Proprietà dei Materiali: chimico-fisiche, meccaniche e tecnologiche, IED

PROPRIETA' DEI MATERIALI

Luca Scioletti IED2

Introduzione alle caratteristiche dei materiali

Le caratteristiche dei materiali sono quelle che si riferiscono all'intima struttura degli stessi (ad esempio il colore, la forma) come anche alla loro capacità di resistenza alle sollecitazioni esterne (proprietà meccaniche), o al comportamento nelle varie fasi della loro lavorazione (proprietà tecnologiche).

Le caratteristiche dei materiali possono essere suddivise in:

Proprietà Si riferisce alla ... Chimico - fisica Struttura del materiale Meccanica Resistenza alle sollecitazioni Tecnologica Comportamento nelle fasi di lavorazione IED3

Proprietà chimico - fisiche

• Densità
• Temperatura di fusione
• Temperatura di ebollizione
• Calore specifico
• Conduttività termica
• Conduttività elettrica
• Dilatabilità termica
• Resistenza alla corrosione
• Ritiro
• Igroscopicità
• Permeabilità
• Opacità
• Indice di rifrazione
• Isotropia
• Colore

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Significato delle proprietà chimico - fisiche

Proprietà Significato

Densità Rapporto tra la massa del materiale ed il suo volume. Nel Sistema Internazionale la densità si misura in kg/m3. Nei fluidi, i corpi con densità minore galleggiano su quelli a densità maggiore. Il principio di Archimede.

Temperatura di fusione La T di fusione di un materiale è il valore di temperatura (a pressione costante) al di sopra della quale passa dallo stato solido a quello liquido. Alcuni materiali hanno un punto di fusione preciso; altri (vetro) hanno un intervallo di temperatura in cui diventano progressivamente più molli fino a liquefarsi. Ogni materiale ha una propria temperatura di fusione.

Temperatura di ebollizione È la temperatura (a pressione costante) al di sopra della quale passa dallo stato liquido a quello gassoso.

Calore specifico la quantità di calore necessaria per innalzare, o diminuire, di un Celsius la temperatura di un'unità di massa

Conduttività termica Indicata con À o k. È la misura dell'attitudine di una sostanza a trasmettere il calore (vale a dire maggiore è il valore di À, meno isolante è il materiale). Essa dipende solo dalla natura del materiale, non dalla forma. IED5

Ulteriori proprietà chimico - fisiche

Proprietà Significato

Conduttività elettrica Si indica con s. Indica l'attitudine del materiale a trasmettere la corrente elettrica. I materiali con maggiore conduttività elettrica sono il rame e l'argento.

Dilatabilità termica Dilatabilità termica è la tendenza della materia a cambiare lunghezza, area e volume in risposta a un cambiamento di temperatura

Resistenza alla corrosione E' la tendenza di un materiale a resistere al deterioramento superficiale causata da reazioni chimiche on l'ambiente circostante

Ritiro di solidificazione Il ritiro di solidificazione si verifica perché i metalli sono meno densi di un liquido rispetto a un solido, quindi durante la solidificazione la densità del metallo aumenta notevolmente. Il ritiro è la percentuale di riduzione del volume durante la solidificazione. IED6

Proprietà chimico - fisiche: Igroscopicità e Permeabilità

Proprietà Significato

Igroscopicità L'igroscopia (o igroscopicità) è la capacità di una sostanza o di un materiale di assorbire le molecole d'acqua presenti nell'ambiente circostante (allo stato di vapore) o di combinarsi con essa

Permeabilità Permeabilità (scienze della terra), misura la capacità di un materiale (come le rocce) di farsi attraversare da fluidi

Brillantezza (Gloss) Misura la riflessione speculare, ossia l'intensità della luce riflessa.

Opacità Misura la quantità di luce che non attraversa il materiale, quindi la luce che viene riflessa o viene assorbita, opposto di trasparenza.

Isotropia In una sostanza isotropa, le proprietà fisiche non dipendono dalla direzione in cui si analizza la sostanza stessa. IED7

Ossidazione e corrosione

• I metalli hanno la tendenza a formare cationi (ceriche positive) attraverso la perdita di elettroni, reagendo con l'ossigeno nell'aria per formare ossidi che portano a cambiamenti col passare del tempo (il ferro arrugginisce negli anni, mentre il Potassio brucia nel giro di alcuni secondi).
• La corrosione è il processo continuo e irreversibile che consuma un materiale peggiorandone le proprietà fisiche iniziali.

I metalli resistenti alla corrosione possono essere raggruppati in 3 gruppi:

• Alcuni metalli (rame, zinco e nichel) impiegano molto più tempo per ossidarsi.
• Altri (palladio, platino e oro) non reagiscono affatto con l'atmosfera.
• Alcuni metalli formano uno strato protettivo di ossido sulla loro superficie che non può essere penetrato da ulteriori molecole di ossigeno e così mantengono il loro aspetto lucente e buona conduttività per decadi (alluminio, acciai inox e titanio).

Buoni metodi per prevenire la corrosione sono: verniciatura, zincatura, anodizzazione. IED8

Caratteristiche fisiche dei metalli

• I metalli in generale hanno la capacità di deformarsi se soggetti a sforzo senza criccarsi (elevata resilienza).
• L'alta conducibilità elettrica e termica dei metalli deriva dal fatto che nel legame metallico, gli elettroni esterni degli atomi di metallo formano un gas di elettroni quasi liberi, che si muovono come un gas di elettroni in uno sfondo di carica positiva formato dai nuclei di ioni.
• Otticamente parlando, i metalli sono opachi, lucidi e lucenti. Ciò è dovuto al fatto che le onde luminose visibili non sono facilmente trasmesse attraverso la maggior parte della loro microstruttura. Il gran numero di elettroni liberi in un tipico solido metallico (elemento o lega) è responsabile del fatto che non possono mai essere classificati come materiali trasparenti.
• La maggior parte dei metalli ha densità più elevate rispetto alla maggior parte dei non metalli. L'alta densità della maggior parte dei metalli è dovuta al reticolo cristallino della struttura metallica IED9

Esempi di temperature di fusione

Temperature di Fusione (C)

3.499 3.422 2.622 1.773 1.670 1.529 1.455 1.410 1.065 1.083 961 595 650 420 0 Acqua Alluminio Argento Carbonio Ferro Magnesio Molibdeno Nichel Oro Piombo Platino Rame Silicio Stagno Titanio Tungsteno Zinco

Esempi di temperature di fusione a pressione atmosferica

Temperature di fusione Fº e colore di fusione per principali metalli e loro leghe

3 MIN ENG: https://www.youtube.com/watch?v=0qMIL3NPW1w IED 327 23210

Le principali proprietà meccaniche

Resistenza alla compressione

Resistenza alla flessione

Resistenza alla trazione

Resistenza alla torsione

Resistenza a Taglio (truciolabilità)

Resistenza alla fatica

Resistenza all'urto (resilienza)

Durezza

Coefficiente di attrito (usura) IED11

Dettaglio delle proprietà meccaniche

Resistenza a compressione Massima forza applicabile per compression e prima di rompere la provetta

Resistenza a flessione Massima forza applicabile a flessione prima di rompere la provetta.

Resistenza a Trazione Massima forza applicabile a trazione prima di rompere la provetta

Resistenza a torsione Massima coppia applicabile a torsione prima di rompere la provetta

Resistenza a Taglio Massima forza applicabile prima di tagliare la provetta (b) IED12

Proprietà meccaniche: Limite a fatica e Durezza

Limite a fatica Massimo sforzo che un materiale può sopportare sottoposto a cicli di sollecitazioni ripetute

Resistenza all'urto Energia assorbita dal componente soggetto ad un urto prima di fratturarsi

Durezza Abilità di resistere all'indentazione della superficie

Coefficiente di Attrito Rapporto tra forza necessaria a spostare il provino e il peso del provino; dipende dai 2 materiali e dalla superfici a contatto

Scala B 1 0 Indice Martello C Incudine Provino IED13

La prova di compressione

Stress - Deformation Curve ~36 O .30 40 Mm Test piece -20 16 Sforzo 10 Stress o 6 001 .0.09 -0,14 -0,19 -424 deformation &

Eggs compression test 1m MUS https://www.youtube.com/watch?v=kRq5ncR cTg IED14

Prova di trazione

Tensile stress Curve curve di trazione

Material 2 Reduced section Aeronauticallecture.blogspot.in B C 2 +A 82 + A2 Material 1 81 UTM Universal Testing Machine sollecitazione A1 C 1 Extensometer Specimen elongation & Moving crosshead O allungamento §

Questa tipo di prova è molto importante: facile da correlare ai principali parametri del materiale: limite di allungamento elastico e limite di snervamento.

Tensile test 1-2m MUS : https://www.youtube.com/watch?v=c7nxmk1tG84 IED 3" - 0.505" Diameter 4 Diameter ++-+ -2"-| 3 " Gauge length Radius 8 Load cell Stress o -222 1 ª15

CURVA SOLLECITAZIONE - DEFORMAZIONE

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Curva sollecitazione-deformazione

Se applichiamo un carico di trazione a un campione, per prima cosa osserviamo per tutto il materiale:

• Allungamento del provino (L> LO)
• Riduzione della sezione dei campioni (A <A0)

M TS F Stress Strain 2 los 10: 1

Se rappresentiamo in un grafico per ogni sollecitazione il rispettivo l'allungamento osservato, possiamo identificare importanti specifici punti diversi per ogni materiale. IED17

Punti importanti della curva sollecitazione-deformazione

Limite di proporzionalità: Fino a questa sollecitazione, lo sforzo è proporzionale alla deformazione (legge di Hooke), quindi il grafico sforzo-deformazione è una linea retta e il gradiente sarà uguale al modulo elastico o al modulo di Young del materiale.

Limite elastico (o resistenza allo snervamento o punto di snervamento) Oltre il limite elastico, si verificherà una deformazione permanente. Il limite elastico è quindi la sollecitazione più bassa alla quale può essere misurata la deformazione permanente e quindi il punto nella curva a cui la deformazione plastica inizia a verificarsi.

Punto di snervamento convenzionale: Quando un punto di snervamento non è facilmente definito in base alla forma della curva sforzo-deformazione, lo si definisce arbitrariamente come la sollecitazione a cui corrisponde un allungamento plastic o residuo pari allo 0,1 o 0,2%. Questo avviene per l'acciaio ad alta resistenza e le leghe di alluminio: non presentano un punto di snervamento.

Punti di snervamento superiore e inferiore Alcuni metalli, come l'acciaio dolce, raggiungono un punto di snervamento superiore prima di precipitare rapidamente verso un punto di snervamento inferiore. La risposta del materiale è lineare fino al punto di snervamento superiore, ma il limite inferiore di snervamento viene utilizzato nell'ingegneria strutturale come valore conservativo.

Carico di rottura o resistenza a trazione: massimo sforzo che possiamo applicare prima della rottura a trazione IED