Guida completa ai materiali: categorie, proprietà e applicazioni

Categorie di materiali

I materiali a disposizione per realizzare prodotti finiti sono numerosi, dal punto di vista della composizione si possono suddividere in tre categorie.

Materiali naturali: sono quelli che vengono utilizzati così come si trovano in natura (pietre, sabbia, legna e lana)

Materiali naturali modificati: sono quelli che conservano inalterata la loro composizione interna ma sono particolarmente trasformati dall'uomo, nella forma e nelle caratteristiche (legno compensato, pelle conciata lana tessuto).

Materiali artificiali: sono quelli la cui composizione è completamente nuova perché ottenuta attraverso particolari processi di trasformazione (leghe metalliche, cemento, plastica, gomma).

Materiali per l'industria meccanica

I materiali che interessano l'industria meccanica si dividono in quattro categorie

Metalli: essi sono solidi a temperatura ambiente (eccetto il mercurio), sono buoni conduttori di calore e di elettricità, resistenti a sollecitazioni esterne, per esempio ferro, argento, oro, zinco, e piombo.

Non metalli: si trovano sia allo stato solido che gassoso, sono cattivi conduttori di calore e di elettricità. Sono non metalli il carbonio, lo zolfo, l'ossigeno, il silicio e l'azoto.

Leghe metalliche: una lega metallica è costituita mediante l'unione di due o più elementi, almeno uno dei quali è un metallo o anche entrambi esse presentano delle caratteristiche migliori degli elementi di partenza; per esempio ottone (rame e zinco); un esempio di lega composta da un metallo e un non metallo è l'acciaio. L'acciaio è costituito da un metallo (ferro) e un non metallo (carbonio).

I miscugli: sono costituiti dalla miscela di più elementi ciascuno dei quali conserva le caratteristiche originali; calcestruzzo (cemento, sabbia e ghiaia).

Proprietà e trasformazione dei materiali

Nella scelta del materiale da utilizzare per costruire un oggetto occorre considerare i seguenti fattori:

Proprietà: sono caratteristiche di ogni materiale e devono garantire la funzionalità dell'oggetto.

Trasformazione: servono a soddisfare le esigenze del progetto;

Costo: deve essere in rapporto col prodotto.
Tutti i materiali hanno delle proprietà caratteristiche che li differenziano notevolmente. La conoscenza di queste caratteristiche consente di utilizzare il materiale nel migliore dei modi e nelle specifiche applicazioni. Le proprietà dei materiali possono essere così classificate:

Chimiche: riguardano la composizione chimica del materiale e la sua struttura interna (sono oggetto di studio di altre discipline)

Fisiche: riguardano le caratteristiche legate alla natura stessa del materiale e al suo comportamento in relazione agli agenti esterni, quali calore, la gravità, e l'elettricità.

Meccaniche: si riferiscono alla capacità del materiale di resistere alle sollecitazioni a cui viene sottoposto durante il suo impiego, come pressione, trazione, flessione compressione urti e taglio.

Tecnologiche: rappresentano l'attitudine del materiale a essere trasformato mediante lavorazione.

Temperatura di fusione dei materiali

Si definisce la temperatura alla quale un materiale passa dallo stato solido a quello liquido.

In base a questa caratteristica i materiali si dividono nelle seguenti categorie:

Refrattarie: sono quelli per i quali la temperatura di fusione risulta superiore a 2000°C (leghe metalliche speciali, ceramiche).

Normali: i materiali con temperature di fusione compresa fra i 500 e i 2000°C (ferro, ghisa, acciaio, rame, alluminio).

Basso fondenti: materiali con temperatura di fusione inferire a 500°C (piombo, stagno).

Materiale Tf

Acciaio 1500

Cromo 1800

Alluminio 658

Ghisa 1300

Argento 960

Ferro 1520

Bronzo 950

Oro 1063

Resistenza meccanica dei materiali

Si definisce proprietà meccanica di un materiale la resistenza alle azioni provocate dalle forze esterne che tendono a deformarlo. Queste forze si possono definire:
Forze statiche: sono forze applicate in modo costante o variano lentamente nel tempo (macchine di sollevamento).

Forze dinamiche: sono forze applicate in tempi brevi (minore di 0,1 secondi, forze d'urto) per esempio: martellatura all'incudine.

Forze periodiche: sono variabili periodicamente con un andamento che si ripete costantemente nel tempo e con frequenza elevata; per esempio forze applicate alla biella del motore.

Forze concentrate: sono forze applicate in zone ristrette o puntiformi; per esempio scalpellatura, bulinatura.

Forze di attrito: si manifestano tra la superfici di contatto di due corpi mobili.

Tipi di sollecitazioni: applicate ad un albero dalle forze esterne.

Trazione: le forze, applicate esternamente, sono dirette lungo l'asse del corpo e tendono ad allungarlo.

Compressione: sono dirette lungo l'asse del corpo e tendono ad accorciarlo.

Flessione: le forze agiscono su un piano perpendicolare all'asse principale e tendono a flettere il corpo, cioè a piegarlo.

Torsione: le forze agiscono su un piano perpendicolare all'asse del corpo e tendono a torcerlo.

Taglio: le forze agiscono in direzione perpendicolare all'asse e tendono a dividere due sezioni trasversali.

Proprietà tecnologiche dei materiali

Le proprietà tecnologiche definiscono l'attitudine dei materiali a essere trasformati mediante lavorazioni.

Le più importanti sono: fusibilità, saldabilità, truciolabilità, plasticità, malleabilità, duttilità, piegabilità, estrudibilità.

Fusibilità: è l'attitudine di un materiale a essere colato allo stato liquido dentro una forma per ottenere un oggetto di fusione.

Saldabilità: la capacità di un materiale ad unirsi facilmente con un altro, di uguale o diversa natura.

Truciolabilità: la capacità di un materiale a subire lavorazioni con asportazioni di trucioli, mediante l'uso di utensili.

Plasticità: è la proprietà che manifestano alcuni materiali di deformarsi perfettamente, senza screpolarsi o rompersi.

Malleabilità: l'attitudine di un materiale, a caldo o a freddo, a lasciarsi ridurre in lamine senza rompersi.

Duttilità: è la proprietà di un materiale a lasciarsi ridurre in fili, senza rompersi.

Piegabilità: è la proprietà di alcuni materiali a subire operazioni di piegatura senza rompersi o screpolarsi. Sono facilmente piegabili gli acciai dolci, e in generale tutti i materiali malleabili.

Estrudibilità: è l'attitudine di un materiale ad assumere forme determinate se costretto a passare (per spinta) attraverso un foro sagomato.