Sistemi di Produzione II I materiali - Politecnico di Torinocorsiadistanza.polito.it/on-line/Sistemi_prod_II/pdf/A3.pdf · Sistemi di Produzione II I materiali © 2006 Politecnico

Sistemi di Produzione II I materiali

© 2006 Politecnico di Torino 1

I materiali

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I materiali

Introduzione al corso

Tecnologia di produzione

I materiali

La misura della durezza

Le prove meccaniche distruttive

Prove non distruttive

La meccanica dei materiali



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Obiettivi della lezione

Conoscere gli elementi caratteristici di metalli e polimeri

Distinguere i campi di impiego dei diversi materiali in funzione delle loro caratteristiche chimico-fisiche

Conoscere l’effetto dei principali trattamenti termici e superficiali

Saper valutare l’effetto della temperatura sulla formazione dei legami polimerici

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Bibliografia per la lezione

“Sistemi di Produzione”A. Villa, G. Murari, D. AntonelliC.L.U.T. Editrice, 2004

capitolo 2 paragrafi 1 e 2

“Tecnologia Meccanica e Studi di Fabbricazione”Santochi, GiustiCasa Editrice Ambrosiana, 2000

capitolo 3 paragrafi 4 e 5



I materiali

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I materiali

La struttura metallica

Il reticolo cristallino

I metalli: tipologie

I metalli: i trattamenti termici

I materiali polimerici



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Classificazione dei materiali

Materiali metallici

Materiali di natura organica (Plastiche)

Materiali di natura inorganica (Ceramiche)

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Modello di Bohr

I materiali hanno una struttura atomica:

le caratteristiche fisiche e chimiche di un atomo dipendono dal numero e dalla disposizione orbitale degli elettroni di valenza



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Modello di Bohr

I materiali hanno una struttura atomica:

le caratteristiche fisiche e chimiche di un atomo dipendono dal numero e dalla disposizione orbitale degli elettroni di valenza

un atomo da cui è stato rimosso un elettrone è denominato ione

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Legame metallico

Uno o più elettroni si allontanano dall’atomo originario e vengono condivisi tra più atomi vicini creando un numero elevato di ioni positivi immersi in una nuvola di cariche negative



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Legame metallico

Ioni positivi

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Legame metallico

Nuvola elettronica negativa



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Legame metallico

Gli elettroni costituiscono cariche vaganti negative che si insinuano nello spazio liberato dagli ioni positivi

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Legame metallico


La coesione è stabilita dalle forze di attrazione tra la nuvola elettronica e gli ioni



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Legame metallico


La coesione è stabilita dalle forze di attrazione tra la nuvola elettronica e gli ioni

Se gli ioni si allontanano tra loro, la nuvola elettronica tende a fissarli in equilibrio stabile, secondo distanze ben definite

I materiali



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I materiali






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La struttura che si presenta è composta da un elevato numero di ioni metallici distribuiti nello spazio a formare il reticolo cristallino



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La struttura che si presenta è composta da un elevato numero di ioni metallici distribuiti nello spazio a formare il reticolo cristallino

La più piccola porzione di volume che ripetuta riempie completamente il reticolo, è denominata cella unitaria o elementare

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Forma della cella elementare

Cubica a corpo centrato (CCC)

Cubica a facce centrate (CFC)

Struttura cristallina esagonale compatta



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Cubica a corpo centrato (CCC)ferro-α (forma allotropica stabile fino a 770°C)vanadio (V)molibdeno (Mo)tungsteno (W)cromo (Cr)

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Cubica a facce centrate (CFC)ferro-γ : forma allotropica tra 910 - 1410°C alluminio (Al)nichel (Ni)argento (Ag)piombo (Pb) cobalto-ß (Co- ß) rame (Cu)



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Struttura cristallina esagonale compattamagnesio (Mg)zinco (Zn)cadmio (Cd)berillio (Be)cobalto- α (Co- α ) titanio- α (Ti- α)

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Il grano cristallino

Rappresenta l’insieme di reticoli con medesimo orientamento che compongono il metallo



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La maggior parte dei metalli è costituita da strutture policristalline

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Le dimensioni dei grani cristallini incidono sulle proprietà meccaniche dei metalli



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Le dimensioni dei grani cristallini incidono sulle proprietà meccaniche dei metalli

Ad esempio a dimensioni maggiori del grano corrisponde una più facile deformabilità

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Lo scorrimento plastico

La deformazione avviene sotto l’azione di forze di taglio lungo i piani di scorrimento



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I materiali

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I materiali








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Tipologie dei metalli

Le tipologie dei metalli sono determinate dalle sostanze presenti nella composizione della lega

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Tipologie dei metalli


La classificazione dipende dalla struttura cristallina del metallo



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Le leghe


La classificazione dipende dalla struttura cristallina del metallo

Lega

aggregato cristallino dalle proprietà metalliche composto da elementi chimici di cui almeno uno è un metallo

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Soluzione solida

Sostanza costituita da un composto solido omogeneo di atomi che occupano nel reticolo posizioni statisticamente arbitrarie



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Soluzione solida di sostituzione


è di sostituzione quando atomi di soluto sostituiscono atomi di solvente nel reticolo cristallino del solvente

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Soluzione solida interstiziale


è di sostituzione quando atomi di soluto sostituiscono atomi di solvente nel reticolo cristallino del solvente

è interstiziale quando atomi di soluto occupano le posizioni libere fra gli interstizi degli atomi del solvente



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Altre tipologie di metalli

Fase intermedia

struttura cristallina diversa da quella degli elementi che compongono la lega

I materiali



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I materiali






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I trattamenti termici

Si possono modificare le proprietà meccaniche dei metalli con cicli termici



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Si possono modificare le proprietà meccaniche dei metalli con cicli termici

Operazioni mediante le quali un metallo o una lega metallica viene sottoposto a cicli termici senza arrivare alla sua fusione

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Ricottura

Tempra

Rinvenimento

Bonifica

Cementazione, nitrurazione

Normalizzazione



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Tempo

° C

46


Tempo

° C

A1

Temperatura di inizio formazione

austenite



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Tempo

° CA3

A1

Temperatura di fine trasformazione in

austenite

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La ricottura

Un riscaldamento a temperatura elevata seguito da un raffreddamento lento in aria o in forno per rendere più omogeneo e lavorabile il materiale

Diminuisce la resistenza ma aumenta la lavorabilità



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Tempo

° C

La ricottura

A3

A1

50

Tempo

° CA3

A1

La ricottura

Raffreddamento lento in forno



51

Tempo

° CA3

A1

La ricottura

Raffreddamento veloce fino a temperatura

ambiente

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La tempra

Un riscaldamento a temperatura elevata (800-900°C) è seguito da raffreddamento rapido in acqua od olio

L'acciaio assume elevate caratteristiche di durezza e di resistenza meccanica, ma accompagnate da fragilità a causa della struttura martensitica



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Tempo

° CA3

A1

La tempra

54

Tempo

° CA3

A1

La tempra

Raffreddamento veloce per ottenere

martensite



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Il rinvenimento

Riscaldamento intorno a 500-600 °C sotto la temperatura di inizio formazione di austenite

Raffreddamento controllato per aggiungere agli effetti della tempra una buona tenacità, riducendo la durezza e la fragilità

56

Tempo

° CA3

A1

Il rinvenimento



57

Tempo

° CA3

A1

La bonifica

TEMPRA RINVENIMENTO

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La normalizzazione

Ad un riscaldamento a temperature di tempra è seguito un raffreddamento in aria per attenuare la durezza eccessiva conseguente al primo trattamento

Rende omogenea la struttura dell’acciaio eliminando le tensioni interne



59

Tempo

° CA3

A1

La normalizzazione

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Trattamenti superficiali

Cambiano solo le proprietà della superficie del pezzo

I principali trattamenti sono:per rimozione dello strato superficiale (meccanica, mediante solventi)per conversione della superficie (ossidazione, anodizzazione, fosfatazione, cromatura)termici (cementazione, nitrurazione)per deposizione (elettrochimica, meccanica)



61

Conversione della superficie

Questi trattamenti hanno lo scopo di aumentare la resistenza alla corrosione

Ossidazione con mezzi chimici o mediante riscaldamento ad elevata temperatura della superficie del pezzo (acciaio)

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Conversione della superficie

Questi trattamenti hanno lo scopo di aumentare la resistenza alla corrosione

Ossidazione con mezzi chimici o mediante riscaldamento ad elevata temperatura della superficie del pezzo (acciaio)

Anodizzazione dell’alluminioossidazione controllata della superficie dell’alluminio per immersione in soluzione acquosacollegamento di un generatore di tensione all’anodo



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Trattamenti termici superficiali

Comprendono:trattamenti di tempra superficialetrattamenti di diffusione di un elemento nello strato superficiale

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Trattamenti termici superficiali

Comprendono:trattamenti di tempra superficialetrattamenti di diffusione di un elemento nello strato superficiale

I trattamenti di diffusione sono:aggiunta di carbonio all’acciaio allo stato austenitico (carbocementazione)aggiunta di azoto a 500 °C (nitrurazione) per formare dei nitrati con gli elementi leganti presenti nell’acciaio



I materiali

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I materiali








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Caratteristiche principali

Elevato rapporto resistenza/massa

Basso costo

Bassa conducibilità elettrica

Alta resistenza agli agenti chimici

Elevato coefficiente di dilatazione termica

Elevata versatilità d’impiego

Facilità di lavorazione

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I polimeri

Termoplastici

ottenuti per processo di caloresi possono modellare più volte



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I polimeri

Termoplastici

Termoindurenti

modellazione per reticolazioneil materiale base è allo stato liquidonon si può rimodellare il materiale

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I polimeri

Termoplastici

Termoindurenti

Elastomeri

comportamento elastico dei modellisiliconi, gomme



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La vulcanizzazione

Lo zolfo crea un legame di saldatura forte fra le macromolecole della gomma naturale

72

Il processo di solidificazione

Volu

me

spec

ifico

Tg Tm

T °C



73

Il processo di solidificazioneVo

lum

e sp

ecifi

co

Tg Tm

T °C

Temperatura di transizione vetrosa

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Volu

me

spec

ifico

Tg Tm

T °C

Temperatura di fusione



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lum

e sp

ecifi

co

Tg Tm

T °C

Solido vetroso

76


Volu

me

spec

ifico

Tg Tm

T °C

Liquido visco-

elastico



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lum

e sp

ecifi

co

Tg Tm

Liquido viscoso

T °C

78


Volu

me

spec

ifico

Tg Tm

T °C

Termoplasticicristallini



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lum

e sp

ecifi

co

Tg Tm

T °C

Termoplasticiamorfi

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Requisiti per un materiale polimerico

Un polimero termoplastico amorfo

Tg < T esercizio



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Requisiti per un materiale polimerico

Un polimero termoplastico amorfo

Tg < T esercizio

Un polimero termoindurente

T esercizio < Tg rigidezzaT esercizio > Tg deformabilità

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Caratteristiche fisico – chimiche

Bassa densità (< 1 Kg/dm3)

Resistenza a trazione su valori (RM < 70 MPa)

Resistenza all’urto (21 ÷ 750 J/m)

Capacità di isolamento elettrico (15÷70 V/m)

Bassa T massima (50÷150 °C) eccetto il teflon (290°C)



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Sommario della lezione






Domande di riepilogo

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