0 Lezione 19 - Materiali e proprieta'Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Elasticità Entropica: Energia Interna ed Entropia

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Elasticità - elasticità entropica

a riposo sotto sforzo F internal energy, U S entropy, S U 1 1 1 0 200 400 600 strain [%] € = 0 8 > 0 F > Lezione 19 - Materiali e proprieta'Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Tipologia di Frattura: Rottura Fragile

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Tipologia di frattura: Rottura fragile

• Propagazione del difetto rapida e instabile.
• Comportamento fragile dei materiali ceramici
• La resistenza critica viene raggiunta a causa dell'intensificazione dello sforzo sul difetto.
• Questo è essenzialmente dovuto alla natura ionica e covalente del legame.

F F V F brittle fracture Lezione 19 - Materiali e proprieta'Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Tipologia di Frattura: Rottura Duttile

STUI UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Tipologia di frattura: Rottura duttile

• Propagazione dei difetti lenta e stabile (es. Crescita delle dislocazioni nei metalli).
• La duttilita `aumenta con la temperatura.
• La fragilita`aumenta con la concentrazione di dislocazioni e diminuisce con la dimenzione dei grani

F F AI + F cup-and-cone ductile fracture Lezione 19 - Materiali e proprieta'Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Rottura Duttile nella Prova a Trazione

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Rottura duttile nella prova a trazione

Voids Microvoids - Coalescence of microvoids Final fracture Shear lip Lezione 19 - Materiali e proprieta'Corso di Chimica - Laurea Triennale in Ingegneria Biomedica

Prova di Trazione

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Prova di trazione

• Le prove di trazione sono prove standard volte a determinare il comportamento meccanico di un materiale.
• Sono realizzate applicando una forza di trazione su un provino di materiale (dimensioni standardizzate) portandolo fino alla rottura.
• Questo viene fatto seguendo un procedimento di carico a velocità di deformazione costante.

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Prova di Trazione: Geometria dei Provini

STUI FL UNIVERSITAS UNIVERSITÀ DEGLI STUDI FIRENZE Prova di trazione: geometria dei provini

• possono avere diversa geometria:
  • fibre
  • cilindri
  • strutture tubolari
  • strisce
  • a osso di cane

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