Appunti I esonero Tecnologia Meccanica 2 (TM2)

Indice

Acciai inossidabili ........................................................................................... 5

1.1 Composizione degli acciai inox ............................................................................................................... 5

1.2 Corrosione degli acciai inox .................................................................................................................... 5

1.2.1 Corrosione uniforme ........................................................................................................................ 6

1.2.2 Corrosione galvanica ........................................................................................................................ 6

1.2.3 Corrosione per vaiolatura ................................................................................................................ 6

1.2.4 Corrosione interstiziale .................................................................................................................... 6

1.2.5 Corrosione intergranulare ................................................................................................................ 6

1.2.6 Corrosione sotto tensione ............................................................................................................... 7

1.2.7 Corrosione a caldo ........................................................................................................................... 7

1.3 Leghe Ferro-Cromo ................................................................................................................................. 7

1.4 Classificazione degli acciai inox .............................................................................................................. 8

1.4.1 Acciai inossidabili ferritici (Fe-Cr) ..................................................................................................... 8

1.4.2 Acciai inossidabili martensitici (Fe-Cr-C) .......................................................................................... 9

1.4.3 Acciai inossidabili austenitici (Fe-Ni-Cr) ......................................................................................... 12

Alluminio e leghe di alluminio ....................................................................... 14

2.1 Alluminio ............................................................................................................................................... 14

2.2 Leghe di alluminio ................................................................................................................................. 14

2.3 Classificazione delle leghe di alluminio ................................................................................................ 17

2.3.1 Leghe da deformazione plastica .................................................................................................... 17

2.3.1.1 Leghe da deformazione plastica per incrudimento ............................................................... 18

2.3.1.2 Leghe da deformazione plastica trattabili termicamente ...................................................... 19

2.3.2 Leghe da fonderia .......................................................................................................................... 20

Materiali polimerici ...................................................................................... 21

3.1 Struttura dei materiali polimerici ......................................................................................................... 21

3.2 Comportamento sforzo-deformazione dei materiali polimerici .......................................................... 25

3.3 Lavorazioni dei materiali polimerici ..................................................................................................... 29

3.3.1 Estrusione ....................................................................................................................................... 29

3.3.2 Stampaggio a iniezione (injection molding) ................................................................................... 32

3.3.3 Stampaggio mediante soffiatura ................................................................................................... 33

3.3.4 Stampaggio rotazionale ................................................................................................................. 34

3.3.5 Termoformatura ............................................................................................................................ 35

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3.3.6 Stampaggio a compressione .......................................................................................................... 36

3.3.7 Stampaggio a trasferimento di resina ............................................................................................ 36

3.3.8 Colata ............................................................................................................................................. 37

3.3.9 Stampaggio di espansi (di schiuma) ............................................................................................... 38

3.3.10 Formatura a freddo e formatura in fase solida ........................................................................... 39

3.4 Lavorazione degli elastomeri termoplastici ......................................................................................... 39

Materiali ceramici ........................................................................................ 41

4.1 Caratteristiche dei materiali ceramici .................................................................................................. 41

4.2 Struttura dei materiali ceramici ............................................................................................................ 41

4.2.1 Allumina ......................................................................................................................................... 42

4.2.2 Zirconia ........................................................................................................................................... 43

4.2.3 Carburi ............................................................................................................................................ 43

4.2.4 Nitruri ............................................................................................................................................. 43

4.2.5 Cermet ............................................................................................................................................ 44

4.2.6 Silice ............................................................................................................................................... 44

4.2.7 Nanoceramici ................................................................................................................................. 44

4.3 Proprietà dei materiali ceramici ........................................................................................................... 44

4.4 Applicazioni dei materiali ceramici ....................................................................................................... 46

4.5 Formatura dei materiali ceramici ......................................................................................................... 46

4.5.1 Formatura in umido - Colata di una sospensione .......................................................................... 47

4.5.2 Formatura plastica – Colata a nastro e Colata su carta ................................................................. 49

4.5.3 Formatura plastica – Estrusione .................................................................................................... 49

4.5.4 Formatura plastica – Foggiatura con modene ............................................................................... 50

4.5.5 Formatura plastica – Stampaggio a iniezione ................................................................................ 50

4.5.6 Formatura per compressione – Pressatura ................................................................................... 51

4.5.6.1 Pressatura uniassiale a secco e in umido ............................................................................... 52

4.5.6.2 Pressatura isostatica a freddo e a caldo ................................................................................ 53

4.5.7 Essiccamento e cottura .................................................................................................................. 53

Materiali ceramici: vetri ............................................................................... 55

5.1 Struttura, proprietà e applicazioni ....................................................................................................... 55

5.2 Formatura del vetro .............................................................................................................................. 56

5.2.1 Formatura – Produzione di lastre piane ........................................................................................ 57

5.2.2 Formatura – Produzione di tubi e fibre ......................................................................................... 58

5.2.3 Formatura – Produzione di oggetti di vetro discreti ...................................................................... 59

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5.3 Tecniche per il trattamento del vetro .................................................................................................. 60

Materiali compositi ...................................................................................... 61

6.1 Struttura, classificazione e proprietà dei materiali compositi ............................................................. 61

6.2 Compositi a matrice plastica (o polimerica) ......................................................................................... 67

6.3 Compositi a matrice metallica (MMC) .................................................................................................. 67

6.4 Compositi a matrice ceramica (CMC) ................................................................................................... 68

6.5 Formatura compositi a matrice metallica ............................................................................................ 70

6.6 Formatura compositi a matrice ceramica ............................................................................................ 71

6.7 Formatura compositi a matrice polimerica .......................................................................................... 72

6.7.1 Formatura per avvolgimento (Filament Winding) ......................................................................... 74

6.7.2 Pultrusione ..................................................................................................................................... 76

6.7.3 Stampaggio in stampo aperto e chiuso ......................................................................................... 78

6.7.3.1 Stampaggio in stampo aperto ................................................................................................ 78

6.7.3.1.1 Stampaggio in stampo aperto in umido - Wet lay-up (Hand/Spray lay-up) ..................... 78

6.7.3.1.2 Stampaggio in stampo aperto a secco – Dry lay-up (Vacuum/Pressure bag forming) ..... 79

6.7.3.2 Stampaggio in stampo chiuso ................................................................................................ 80

6.7.3.2.1 Stampaggio in stampo chiuso per compressione ........................................................... 81

6.7.3.3 Stampaggio in stampo aperto/chiuso per infusione .............................................................. 82

6.7.3.3.1 RTM - Resin Transfer Molding ......................................................................................... 82

6.7.3.3.2 VaRTM – Vacuum Resin Transfer Molding ...................................................................... 85

6.7.3.3.3 RFI – Resin Film Infusion ................................................................................................. 86

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Acciai inossidabili

1.1 Composizione degli acciai inox

Gli acciai inossidabili rappresentano circa il 2% della produzione complessiva degli acciai e sono leghe a base di ferro resistenti ad un gran numero di ambienti corrosivi in un vasto range di temperature.

L’elemento indispensabile affinché un acciaio si possa definire inossidabile è il Cr che deve essere presente almeno al 12% fino ad un massimo del 30%.

Tra i principali tipi di acciai, per ordine crescente di resistenza, troviamo: i ferritici α (Fe-Cr), i martensitici (Fe-Cr-C), gli austenitici γ (Fe-Ni-Cr), gli acciai duplex α+γ, gli acciai induriti per precipitazione e i super ferritici e super austenitici.

Gli acciai inossidabili sono particolarmente resistenti sia alla corrosione in umido (corrosione elettrochimica) sia all’ossidazione a caldo (corrosione chimica); grazie alla presenza di cromo sulla superficie dell’acciaio si crea uno strato di ossido/idrossido di cromo (1-10 nm) che protegge il metallo dalla corrosione, quindi, contrariamente a quello che si potrebbe pensare, sono acciai che si ossidano facilmente ma con la differenza che lo strato ossidato rimane attaccato all’acciaio.

Affinché si crei lo strato ossidato è necessario che l’acciaio sia in contatto con mezzi ossidanti o debolmente ossidanti (aria), in caso contrario il contatto con mezzi riducenti (acidi in cui non è presente l’ossigeno) distrugge lo strato di ossido rendendo l’acciaio inox simile agli altri acciai.

Agli acciai inox si aggiungono spesso altri elementi quali:

• Nichel (fino al 25%) che stabilizza la fase γ e favorisce la ripassivazione dell’acciaio (se lo strato di ossido si distrugge viene rigenerato) e quindi migliora la resistenza alla corrosione; in opportune concentrazioni si ottiene una struttura completamente austenitica a T ambiente che risulta essere più duttile e tenace anche a temperature criogeniche;
• Molibdeno (fino al 9%) che migliora la resistenza a corrosione da cloruri fino ad 800°C circa superati i quali si possono formare ossidi basso-fondenti, quindi è ottimo per le zone “bagnate” tipo porti, coste o strade di montagna spesso innevate;
• Alluminio e Silicio che migliorano la resistenza alla scagliatura (distacco totale dello strato di ossido dalla superficie dell’acciaio) ad alta temperatura;
• Titanio e Niobio (<1%) che formano dei carburi ed evitano che il carbonio si combini con il cromo.

1.2 Corrosione degli acciai inox

Gli acciai inox non sono sempre la scelta migliore rispetto all’acciaio al carbonio perché possono essere soggetti a attacchi localizzati con una corrosione non sempre visibile di cui il principale colpevole è il cloro.

I principali tipi di corrosione degli acciai inox sono:

• 1. Corrosione uniforme elettrochimica
• 2. Corrosione galvanica elettrochimica
• 3. Corrosione per vaiolatura (pitting corrosion) elettrochimica
• 4. Corrosione interstiziale elettrochimica
• 5. Corrosione intergranulare o intercristallina (detta anche decadimento da saldatura) elettrochimica
• 6. Corrosione sotto tensione (Stress Corrosion SCC) elettrochimica
• 7. Corrosione a caldo chimica

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1.2.1 Corrosione uniforme

La corrosione uniforme consiste in un attacco progressivo e costante nel tempo di tutta la superficie esposta di un materiale immerso in un determinato ambiente; è il tipo di corrosione meno pericoloso in quanto è possibile stimare abbastanza precisamente la perdita in peso di materiale e quindi per questa corrosione gli acciai inox hanno una valida resistenza in diversi ambienti.

1.2.2 Corrosione galvanica

La corrosione galvanica consiste nella formazione di zone anodiche (dove avviene l’ossidazione del ferro) e catodiche (dove avviene la riduzione del ferro) ben distinte originate dalla presenza di fasi strutturali diverse o dalla presenza di due o più tipologie di materiali: il materiale più anodico è attaccato più facilmente di quello catodico specialmente se il rapporto tra superficie catodica e superficie anodica è molto elevato.

1.2.3 Corrosione per vaiolatura

La corrosione per vaiolatura (pitting corrosion) è particolarmente pericolosa dato che agisce in profondità su aree molto ristrette, quindi difficile da notare, e può essere di tipo penetrante o di tipo cavernoso; si verifica principalmente nelle zone della superficie dove è più difficile instaurare una condizione di passività stabile e dove nella matrice si ha una diminuzione delle capacità di passivazione.

In genere l’ambiente in cui si verifica tale corrosione è costituito da soluzioni a debole carattere ossidante e contenenti ioni Cl^- o Br^-.

Elementi come l’azoto, il cromo, il molibdeno e il nichel aumentano la resistenza dell’acciaio a questo tipo di corrosione mentre altri elementi come carbonio, zolfo e selenio la diminuiscono.

1.2.4 Corrosione interstiziale

La corrosione interstiziale è un tipo di corrosione localizzata e può insorgere quando la superficie presenta degli interstizi tra due superfici metalliche accoppiate.

Tra i fattori che influenzano questo tipo di corrosione troviamo il tipo di interstizio (metallo-metallo, metallo-non metallo, metallo-deposito), la geometria dell’interstizio, la composizione della soluzione con la quale viene a contatto l’interstizio e la composizione dell’interstizio stesso e il trasporto della massa all’interno o all’esterno del meato che può avvenire per migrazione, per diffusione o per convezione.

1.2.5 Corrosione intergranulare

La corrosione intergranulare è un tipo di corrosione selettivo che si verifica in caso di saldatura e aggredisce i bordi dei grani di acciai che risultano sensibilizzati; a seguito del riscaldamento dell’acciaio a determinati range di temperatura (450-800°C) per un tempo sufficiente si verifica un impoverimento di Cr sui bordi del grano che scende sotto il limite di passivazione del 12% per la formazione di carburi di cromo e quindi ciascun grano si stacca dagli altri e viene asportato facilmente poiché si vengono a formare zone catodiche (interno dei corpi dei grani) e zone anodiche (zone impoverite di cromo adiacenti al bordo del grano).

Per migliorare la resistenza alla corrosione intergranulare si può: aumentare la percentuale iniziale di cromo, si possono inserire nell’acciaio altri elementi come titanio e niobio che creano dei carburi che vanno a precipitare al posto del cromo evitando