capitolo 2 materiali - dimnp.unipi.it · • “a fatica” s ... duttile fragile dispersione °0 c...
TRANSCRIPT
1
Capitolo 2 MATERIALI
1 (c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 1
2 2
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 2
Principali “famiglie” di materiali solidi
• Leghe metalliche per usi strutturali
• Altre leghe metalliche o metalli puri
• Plastiche di largo consumo (es.: PET)
• Tecnoplastiche (es.: Nylon)
• Materiali compositi
• Gomme ed elastomeri
• Materiali espansi (structural foams)
• Engineering ceramics (es.: SiC)
• Altre ceramiche (es.: porcellana, isolatori elettrici)
• Vetri
• Legni migliorati
3 3
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 3
Acciai non legati, a bassa % Carbonio,
Ghise
Leghe di Al o Mg,
Bronzi, Ottoni
Acciai e ghise bassolegati
“Super leghe” a base
di Ni, Co, W, Re
Quantità prodotte
Economicità Prestazioni
Leghe di Ti
Acciai con alta % lega
MATERIALI METALLICI
4 4
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 4
Polipropilene (PP), Acrilonitrile stirene (SAN),
Resine fenoliche, ureiche e melamminiche
Polietilene (PE), Resine stireniche (PS), PVC
Policarbonato (PC)
Poliacetato (POM),Poliammide (PA)
ABS, Polimetilmetacrilato(PMMA), PET
Quantità prodotte
Economicità Prestazioni
PES, PPS
Polisulfone (PSU)
Poliammide-immide (PAI)
PEEK, PEI, PI,
PTFE, PVDT MATERIALI POLIMERICI
5 5
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 5
Principali “famiglie” di materiali ferrosi
• Ghise (grigia, malleabile, sferoidale, al Ni, ADI (Austempered
Ductile Iron))
• Acciai:
• saldabili al C, HSLA (debolmente legati ad alta resistenza): per
carpenteria metallica, ecc.
• da imbutitura, microlegati (microstruttura a grano fine): per
carrozzerie, ecc.
• da bonifica (al C o con bassa % lega): per applicazioni
meccaniche in generale, per molle, ecc.
• da cementazione, da nitrurazione, ad alta durezza
• ad alta % lega, resistenti al calore e/o alla corrosione
• “rapidi”, “super rapidi”: da utensili
• Acciai per getti (ordinari, al Mn, ecc.)
6 6
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 6
• Leghe leggere di Alluminio
• per getti (es.: AlSiMg, Silumin)
• da lavorazione plastica (es.: AlCuMg o “2024”,
Duralluminio, AlZnMgCu o “7075”, Ergal)
• Leghe superleggere di Magnesio
• Leghe di Titanio (es.: Ti6Al4V)
• Leghe di Rame
• Ottoni (CuZn)
• Bronzi (CuSn, CuPb, CuAl, CuNi)
• Leghe di Nichel (es.: NiCu, Monel)
• “Superleghe” di Ni,Co,W,Re (es.: Inconel, René)
Principali “famiglie” di materiali non ferrosi
7 7
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 7
Proprietà dei materiali metallici
• elasticità lineare se e < e limite elastico
• duttilità (di regola eR >> elimite elastico )
• rigidezza, conducibilità,
• ampio campo di temperature di esercizio,
• resistenza
• fortemente dipendente da difettosità, impurezze
• migliorabile con trattamenti termici o meccanici
• durezza, migliorabile con trattamenti superf., ricoprimenti
• densità relativamente elevata
• resistenza a varie forme di corrosione e di usura.
• caratteristiche di scorrimento viscoso a caldo o fragilità a
freddo.
8
Proprietà dei materiali non metallici
Polimerici
Resistenza alla corrosione
Leggerezza
Producibilità in serie
Resistenza adeguata a vari usi
Rigidezza scarsa
Limitata temperatura di impiego
Ceramici
Resistenza a corrosione ed usura
Rigidezza, leggerezza
Alta temperatura d’uso
Fragilità
Bassa resistenza in trazione
Sensibilità agli intagli
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 8
9 9
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 9
Principali “famiglie” di materiali non metallici
• Tecnoplastiche (PA (Nylon), POM, PC, ecc.)
• resistenza 1/10 di quella degli acciai;
• rigidezza 1/100 “ “ “ “ in campo elastico;
• densità 1/5 “ “ “ “
• buona resistenza a corrosione ed usura
• bassa temperatura di utilizzo (creep, rammollimento)
• Gomme ed elastomeri:
• elasticità con grandi deformazioni, smorzamento.
• Compositi a matrice plastica, metallica o ceramica,
• leggerezza, resistenza, rigidezza.
• Ceramiche strutturali:
• durezza, rigidezza ad alta temperatura, fragilità
• Vetri, cementi, materiali espansi, structural foams, ecc.
10 10
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 10
Proprietà meccaniche
• Densità r
• Rigidezza / cedevolezza elastica E
• Resistenza (alla deformazione permanente / alla rottura):
• con carichi statici SY , SU (in funzione di T)
• “a fatica” S’n, curve DS-NR o De-NR ( “ “ )
• Tenacità (energia/volume)
• Resilienza KU (energia assorbita prova Charpy)
• Proprietà definite dalla “Meccanica della frattura” (cap.4)
• Tenacità a frattura KIC
• Avanzamento fessure per fatica C, m
• Tenacità con tensocorrosione KISCC
• Resistenza a scorrimento viscoso S(T)creep
• Smorzamento interno DU/U
11 11
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 11
Altre proprietà (termo-meccaniche ecc.)
• Calore specifico c [J/kg]
• Conducibilità termica k [J/(°K m s)]
• Coefficiente di dilatazione termica a
• Temperatura limite di creep: Tcreep 0,3Tfusione
• Permeabilità a gas e liquidi (carcasse, tenute )
• Rigonfiamento (swelling) (es.: assorbimento H20)
• ...
12 12
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 12
Proprietà tribologiche
• Durezza superficiale HB (Bhn), HR, HV,
Shore, Knoop
• Coefficiente di usura cu (Cap. 5)
• Limiti di grippaggio pamm , Tamm
• Coefficienti d’attrito fstatico, fcinetico
N.B. dipendono fortemente dall’accoppiamento tra
materiali, dalle condizioni ambientali, dalla
lubrificazione e dalle rugosità superficiali
13 13
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 13
Aspetti essenziali per tutti i materiali
• Sicurezza (tossicità, infiammabilità +...)
• Proprietà fisiche (densità, conducibilità, coeff. di
dilatazione +....)
• Rigidezza /cedevolezza
• Resistenza a rottura (a fatica, statica)
• Qualità tribologiche (attrito, capacità di “rodaggio”,
resistenza ad usura o fatica superficiale)
• Compatibilità con solidi e fluidi a contatto
• Compatibilità con l’ambiente (temperatura,
corrosione, inquinamento)
• Reperibilità, producibilità
• Riciclabilità
14 14
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 14 (c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 14
Acciai da carpenteria metallica, ghisa grigia
Acciai da bonifica o cementazione, ghise migliorate
Acciai resistenti a corrosione e temperatura
Leghe leggere di Al o Mg
Ceramiche strutturali
Leghe di Titanio, superleghe di Ni, Co
Materie plastiche comuni
Materie plastiche ad alta resistenza
Materiali compositi
Costo relativo al kg dei materiali
15 15
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 15
LE PROVE MECCANICHE
SUI MATERIALI
• di trazione
• di durezza
• di resilienza
• di Meccanica della frattura (vedi Cap.4)
• di creep (Cap.4)
• di fatica (Cap.5)
16 16
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 16
Resistenza meccanica con carichi “statici”
Carichi applicati “con gradualità” =
= successione di stati di equilibrio.
Nessun effetto dinamico.
17 17
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 17
Cella di
carico
Cella di
carico
Attua -
tore
del
carico
Schema di una
macchine per prove
di resistenza su
campioni
Comando
idraulico od
elettrico
18 18
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 18
d0, A0
Campione per prove
di resistenza
in trazione
L = 5÷10 d0
attacchi (varia forma)
tratto utile
19 19
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 19
A0
Rottura
duttile F
F
Aridotta
F
F
Rottura
fragile
AR A0 AR<<A0
21 21
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 21
sn=F/A0
e=DL/L ep = 0,2%
Lavoro unitario
di rottura
(“tenacità“)
Energia elastica
restituita
Su= sR
Sy= s0,2
DLr /L
a tg a = E
Resistenza in trazione di materiali metallici duttili F
F F
A
DL
(DL/L)max
22 22
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 22
)1(
ln
0 cost.
)1ln(lnln
0
0
00
000
A
A
A
A
A
dA-
d
dAAdAA
d
NNNV
v
Nv
esss
e
ee
==
==
===
=D
===
Grandi deformazioni plastiche
• Tensione e allungamento veri diversi da quelli nominali;
• deformazione a volume quasi costante n 0,5
23 23
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 23
s=F/A
e =DL/L
Energia elastica
restituita
sR s0,2
(DL/L)max
a tg a = E
Resistenza in trazione dei materiali fragili
DL
Lavoro unitario
di rottura
(“tenacità“)
F
F F
A
24 24
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 24
Fattori infragilenti
• Temperatura bassa.
• Carichi d’urto.
• Orientazione sfavorevole della microstruttura.
• Difettosità interna del materiale.
• Ambiente (es.: infragilimento da idrogeno degli acciai,
effetto dei raggi UV su materie plastiche).
• Stato di tensione triassiale di trazione (intagli).
25 25
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 25
sn=F/A0 [MPa]
e=DL/L
Resistenza in trazione di alcuni materiali metallici
Leghe di Titanio
Leghe leggere di Alluminio
Acciai ad alta resistenza, trattati
termicamente
Acciai a bassa % di C
“da carpenteria met.”
1500÷2000
500÷1200
350÷500
N.B. valori orientativi
26 26
26
Trattamenti termici Trattamento termico = ciclo termico di riscaldamento effettuato in
predeterminate condizioni e temperature a cui devono seguire raffreddamenti,
più o meno lenti, con lo scopo di fare assumere ad un metallo o ad una lega
metallica (solitamente acciaio) quelle strutture cristalline che gli conferiscono
determinate caratteristiche meccaniche e/o tecnologiche
Importante la velocità di raffreddamento o di riscaldamento della trasformazione
27 27
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 27
Trattamenti termici acciai
• Normalizzazione: riscaldamento in campo austenitico (800°C) seguito da
raffreddamento in aria calma.
• Ricottura: riscaldamento annullare gli effetti di qualsiasi trattamento precedente
per eliminare tensioni residue, incrudimento, alterazioni della microstruttura
• Tempra: riscaldamento in campo austenitico seguito da raffreddamento rapido
per ottenere martensite.
• Rinvenimento: riscaldamento seguito da raffreddamento a velocità controllata
per ridurre fragilità e ottenere bainite.
• Bonifica: tempra + rinvenimento.
• Distensione: riscaldamento a 150-180 °C che provoca una riduzione delle
tensioni residue.
• Cementazione : indurimento superficiale tramite riscaldamento a 950°C e
arricchimento superficiale in C, seguito da tempra.
• Nitrurazione: indurimento superficiale degli acciai tramite riscaldamento a 500
°C e introduzione di azoto atomico.
28 28
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 28
s=F/A
e=DL/L
Effetti dello stato di trattamento del materiale
normalizzato
bonificato
ricotto
Acciaio C40
29 29
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 29
s=F/A
e=DL/L
a tg a = Eapp.
Resistenza in trazione delle materie plastiche
~ fragile: T<<Ttrans
oppure
termoindurenti
T>>Ttrans.: viscoso
temperatura
30 30
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 30
F
D
Resistenza in flessione dei materiali ceramici
D
F
Dis
pers
ione !
3
2
1 1
2
3
31 31
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 31
sn
Resistenza “statica”
in trazione e in compressione
F
e
metalli duttili
ceramici
32 32
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 32
Durezza superficiale
Dh Area calotta
sferica
Brinell Rockwell C
10 mm
33
Carichi d’urto e resilienza
Misura dell’energia assorbita a rottura (K=Epot/A0)
Uso di campioni standardizzati
Carichi applicati tramite l’urto di una mazza.
Classificazione dei materiali in base alla resilienza (materiali di elevata resilienza sono detti tenaci, bassa resilienza
fragili).
Dipendenza dalla temperatura.
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 33
34 34
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 34
Prova di resilienza Charpy
Resilienza con carichi d’urto
campione
supporti
vimpatto
mazza
metà provino rotto in modo fragile
35 35
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 35
Resilienza
Temperatura
[J]
KU
(KV)
duttile
fragile
dispersione
°0 C
acciai a bassa % C
Resilienza e temperatura
acciai inox
37 37
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 37
Resistenza a creep a caldo
D L
L = etot.= eelastica ecreep
tempo
max. durata
prove
??
F, s, T
F
F F
A
DL
III
II
I
giorni mesi anni
38 38
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 38
Materiali compositi
• Matrice: plastica (es.: epoxy), ceramica, metallica.
• “Rinforzo”: fibre ad alta resistenza (sviluppate in L, es.: di C)
• resistenza meccanica e rigidezza elevate
• anisotropia necessaria la formatura in più strati.
• “Carica”: particelle (D≈L, es.: sferette)
• stabilità di forma, resistenza allo scorrimento viscoso
• maggiore tenacità, relativa durezza
• riduzione dell’attrito, maggiore resistenza all’usura
• Criticità: costo, riciclo del rottame, controllo qualità
39 39
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 39
s=F/A
e=DL/L
Resistenza di una lamina di materiale composito
DL
F F F
F F F
tensione di rottura
delle fibre
tensione di rottura della matrice
tensione nella
matrice
corrispondente alla
rottura delle fibre
e rottura fibre
40 40
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 40
Caratteristiche dei materiali compositi
Le proprietà meccaniche possono essere “progettate”: es.: per una lamina con fibre monodirezionali:
Gli elementi strutturali sono costituiti da più lamine sovrapposte, con direzioni delle fibre scelte opportunamente
Si possono ottenere laminati ortotropi o “quasi isotropi”, ma si può anche sfrutturare l’anisotropia.
)1(
)1(
%,,,%,,,1
%,%,1
FFRMFUFU
FmatriceFfibra
vSvSS
vEvEE
=
=
e
41 41
Compositi laminati: esempio
Impacchettamento:
0° 45° 0°
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 41 (c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 41
42 42
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 42
Indici di merito
La scelta dei materiali è facilitata dal confronto
tra “indici di merito”.
Dati certi obiettivi (es.: minima massa m con
vincolo di resistenza o rigidezza) il parametro
che riassume le proprietà del materiale
significative per quei dati obiettivi è l’ “indice di
merito” del materiale per quella applicazione.
43 43
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 43
F
F
L
DL=
A
F x L
s =
E x A
F
A
Volume: L x A
Massa: L x A x r
Esempio 1: l’obiettivo
è la leggerezza con il
vincolo di resistenza
in trazione
Esempio 2:
l’obiettivo è la
leggerezza con il
vincolo di rigidezza
in campo elastico
44 44
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 44
F
F
L
A =
A
F L
samm
E DLamm
F A =
m = L r =
densità e resistenza
in trazione
caratteristiche del
materiale
densità e rigidezza
caratteristiche del
materiale
samm
F
samm
r = F L
m = L r = F L
E DLamm
= F L2
DLamm E
r
minimizzare m equivale a minimizzare questi rapporti
45 45
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 45
es. trave inflessa
M assegnati damm, M, L
46 46
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 46
es. trave inflessa (cont.)
M assegnati samm, M, L
47 47
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 47
Rigidezza e densità dei materiali strutturali
0
50
100
150
200
250
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Densità (kg/dmc)
Mo
dulo
di Y
ou
ng
(G
Pa)
Acciai
Ghise Ottoni
bronzi
Leghe Zn
Leghe Ti
Leghe Al
Compositi
Leghe Mg
Superleghe
Plastiche
Leggerezza e rigidezza
Linee di merito
costante
mappa di Ashby
48 48
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 48
Resistenza e densità dei materiali strutturali
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Densità (kg/dmc)
Ca
ric
o d
i ro
ttu
ra (
MP
a)
Acciai
Ghise
Ottoni
bronzi
Superleghe
Leghe Zn
Leghe Ti
Leghe Al
Compositi
Leghe Mg
Plastiche
Leggerezza e resistenza
Linee di merito
costante
mappa di Ashby
49 49
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 49
Durezza superficiale e densità dei materiali
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Densità (kg/dmc)
Du
rezza
Bri
nell (H
B)
Acciai
Ghise
Ottoni
bronzi Leghe Zn
Leghe Ti
Leghe Al
Compositi polim.
Leghe Mg
Plastiche
Leggerezza e durezza superficiale
mappa di Ashby
50 50
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 50
• Il materiale più economico non rappresenta sempre la
soluzione più economica!
• Il materialepiù costoso può portare ad una riduzione
di massa e di costo complessivo!
Indici di merito tecnico-economici
materiale CR
Acciai ordinari e ghise 1-1.5
Acciai bassolegati trattati termicamente
2-3
Acciai altolegati e INOX 10
Leghe TI e superleghe NiCo 100
Leghe Al Mg 3-6
Ceramiche strutturali >30
tecnopolimeri 2-10
Compositi alte prestazioni 30-60
CR= Cu mat/Cu Fe360
Fe360, acciaio al C da
carpenteria metallica
51 51
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 51
• Il materiale più economico non rappresenta sempre la
soluzione più economica!
• Il materialepiù costoso può portare ad una riduzione
di massa e di costo complessivo!
Indici di merito tecnico-economici
Costo= C0 CR rV= C0 (CRr/samm)NL (es.asta tesa vincolo
resistenza)
C0=Cu Fe360 Fe360, acciaio al C da carpenteria metallica
V=AL
costo minimomin(CRr/samm) ind. merito tecn.economico
se anche CR è elevato, se r/samm è basso, soluzione
potrebbe essere economicamente più conveniente
52 52
(c) Pearson Italia S.p.A. - De Paulis, Manfredi - Costruzione di macchine 52
• Aspetti funzionali ed economici non vanno considerati
separatamente
• Ci sono altri aspetti da considerare tra cui processo
tecnologico, volume serie, impatto ambientale
• Bisogna stabilire le PRIORITA’!
Indici di merito