Appunti per l'esame di Costruzione di macchine

Materiali per le costruzioni di macchine

Il materiale nella progettazione è parte stessa della progettazione. Il progettista disegna e calcola tenendo sempre presente che materiale usare e quindi esso influenza e condiziona tutte le fasi del progetto. Questo sembra un vincolo ma in realtà è una grande opportunità visti i grandi tipi di materiali che esistono. Noi useremo principalmente acciai, ne esistono una vastissima gamma con tantissimi tipi di leghe più o meno leggere (dal titanio al magnesio), o materiali polimerici e anche compositi ma questi due tipi non saranno trattati.

Scelta del materiale

La scelta del materiale dipende da molti fattori, ma è bene sempre tenere conto che in generale la scelta della soluzione costruttiva è sempre molto guidata dagli aspetti economici: il prodotto deve sì funzionare ma in primis deve costare poco. Quindi, la scelta del materiale dipende da:

• Costo sia del materiale che del processo di produzione;
• Processo tecnologico di realizzazione del componente;
• Tipi e intensità delle sollecitazioni a cui deve essere sottoposto;
• Collegamenti con altri componenti;
• Prescrizioni relative alla dismissione del prodotto: cioè pensare cosa sarà di quel prodotto quando arriverà il suo fine vita, questo è fondamentale da un punto di vista di impatto ambientale, che oggi è una tematica fondamentale.

Ricorda sempre che il processo di progettazione è un problema aperto, non esiste una soluzione sola ma molte, alcune migliori di altre ma dipende sempre dai contesti. Quindi quando progetto qualcosa, cioè un oggetto che realizza una funzione che è ciò da cui dobbiamo partire, abbiamo diversi fattori in gioco (trasmissione del calore, dismissione, resistenze ecc.), cioè la specifica tecnica, e poi passano da diversi altri fattori: questo oggetto dovrà avere una forma (shape) da ricavare con un processo produttivo (process) e potrà essere formato da più materiali e questi sono tutti collegati tra di loro. Non si tratta però di una sequenza (progetto, materiale, processo fine), il processo di progettazione tiene conto in parallelo di tutti questi fattori, è una continua iterazione tra i fattori.

Il comportamento del materiale è analizzabile a diversi ordini di grandezza, si comincia dalla scala atomica (non la nostra), a noi interessa il range tra parte metallurgica, che vedremo nello studio della fatica, fino a scala meccanica, specialmente per quanto concerne la parte dei provini e delle prove statiche. In generale, a noi il materiale interessa a livello macroscopico.

Ripasso concetti

Riprendiamo allora alcuni concetti già visti:

• Materiale duttile: lo sono quei materiali nei quali si possono generare grandi deformazioni, in particolare grandi deformazioni plastiche, senza provocare rotture. Ovviamente proseguendo la deformazione si arriva a rottura. A questa categoria appartengono gli acciai al carbonio per stampaggio ad esempio. Se un materiale è duttile e dotato di una buona resistenza allora viene detto tenace; i materiali variano il loro comportamento (da più o meno duttile) in funzione della temperatura a cui operano.
• Materiale fragile: sono quelli che arrivano a rottura senza deformazioni plastiche sensibili, quindi raggiungono lo snervamento e passano alla rottura con una deformazione plastica molto molto piccola. Sono solitamente caratterizzati da una bassa resistenza all'urto, un esempio è il vetro.

Rimanendo negli acciai, esistono sempre acciai molto molto duttili (quelli da stampaggio) ma anche acciai fragili, come quelli per le molle. All’aumentare della resistenza del materiale (con resistenza si intende sia snervamento che rottura) si passa da comportamento duttile a una fragile.

Dalle foto dei provini per prove di trazione (dopo la rottura) è possibile trovare una distinzione tra rotture fragili e rotture duttili. Quello che si nota è che gli acciai duttili hanno una ben visibile strizione vicino alla zona di rottura, cioè il provino si è deformato in maniera sensibile, l’area è fortemente ridotta fino al punto da non reggere il carico. Le rotture fragili invece non presentano strizione, i provini presentano strizioni incredibilmente piccole (non visibili senza strumentazione), inoltre anche dalla forma della superficie (più piana) è possibile risalire al tipo di materiale.

Il pendolo di Charpy serve a misurare la tenacità di un materiale, un provino di esso viene intagliato e investito da una specie di ascia. Misurando la differenza tra quota di partenza e arrivo del pendolo (dove l’arrivo non è dove colpisce il materiale ma dove si ferma dall’altro lato dell’oscillazione dopo aver rotto il materiale prima di scendere e tornare indietro) troviamo l’energia assorbita dal materiale e quindi la capacità di un materiale di assorbire energia da un urto prima di rompersi, un materiale tenace è un materiale duttile che gode di un'elevata resistenza.

I materiali più usati nelle costruzioni meccaniche sono sicuramente metalli e leghe metalliche, ma troviamo anche materiali ceramici, vetri, polimeri (plastiche), elastomeri (gomme) e legni anche se è più ambito di ingegneria civile. I materiali che appartengono alla stessa classe sono caratterizzati da proprietà, processi di fabbricazione e applicazioni simili.

Materiali metallici

Hanno una rigidezza tendenzialmente elevata, e una buona resistenza meccanica che ovviamente non sono gli stessi di sempre, negli ultimi anni gli acciai hanno subito delle migliorie da un punto di vista della resistenza meccanica veramente notevoli. Con resistenza meccanica si intende delle σ e delle τ, cioè delle capacità di un materiale di una certa area di resistere a un certo carico [N/mm² = Mpa]. La rigidezza è invece la capacità di un componente (più che di un materiale) di non deformarsi eccessivamente all’applicazione dei carichi, ricorda che la rigidezza dipende sì dal materiale ma ancora più dalla forma. I materiali metallici sono di media duttili e quindi lavorabili per deformazione plastica. Sono conduttori di calore e buoni conduttori elettrici, purtroppo hanno una forte sensibilità alla fatica (la fatica è il comportamento del materiale in seguito all’applicazione di carichi variabili nel tempo, è quindi il fenomeno della rottura di un materiale soggetto a carichi ciclici).

Molto affetti dalla corrosione soprattutto gli acciai e ciò è importante per applicazioni ad alte temperature, industria chimica e ambiti marini. Ma sono comunque dotati di alta resistenza alle alte temperature.

Materiali ceramici e vetri

Hanno rigidezza molto elevata, sono purtroppo molto fragili, sensibili alle tensioni di contatto (quindi è bene non avere piccoli elementi che premono contro superfici ceramiche) e agli intagli (variazioni importanti di geometria nel componente, come una piccola fessura nella superficie del componente, che può essere luogo di una concentrazione delle tensioni). Hanno una resistenza a compressione maggiore di quella a trazione, inoltre le caratteristiche del materiale sono disperse al suo interno. Resistono molto bene alle alte temperature, alta durezza e resistenti alla corrosione.

Polimeri e elastomeri

Bassa rigidezza, cioè lo stesso componente fatto di plastica e acciaio sottoposto allo stesso carico presenta deformazioni molto molto maggiori. Sono molto affetti dal creep anche a basse temperature (capacità di un materiale di deformarsi plasticamente per effetto di un carico inferiore a quello di snervamento se però tale carico rimane applicato per un lungo tempo). Il creep è un parametro di progetto molto importante, quando si verifica dipende anche ovviamente dalla temperatura a cui ci troviamo, nel caso degli elastomeri il creep succede anche a T ambiente.

Le proprietà meccaniche sono molto influenzate dalla temperatura (questo in tutti i materiali) e nei materiali polimerici le massime temperature raggiungibili sono sui 100°, ma ricorda che le proprietà degradano sempre all’aumentare della temperatura. I polimeri e gli elastomeri hanno proprietà stradipendenti dall'umidità e sono molto sensibili all’invecchiamento ovvero le caratteristiche meccaniche nel tempo degradano molto più velocemente rispetto ai metalli, e a differenza dei metalli le proprietà variano in range di T molto più piccoli. Hanno però ottimo rapporto resistenza/peso. Infine, sono facilmente lavorabili (si prestano molto molto bene allo stampaggio 3D la cui superficie dei prodotti è molto buona), hanno basso coefficiente di attrito e alta resistenza alla corrosione. Grazie alla facile lavorabilità in particolare per stampaggio questi materiali godono di un costo tendenzialmente basso.

Compositi

L’essenza del materiale composito sta nell’unione di due materiali: la fibra e la matrice. Le fibre sono sottili filamenti (per esempio in carbonio) che sono poi inglobati in una matrice. Esistono compositi a matrice polimerica, a matrice ceramica ecc. Il concetto è che si unisce una fibra realizzata con un materiale ad altissima resistenza normale (tipo un filo che regge a trazione ma non a flessione), inglobandolo in una matrice si ottiene un mattoncino. Più mattoncini formano una lamina, questa viene combinata con altre lamine in un laminato. I compositi hanno un rapporto resistenza/massa ottimo, ma anche il rapporto rigidezza/massa è alto (per questo si usa in competizione motoristiche e sugli aerei). Inoltre, il materiale composito regala un grado di libertà in più in quanto oltre che il componente devo anche progettare il materiale (per esempio sulla direzione delle fibre) per fargli avere le proprietà meccaniche desiderate, ovvero un comportamento molto poco isotropo.

Principali proprietà dei materiali

Le proprietà dei materiali sono molteplici, a noi interessano principalmente quelle meccaniche, in particolare:

• Il modulo di Elasticità (modulus of elasticity);
• La tensione di Snervamento (yield strength);
• La tensione di rottura (ultimate strength);
• Le proprietà a fatica (fatigue properties);
• Comportamenti ad alte temperature;
• Usura (wear).

Le proprietà termiche, ovvero:

• Conduttività;
• Calore specifico (specific heat);
• Dilatazione termica (coefficient of thermal expansion).

E le proprietà tecnologiche. In alcuni casi interessano anche le proprietà chimiche (vedasi la corrosione, ossidazione…) e quelle elettriche. Richiamiamo allora brevemente i materiali.

Ghisa

Largamente usato in passato, oggi rimpiazzato dall’acciaio. È una lega ferro-carbonio con alti contenuti di Carbonio tra il 2,5 e il 4,5%, può essere lavorata per fusione, e le sue caratteristiche meccaniche dipendono molto sia dal contenuto di C, ma anche dalla velocità di raffreddamento. Le più comuni e meno costose sono le ghise grigie ma possiedono scarse proprietà meccaniche. Alcuni tipi di ghise ultimamente sono tornate e stanno facendo concorrenza all’acciaio. Il suo costo è minore dell’acciaio ma è un materiale fragile, hanno alta resistenza alla corrosione, ha una resistenza a trazione inferiore di quella compressione e non è lavorabile per deformazione plastica. È però facilmente lavorabile alle macchine utensili, ma è difficilmente saldabile. Con le ghise si creavano molti basamenti, cioè le strutture e i telai delle macchine utensili in quanto questo materiale ha un’elevata capacità di smorzare le vibrazioni (a oggi però si usano altre tecniche a questo fine). Infine, è altamente resistente all’usura sia con l’accoppiamento ghisa-ghisa, che ghisa-acciaio. Impieghi tipici sono: basamenti motore (più in passato, oggi si realizzano in alluminio), testate di macchine alternative, pulegge, volani…

Acciaio: importantissimi sono i materiali che noi useremo di più

Quello a cui ruota attorno il corso. Nonostante le leghe leggere siano oggi a buon mercato, gli acciai continuano a essere molto utilizzati. Sono sempre leghe Fe-C ma con percentuali più basse (<1%), questo in quanto alte percentuali di carbonio portano gli acciai ad avere comportamenti più fragili, anche se il maggior tenore di carbonio aumenta la resistenza. Gli acciai dolci hanno basse percentuali di carbonio, in contrasto con gli acciai duri. Possono essere legati con altri elementi quali Ni, Cr, Mo anche in percentuale significativa al fine di aumentare la resistenza senza aumentare la fragilità. In generale la resistenza degli acciai spazza tra intervalli molto ampi (gli acciai dolci partono dai 100 Mpa, gli acciai duri arrivano fino ai 2500 Mpa). Le caratteristiche del materiale dipendono pesantemente dai trattamenti termici a cui il componente è sottoposto.

Tutti gli acciai hanno sostanzialmente lo stesso modulo di Young, E=210000 Mpa, è UGUALE PER TUTTI GLI ACCIAI gli inox lo hanno più basso, hanno densità ρ=7850 kg/m³ QUESTI NUMERI DEVI SAPERLI SEMPRE, SE NON LI SAI SEGHI. Il contenuto di C determina la massima durezza ottenibile, durezza che può essere poi aumentata ulteriormente con trattamenti termici (tempra o cementazione). La σ di Rottura va dai 200 ai 2500 Mpa.

Il seguente grafico (importante) è il grafico ingegneristico della tensione-deformazione. Esso mostra un confronto tra vari tipi di acciai (e ferro puro, che però non esiste), si ha sempre un primo tratto lineare elastico e poi la zona di plasticizzazione o snervamento poi si ha la zona di comportamento plastico, (che mi dà un comportamento non lineare tra tensione e deformazione e un comportamento plastico, per il quale se io arrivato a una certa deformazione tolgo il carico io non torno al punto iniziale riseguendo la curva a ritroso MA scarico con una curva parallela a quella del tratto elastico prima dello snervamento e il provino è deformato in modo irreversibile, se invece continuo a tirare vedo che il mio materiale arriva alla rottura definitiva) che può essere anche più o meno ampia. Gli acciai al carbonio traslano verso l’alto la curva del ferro puro, hanno una zona di deformazione plastica sempre molto ampia. Passando ad acciai con resistenza più alta si nota che la Tensione di Snervamento e rottura diventano più alte, ma si riducono le deformazioni prima della rottura, quindi vediamo che la resistenza aumenta sempre di più ma si riduce molto la duttilità in quanto la zona a comportamento plastico è più piccola.

Un altro aspetto importante è che la pendenza di queste curve è sempre la stessa in quanto è legata SOLO al modulo di Young o elasticità sigma= E*epsilon (costante per quasi tutti gli acciai), questa cosa diventerà importante quando faremo la distinzione tra verifiche di resistenza (cioè che la sollecitazione massima non superi un valore ammissibile= tensione snervamento/rottura diviso coefficiente di sicurezza) e di rigidezza (ovvero una verifica che la struttura abbia una rigidezza sufficiente ovvero che non subisca deformazioni eccessive, perché all’applicazione del carico, si hanno delle situazioni pericolose, esiste infatti ad esempio per le braccia di una gru un valore limite della freccia ovvero dello spostamento massimo del punto di applicazione del carico, la freccia in una struttura ricorda dipende da (data una trave incastrata a cui applico il carico di taglio) La forza applicata e al cubo della lunghezza della trave (entrambe a numeratore) al modulo di Young e al momento di inerzia della sezione (a denominatore) tutto per un coefficiente f=c(F*L³/E*I) la freccia non dipende dalla resistenza del materiale ma solo da E ecco perché è importante la pendenza del tratto elastico, perché se progetto una struttura a rigidezza, che non voglio si deformi troppo in acciaio il parametro guida è il modulo di Young, che è uguale per tutti, quindi per una struttura di questo tipo Non serve prendere acciai ad elevata resistenza di snervamento, anzi meglio prenderne uno a resistenza più bassa poiché costa meno ed ha possibilità di deformazione plastica maggiore nel caso che malauguratamente si raggiunga lo snervamento prima di rompersi si deforma molto ampiamente ciò mi permette di accorgermi che ci sia qualcosa che non va prima della fatalità).

La verifica a rigidezza è molto più stringente della resistenza, quando verifico la rigidezza verifico automaticamente anche la resistenza. Nel 99% una struttura verificata a rigidezza solitamente si trova verificata anche a resistenza e resiste anche a materiale a bassa resistenza, ecco che non serve usare un materiale altoresistente. Gli acciai sono classificabili attraverso varie metodologie: in base alle caratteristiche meccaniche, quella che noi usiamo di più o alla composizione chimica. Una designazione in base all’impiego e alle caratteristiche utilizza una lettera (la più comune è la S cioè gli acciai da costruzione che noi usiamo principalmente), seguiti da un numero (che indica il carico di snervamento minimo in Mpa) e due lettere che esprimono le caratteristiche.