I materiali nei processi produttivi: elastomeri, fibre e compositi

I materiali nei processi produttivi

de' remi facemmo ali 1990 POLITECNICO DI BAR I materiali nei processi produttivi DMMM I materiali nei processi produttivi Qualità e sostenibilità dei processi nell'Industria 4.0 \ 2° Modulo: Processi industriali 4.0 Ingegneria Gestionale - A.A. 2024-2025

Materiali e società

de' remi facemmo ali 1990 POLITECNICO DI BAR I materiali nei processi produttivi Materiali e società DMMM I materiali sono probabilmente più radicati nella nostra cultura di quanto molti di noi credano. I materiali influenzano ogni aspetto della nostra vita: trasporti, alloggi, abbigliamento, comunicazioni e produzione alimentare. Storicamente, lo sviluppo e il progresso delle società sono stati intimamente legati alla capacità dei membri di produrre e manipolare materiali per soddisfare i propri bisogni. In effetti, le prime civiltà sono state designate in base al livello di sviluppo dei loro materiali (età della pietra, età del bronzo, età del ferro). Qualità e sostenibilità dei processi nell'Industria 4.0 \ 2° Modulo: Processi industriali 4.0 Ingegneria Gestionale - A.A. 2024-2025

de' remi facemmo ali 1990 POLITECNICO DI BAR I materiali nei processi produttivi Materiali e società DMMM La "scienza dei materiali" implica indagare le relazioni che esistono tra le strutture e le proprietà dei materiali. Al contrario, l'"ingegneria dei materiali" consiste, sulla base di queste correlazioni struttura-proprietà, nel progettare o ingegnerizzare la struttura di un materiale per produrre un insieme predeterminato di proprietà. Da un punto di vista funzionale, il ruolo di uno scienziato dei materiali è quello di sviluppare o sintetizzare nuovi materiali, mentre un ingegnere dei materiali è chiamato a creare nuovi prodotti o sistemi utilizzando materiali esistenti e/o a sviluppare tecniche per la lavorazione dei materiali. Struttura del materiale Proprietà del materiale Qualità e sostenibilità dei processi nell'Industria 4.0 \ 2° Modulo: Processi industriali 4.0 Ingegneria Gestionale - A.A. 2024-2025

Struttura di un materiale

de' remi facemmo ali 1990 POLITECNICO DI BAR I materiali nei processi produttivi «Struttura» di un materiale DMMM La struttura di un materiale solitamente si riferisce alla disposizione dei suoi componenti interni costitutivi. La struttura può essere interpretata a diversi livelli:

• Subatomico - elettroni e le loro interazioni con i nuclei
• Atomico - organizzazione reciproca atomi/molecole
• Microscopico - agglomerati di atomi e molecole osservabili al microscopio
• Macroscopico - elementi osservabili con una lente di ingrandimento

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Materiali nei processi produttivi: categorie

de' remi facemmo ali 1990 POLITECNICO DI BAR I materiali nei processi produttivi Materiali nei processi produttivi DMMM La maggior parte dei materiali utilizzati nei processi produttivi appartiene a una delle tre categorie di base:

• metalli
• ceramiche
• polimeri

Tali materiali differiscono tra loro per la composizione chimica e le proprietà meccaniche e fisiche. Queste differenze influenzano i processi che li utilizzano. Oltre a queste tre categorie di base, esistono i compositi, miscele non omogenee (anisotrope e non) delle tre categorie precedenti. Spesso il prodotto finale, soprattutto quando molto complesso, può contenere diverse categorie di materiali. Qualità e sostenibilità dei processi nell'Industria 4.0 \ 2° Modulo: Processi industriali 4.0 Ingegneria Gestionale - A.A. 2024-2025

Materiali nei processi produttivi: Boeing 787

de' remi facemmo ali POLITECNICO DI BAR I materiali nei processi produttivi 1990 Materiali nei processi produttivi DMMM Composite Solutions Applied Throughout the 787 DREAM LINER ........ Other 5% Steel 10% Carbon laminate Carbon sandwich Fiberglass Aluminum Aluminum 20% Aluminum/steel/titanium pylons Titanium 15% Composites 50% Q BOEING Qualità e sostenibilità dei processi nell'Industria 4.0 \ 2° Modulo: Processi industriali 4.0 Ingegneria Gestionale - A.A. 2024-2025

Materiali metallici

de' remi facemmo ali 1990 POLITECNICO DI BAR I materiali nei processi produttivi I materiali metallici DMMM I materiali di questo gruppo sono composti da uno o più elementi metallici (come ferro, alluminio, rame, titanio, oro e nichel) e spesso anche da elementi non metallici (ad esempio carbonio, azoto e ossigeno) in quantità relativamente piccole. Le leghe metalliche sono miscugli omogenei costituiti da due o più elementi, dei quali l'elemento presente in percentuale più alta è sempre un metallo. Gli atomi nei metalli e nelle loro leghe sono disposti in modo molto ordinato e sono relativamente densi, rispetto alle ceramiche e ai polimeri. La struttura cristallina può essere immaginata come un'impalcatura in cui le forze di legame (forze che tengono insieme gli atomi) sono le travi e i singoli atomi sono i nodi. Queste impalcatura si sviluppano nelle tre direzioni dello spazio, definendo quello che viene chiamato reticolo cristallino. Y Qualità e sostenibilità dei processi nell'Industria 4.0 \ 2° Modulo: Processi industriali 4.0 Ingegneria Gestionale - A.A. 2024-2025

Caratteristiche meccaniche dei materiali metallici

de' remi facemmo ali 1990 POLITECNICO DI BAR I materiali nei processi produttivi I materiali metallici DMMM Per quanto riguarda le caratteristiche meccaniche, questi materiali sono relativamente rigidi e resistenti, ma sono anche duttili (cioè capaci di grandi deformazioni) e sono resistenti alla frattura, il che spiega il loro uso diffuso nelle applicazioni strutturali. I materiali metallici hanno un gran numero di elettroni non localizzati. Questi elettroni non sono legati a particolari atomi e molte proprietà sono direttamente attribuibili a loro. Ad esempio, i metalli sono ottimi conduttori di elettricità e di calore e non sono trasparenti alla luce visibile; una superficie metallica lucida ha un aspetto brillante. Inoltre, alcuni metalli (vale a dire Fe, Co e Ni) hanno buone proprietà magnetiche. Qualità e sostenibilità dei processi nell'Industria 4.0 \ 2° Modulo: Processi industriali 4.0 Ingegneria Gestionale - A.A. 2024-2025

Leghe ferrose

de' remi facemmo ali 1990 POLITECNICO DI BAR I materiali nei processi produttivi Le leghe ferrose DMMM Le leghe metalliche, in virtù della composizione, sono spesso raggruppate in due classi: ferrose e non ferrose. Le leghe ferrose, quelle di cui il ferro (Fe) è il costituente principale e vengono prodotte in quantità maggiori rispetto a qualsiasi altro tipo di metallo. La loro diffusione è dovuta a tre fattori: 1) i composti contenenti ferro esistono in quantità abbondanti all'interno della crosta terrestre; 2) le leghe metalliche di ferro e acciaio possono essere prodotte utilizzando tecniche di estrazione, raffinazione, lega e fabbricazione relativamente economiche; 3) le leghe ferrose sono estremamente versatili, in quanto possono essere adattate per avere un'ampia gamma di proprietà meccaniche e fisiche. Lo svantaggio principale di molte leghe ferrose è la loro suscettibilità alla corrosione. Metal alloys Ferrous Nonferrous Steels Cast irons Low alloy Gray iron Ductile (nodular) iron White iron iron Malleable Compacted graphite iron High alloy Low-carbon Medium-carbon High-carbon Plain High strength, low alloy Plain Heat treatable Plain Tool Stainless Qualità e sostenibilità dei processi nell'Industria 4.0 \ 2° Modulo: Processi industriali 4.0 Ingegneria Gestionale - A.A. 2024-2025

Acciai e leghe ferrose

de' remi facemmo ali 1990 POLITECNICO DI BAR I materiali nei processi produttivi Le leghe ferrose DMMM Gli acciai sono leghe ferro-carbonio (Fe-C) che possono contenere concentrazioni apprezzabili di altri elementi leganti. Esistono migliaia di leghe che hanno composizioni e/o trattamenti termici diversi. Le proprietà meccaniche sono sensibili al contenuto di carbonio, che normalmente è di pochi punti percentuali in peso. Alcuni degli acciai più comuni sono classificati in base al tenore di carbonio, ovvero in tipi a basso (0,30%), medio (0,60%) e alto (1,50%) contenuto di carbonio. All'interno di ciascun gruppo esistono anche sottoclassi in base alla concentrazione di altri elementi di lega. Gli acciai semplici al carbonio contengono solo concentrazioni residue di impurità diverse dal carbonio e una piccola quantità di manganese. Per gli acciai legati, più elementi leganti vengono aggiunti intenzionalmente in concentrazioni specifiche (nichel, rame, ecc). Questi tendono ad essere più economici e più resistenti alla corrosione. Qualità e sostenibilità dei processi nell'Industria 4.0 \ 2° Modulo: Processi industriali 4.0 Ingegneria Gestionale - A.A. 2024-2025

Acciai per utensili e inossidabili

de' remi facemmo ali 1990 POLITECNICO DI BAR I materiali nei processi produttivi Le leghe ferrose DMMM Gli acciai per utensili sono conosciuti per essere duri e resistente al calore e agli urti. Sono composti da elementi come cobalto, molibdeno e tungsteno. Il nome deriva dal fatto che vengono comunemente utilizzati per realizzare utensili metallici. Per questo motivo, l'acciaio per utensili ha un'eccellente durata e resistenza al calore. Gli acciai inossidabili sono altamente resistenti alla corrosione in una varietà di ambienti, in particolare nell'atmosfera ambientale. La ruggine (Fe2O3) si presenta come un solido rossastro, inodore, con densità pari a 5,7 g/cm3. L'elemento legante predominante degli acciai inox è il cromo, in concentrazione superiori al 11% in peso. La resistenza alla corrosione può anche essere migliorata mediante aggiunte di nichel e molibdeno. Qualità e sostenibilità dei processi nell'Industria 4.0 \ 2° Modulo: Processi industriali 4.0 Ingegneria Gestionale - A.A. 2024-2025

Ghise e diagramma di stato ferro-carbonio

de' remi facemmo ali POLITECNICO DI BAR I materiali nei processi produttivi Le leghe ferrose DMMM Le ghise sono una classe di leghe ferrose con contenuto di carbonio superiore al 2,14% in peso e altri elementi di lega. Il diagramma di stato ferro-carbonio rivela che le leghe all'interno di questo intervallo di composizione diventano completamente liquide a temperature comprese tra circa 1150 e 1300 ℃, che è considerevolmente inferiore a quella degli acciai. Pertanto, la fonderia è la tecnica di fabbricazione più conveniente. Questi materiali sono molto fragili (per l'alto contenuto di carbonio) e resistenti alla corrosione. 1,600 1,538 A B ferrite H 1 (delta- liquid iron) N 1,394 1,300 D 1,200 E 1,148 C F 1,100 2.11 4.3 1,000 G 912 900 austenite and ferrite K pearlite ferrite and pearlite and carbide (alpha- L iron) 0 0.5 0.77 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 @ 1999 Encyclopedia Britannica, Inc. carbon content (percent) Il diagramma di stato ferro-carbonio Qualità e sostenibilità dei processi nell'Industria 4.0 \ 2° Modulo: Processi industriali 4.0 Ingegneria Gestionale - A.A. 2024-2025 ferrite S P 727 1990 temperature (°C) austenite (gamma-iron)