Appunti Costruzione di macchine

Materiali per le costruzioni meccaniche

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 presente 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;
• 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 a cosa e sarà di quel prodotto quando arriverà il suo fine vita;
• ...

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, abbiamo diversi fattori in gioco (trasmissione del calore, dismissione, resistenze ecc.), cioè la specifica tecnica; questo oggetto dovrà avere una forma da ricavare con un processo produttivo e potrà essere formato da più materiali. 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, 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;
• 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. Gli acciai per molle, infatti, hanno alti carichi di snervamento.

Dalle foto dei provini per prove di trazione è possibile trovare una distinzione tra rotture fragili e rotture duttili. Quello che si nota è che gli acciai duttili hanno una ben visibile una 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 troviamo l'energia assorbita dal materiale.

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. 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). Risentono molto della corrosione e ciò è importante per applicazioni ad alte temperature, industria chimica e ambiti marini.

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). 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. 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. 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.

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 competizioni 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.

Ghisa

Largamente usato in passato, oggi rimpiazzato dall'acciaio. È una lega ferro-carbonio con alti contenuti di carbonio, 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, ha una resistenza a trazione inferiore di quella a 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). 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

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. 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. In generale la resistenza degli acciai spazia 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 e una densità ρ=7800 kg/m³.

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 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. Un altro aspetto importante è che la pendenza di queste curve è sempre la stessa in quanto è legata al modulo di Young (costante per quasi tutti gli acciai), questa cosa diventerà importante quando faremo la distinzione tra verifiche di resistenza e di rigidezza.

Gli acciai sono classificabili attraverso varie metodologie: in base alle caratteristiche meccaniche 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), seguita da un numero (che indica il carico di snervamento minimo in MPa) e due lettere che esprimono le caratteristiche di resilienza e la temperatura della prova di resilienza (Pendolo di Charpy).

L'altra designazione è quella in base alla composizione chimica. Qua la classificazione varia in funzione del tipo di acciaio: per acciai non legati si ha una lettera C seguita dalla percentuale di carbonio moltiplicata per 100. Ci sono poi gli acciai bassolegati, definiti come gli acciai dove si trovano in percentuale significativa altri elementi ma comunque inferiori al 5%, in questo caso si pone sempre a percentuale di C moltiplicata per 100 e poi gli altri elementi di lega, partendo da quello in tenore maggiore, ognuno moltiplicato per un proprio valore (Es. 13CrMo4-5 è un acciaio bassolegato costituito da 0,13 di Carbonio, la C è omessa nei bassolegati, 1% Cr (4/4) e 0,5% Mo (5/10)). Ci sono poi i fortemente legati, che sono i restanti, ovvero quelli che presentano elementi di lega con percentuali superiori al 5%, si indicano con la lettera X seguita dalla percentuale di C moltiplicata per 100 e poi come prima.

Gli acciai rapidi sono acciai legati al modo delle lavorazioni meccaniche, ormai in disuso grazie all'introduzione delle placchette, nei casi di asportazione di truciolo alle alte velocità. La designazione non è univoca, paese che vai tradizione che trovi, in Europa si usa quella appena spiegata ma in America si usa la AISI, SAE. Esistono quindi tabelle di conversione anche se non sempre c'è la corrispondenza 1 a 1.

In questa tabella si è cercato di riassumere i concetti fondamentali circa i trattamenti termici più importanti. Cementazione e Nitrurazione sono tecniche diverse con lo stesso scopo (indurimento superficiale). Ovviamente non devi impararti a memoria i numeri, le temperature, le tempistiche, ma almeno avere un'idea di cosa sia una tempra sì. Non ti verrà chiesto all'esame ma devi saperlo per la vita in generale.

In conclusione, l'acciaio è ben reperibile in commercio, è ben riciclabile pur essendo costoso a causa dell'alta temperatura di fusione, è un materiale a relativamente basso costo anche se l'alta resistenza la paghi. Può essere ottenuto in svariate forme e dimensioni, ma non si presta all'utilizzo per fusione, viceversa si lavora bene per deformazione plastica (caldo/freddo), è saldabile (tranne gli Inox), per asportazione di truciolo e così via. Lo svantaggio è la densità elevata, un componente in acciaio pesa molto.

Leghe leggere

Per esempio, le leghe di alluminio hanno ρ=2800 kg/m³ (un terzo di quello degli acciai) e E=72000 MPa, infatti il rapporto densità/modulo di Young è analogo a quello degli acciai. Ha buon rapporto resistenza/peso, buona conducibilità elettrica e termica (usato molto per impianti di riscaldamento, prima si usava la ghisa). L'alluminio è ben colabile (si presta bene a fusione e pressofusione), rispetto agli acciai ha un minor punto di fusione però ha un elevato ritiro termico, quindi lo stampo dovrà essere ben più grande del pezzo richiesto. Si presta molto meglio alle lavorazioni, ha un'alta resistenza alla corrosione in quanto la corrosione superficiale crea una patina che genera poi una passivazione quindi questo strato di "ruggine" protegge il materiale sottostante. Non è facilmente saldabile e ha costi di produzione maggiori degli acciai. Alcune applicazioni comprendono il campo motoristico, carter, scocche di autoveicoli, telai di biciclette e tanti componenti dove ha sostituito l'acciaio, anche se è stato a sua volta rimpiazzato da materiali compositi come il nylon.

Le altre leghe leggere che è bene esaminare sono le leghe di magnesio, utilizzate in ambito aerospaziale e competizioni sono molto leggere (ρ=1800 kg/m³) e hanno una media resistenza (σR=200-300 MPa). Hanno il vantaggio di avere un rapporto resistenza peso molto molto elevato. Sono costosi e difficilmente lavorabili in quanto facilmente infiammabili. Non sono molto saldabili e le loro caratteristiche meccaniche decadono alle alte temperature.

Discorso analogo ma con maggiori applicazioni è quello del titanio, ha alte caratteristiche meccaniche (paragonabili a quelle dell'acciaio se non maggiori). Si usa in bulloneria per esempio. Ha una ρ=4500 kg/m³ e una E=120000 MPa, σR=1200 MPa. Ben utilizzabile anche per componenti elastici. La lega leggera costa circa tre quattro volte in più rispetto all'acciaio (che costa circa un euro al kg).

Ultimo cenno va al rame, usato come conduttore per esempio nei fili degli impianti elettrici, è usato anche in ambito edile per i tubi delle grondaie. Il rame non ha importanza tanto come elemento puro ma grazie alle leghe del bronzo (rame e stagno) e dell'ottone. Il bronzo era usato in passato per realizzare le bronzine (cuscinetti di strisciamento) grazie al bassissimo coefficiente di attrito quando è accoppiato con l'acciaio, σR=400-480 MPa. Gli ottoni sono leghe rame-zinco. È un ottimo conduttore elettrico e termico, scarso rapporto resistenza peso, ma resiste bene alla corrosione grazie alla prima patina che si forma in superficie che protegge il materiale sottostante.