Appunti di Comportamento Meccanico dei Materiali

Appunti di comportamentomeccanico dei materiali

Ipotesi sulla natura dei materiali

Normalmente la progettazione che abbiamo fatto fino ad ora si basa su alcune ipotesi sul materiale:

• Continuo – non ci sono buchi o spazi vuoti
• Omogeneo – identiche proprietà in tutti i punti
• Isotropo – identiche proprietà in tutte le direzioni
• Campo elastico

Se però il materiale non rispetta queste ipotesi, i calcoli che abbiamo imparato a fare non funzionano; inoltre, queste considerazioni sono vere fin tanto che si rimane nel campo macroscopico. Infatti, un materiale (in fig. acciaio), che macroscopicamente soddisfa tutte queste ipotesi/proprietà, appena si scende a una scala microscopica non è più in grado di rispettarle, ossia non è più continuo (causa dei difetti, cioè cricche e piccole discontinuità), né omogeneo ed isotropo (essendo fatto di grandi cristallini aggregati fra loro ognuno con un'orientazione diversa, la microstruttura non può essere considerata omogenea ed isotropa, solo il singolo grano può essere considerato omogeneo ed isotropo. A livello macroscopico, invece, se i grani sono tantissimi il materiale può essere considerato isotropo, perché qualunque sia la direzione di applicazione della forza si avrà sempre la stessa percentuale di grani allineati con la direzione della forza).

Il diverso comportamento del materiale a livello macroscopico e microscopico si riflette anche su proprietà meccaniche e sulla loro misura (ad es. durezza e micro-durezza, la Michel, che è sostanzialmente diversa dalla durezza Brinnell dove si prende un campione grande del materiale, infatti si fa un test su campione molto molto piccolo. Chiaramente il vantaggio della misura della durezza Michel è che non è distruttiva, tuttavia saranno necessarie più misure dello stesso campione perché proprio a causa della variabilità della microstruttura del materiale questa sarà diversa da punto a punto e sarà necessaria una misura media).

Scala macroscopia e microscopia

Scala macroscopia: materiali ingegneristici quali Fe, Al, etc. appaiono continui, omogenei ed isotropi.

Scala microscopia: metalli quali Fe e Al sono costituiti da un aggregato di grani cristallini che hanno proprietà diverse in differenti direzioni cristallografiche.

In generale, quindi, tutta la progettazione si basa su delle ipotesi il cui rispetto deve essere verificato, pertanto si dovrà distinguere il livello di scala considerato, poiché a seconda del livello di scala cambia il tipo di approccio e di ragionamento utilizzato. Esiste una gerarchia dalla scala atomica fino alla struttura cioè l’insieme di più componenti: in ordine decrescente di dimensioni: struttura, un componente, se componente osservato al microscopio si ha la microstruttura, cioè si osservano le proprietà del materiale indipendentemente dalla forma del componente, scendendo ulteriormente si arriva agli atomi, ed infine alla cella elementare.

Gli attuali metodi di progettazione si basano sul livello macroscopico e trattano il materiale soltanto come un processo di selezione, ossia scegliere il miglior materiale per la particolare applicazione ma non ci si pone il problema di come si fa a creare il materiale che soddisfa determinate proprietà (fatta eccezione per i compositi, dove si progetta il materiale e quindi non si può ragionare solo a livello di componente).

Livelli di scala e punti di vista

Come si vede anche per le difettosità e la rottura si hanno valori diversi a seconda della diversa scala, tuttavia la tematica è la stessa: ossia la struttura può rompersi a causa della rottura di un componente, ma la rottura di un componente non sempre comporta il collasso della struttura (se ci sono altri componenti che reggono il carico); mentre la rottura di un componente può dipendere da difettosità iniziali (es. difetti del processo di produzione, oppure un materiale di partenza “sporco” cioè contenente impurità, oppure porosità ad esempio per velocità eccessiva di raffreddamento nella fusione). In altre parole, le difettosità o le rotture sono la stessa cosa a seconda del livello di scala considerato.

Comportamento dei materiali

Quello che ci interessa è il comportamento dei materiali da un punto di vista meccanico, ma da cosa dipende? Come noto dal corso di costruzioni di macchine, il comportamento di un componente dipende dalla progettazione che sta dietro alla sua realizzazione ma, perché sia possibile eseguire un'appropriata progettazione è necessario conoscere le proprietà dei materiali che si intende utilizzare, e tali proprietà dovranno essere quanto più adeguate al particolare utilizzo. Infatti, sono le proprietà stesse del materiale a determinare il suo comportamento e, in particolare, i principali fattori che determinano le proprietà del materiale e quindi il suo comportamento meccanico sono:

• La composizione e il tipo di legame chimico: questi due fattori determinano già alcune proprietà che difficilmente possono essere modificate, come la densità del materiale (infatti questa dipende sostanzialmente dal peso atomico, che è determinato dagli elementi chimici che compongono il materiale, e questi non possono essere modificati). Un’altra grandezza che è difficilmente modificabile è il modulo di elasticità, infatti acciai a basso contenuto di carbonio, acciaio per molle, etc. hanno tutti lo stesso modulo di elasticità perché E dipende fortemente dal tipo di legame chimico e composizione del materiale. Il modulo di elasticità, difatti, è modificabile solamente aggiungendo altri elementi (realizzando quindi una lega) ossia cambiando la composizione chimica del materiale.
• La microstruttura che si realizza al momento della produzione: a differenza del caso precedente in cui le proprietà determinate da composizione e legame chimico sono difficilmente modificabili, le proprietà determinate dalla microstruttura possono essere modificate attraverso opportuni trattamenti termici (acciaio ferritico, oppure bainitico o martensitico; quindi in questo caso si può intervenire facilmente).
• I processi di lavorazione successivi: i processi di lavorazione influenzano fortemente le proprietà del materiale (non del componente), infatti il materiale si può incrudire se realizzato per deformazione plastica e l’incrudimento modifica le proprietà del materiale (l’incrudimento può essere voluto quando si cerca di aumentare la resistenza – oppure non voluto poiché l’incrudimento oltre a determinare un aumento di resistenza determina anche un aumento di fragilità).
• La modalità di impiego (forza, temperatura, condizioni ambientali): per esempio un materiale come l’acciaio si può rompere in modo fragile, cioè con rottura senza deformazione plastica e quindi improvvisa. Si, quando ci sono determinate condizioni di impiego particolarmente penalizzanti. Se per esempio un materiale si rompe nella prova di trazione alla deformazione a rottura del 15% è duttile o fragile? Verrebbe da dire abbastanza duttile ma non troppo (si può lavorare per deformazione plastica); tuttavia questa non è una condizione necessaria e sufficiente per dire che sia sempre duttile ma, solamente duttile in condizioni normali. Infatti, la condizione per dire se un materiale è duttile o meno è la prova di resilienza perché in questa prova si creano appositamente tutte le condizioni che fanno sì che un materiale duttile si possa rompere in modo fragile, cioè le condizioni che a livello microscopico impediscono le deformazioni plastiche (se si impediscono le deformazioni plastiche questo non si deforma) e quindi si tratta di un urto. Perché le deformazioni plastiche sono movimenti ideali, cioè sono veloci ma hanno bisogno di un certo tempo per avvenire, quindi più è veloce la forza e l’impulso della forza e necessariamente minori deformazioni plastiche sono concesse e quindi si creano le condizioni favorevoli ad una rottura fragile. Abbassando la temperatura aumenta la fragilità. Altrimenti altri fattori di impiego che modificano le proprietà e favoriscono una rottura fragile possono essere stati tensionali triassiali dove le deformazioni sono impedite dalla geometria (ad es. giunti saldati con strutture complicate), oppure grossi spessori del materiale (perché è presente più materiale che impedisce lo scorrimento delle zone centrali nello spessore). Infatti, nella prova di resilienza si testa un provino con un intaglio per ricreare uno stato tensionale triassiale, urto e temperatura ossia le condizioni peggiori per cui se il provino del materiale risulterà duttile in questa prova allora sarà veramente duttile in tutte le condizioni.

Intervento dell'ingegnere sui materiali

Lo scopo dell’ingegnere è quindi intervenire su tutti i livelli di scala al fine di rendere il prodotto finale il migliore possibile, questo lo si fa:

• Studiando le proprietà della materia, si possono stabilire delle relazioni tra composizione e organizzazione atomica (o molecolare) e microstruttura dei materiali. (I metalli puri non sono molto duttili ma hanno una resistenza scarsa, pertanto per aumentare la resistenza si aggiungono elementi in lega. Si può e si deve intervenire sulla composizione per ottenere un materiale rispondente agli scopi della progettazione).
• Studiando le microstrutture, si possono comprendere le reazioni alle varie sollecitazioni, da cui scaturiscono le caratteristiche meccaniche, fisiche, tecnologiche. (Studiando le microstrutture si può capire quali trattamenti termici realizzare).
• Sulla base delle proprietà è possibile progettare e realizzare in modo soddisfacente componenti, gruppi e macchine.
• Si può ed è opportuno intervenire a tutti i livelli per ottimizzare il prodotto finale. Cioè si può intervenire su tutti i livelli al fine di migliorare le proprietà del materiale e/o per diminuire le difettosità per ottenere un materiale e quindi un componente ottimizzato per il tipo di applicazione specifico. La maggior parte della progettazione, che è macroscopica, tratta il materiale come un processo di selezione.

Organizzazione della struttura del materiale

• Gli strati di organizzazione della materia possono variare dal disordine più completo delle molecole, nel caso di un gas a debole pressione, fino all’ordine quasi perfetto degli atomi in un monocristallo (cioè materiale solido formato da un unico grano cristallino), nel caso dei solidi. (Non si parla però solo di materiali strutturali, cioè quest’ultimi sono quelli che servono per progettare ma la maggior parte delle applicazioni utilizzano materiali non strutturali: c’è uno o più componenti che reggono il carico mentre gli altri vengono scelti nel rispetto di altri vincoli quali leggerezza o proprietà ottiche e quindi possono non essere materiali strutturali).
• I legami chimici che uniscono i vari atomi determinano le forme di tali strutture: nel caso dei solidi, si distingue tra materiali che possiedono una struttura atomica ordinata e regolare (struttura cristallina) e materiali che possiedono una struttura irregolare (struttura amorfa). Esistono anche materiali con struttura mista, cioè in un materiale possono coesistere zone disordinate e zone cristalline. Per quanto riguarda i materiali cristallini li tratteremo nella parte di metallurgia intanto però: Il modo in cui le particelle costituenti il cristallo sono disposti nello spazio determina la struttura del cristallo. Poiché la distribuzione delle particelle è ordinata, ne consegue che le particelle sono disposte in un reticolo tridimensionale.
• La struttura amorfa di un polimero è paragonabile ad un “piatto di spaghetti” in quanto le molecole sono disposte su file/catene sparpagliate, all’interno delle catene è presente un legame molto forte fra gli atomi e quindi non si separano, viceversa fra le varie catene non c’è alcun legame e quindi hanno libertà nel disporsi all’interno del materiale dando origine a questa struttura disordinata. La struttura semicristallina è una via di mezzo fra la struttura amorfa e quella cristallina. Chiaramente le proprietà cambiano notevolmente fra una struttura e l’altra, inoltre è da ricordare che i metalli in generale sono solidi cristallini. Esistono metalli amorfi, ma sono ancora in fase di studio e sviluppo, e ad oggi le dimensioni realizzabili sono molto piccole e presentano il difetto di essere molto costosi.

La selezione dei materiali nella progettazione

In realtà la selezione dei materiali dipende dalle proprietà che questi hanno, ma a loro volta le proprietà dei materiali dipendono dalla microstruttura del materiale stesso. Pertanto, quando parliamo di selezione dei materiali ci poniamo a un livello alto da un punto di vista convenzionale (ci poniamo, cioè, all’ultimo passaggio logico della relazione: microstruttura → proprietà → selezione), ossia non si prova ad intervenire sulle proprietà del materiale ma le consideriamo assegnate. Infatti, nella selezione del materiale si va a scegliere fra i materiali disponibili in commercio quale comprare per realizzarci il componente da progettare. Si parla quindi di progettazione, ossia l’esigenza di trasferire un’idea o una necessità del mercato in una serie di informazioni molto dettagliate che permettono alla fine di realizzare fisicamente un prodotto.

La progettazione definisce soluzioni e strutture pertinenti per problemi non risolti prima, o soluzioni nuove a problemi che in precedenza sono stati risolti in modo diverso. È quindi necessaria un’attività creativa per produrre un oggetto rispondente ai vincoli imposti dai costi e dalle prestazioni. Il materiale riveste un’importanza notevole, condizione o influenza le varie fasi della progettazione e molte volte è uno degli aspetti più importanti per la riuscita del progetto stesso (in ogni fase della progettazione sono necessarie le informazioni sul materiale). Il numero di materiali oggi disponibili è molto elevato, 40,000-80,000.

La scelta del materiale tante volte è obbligata, altre invece no. Inoltre, i produttori di materiali non stanno “fermi” ma lavorano sempre per trovare nuove soluzioni: migliorano le caratteristiche dei materiali oppure ne diminuiscono il prezzo rendendoli quindi più appetibili, e già questo può essere un input per cambiare la progettazione e cambiare il materiale del componente. Il mercato dei materiali non è fisso ma cambia in continuazione, bisogna quindi comunque rivedere le scelte progettuali guardando a nuovi prodotti o rivisitare i materiali già presenti su cui è stata attuata un’innovazione (miglioramenti o deprezzamento) e porsi le domande: “si potrebbe fare con un materiale diverso? Ci sono materiali il cui prezzo è diminuito? Ci sono nuovi materiali con proprietà migliori?”

Il numero di materiali disponibili sul mercato è molto elevato, e si deve considerare che da una parte c’è un processo di standardizzazione che serve per ridurre il numero di materiali disponibili garantendone un certo livello; dall’altra parte c’è l’innovazione, ossia la ricerca di nuovi materiali e nuovi prezzi.

Come scegliere il materiale ottimale per un prodotto?

Ogni azienda ha le sue filosofie e generalmente un ruolo fondamentale nella scelta è rivestito dall’esperienza degli esperti addetti. L’esperienza, infatti, è importantissima perché aiuta a scegliere fra i 40,000 materiali disponibili un assortimento di materiali più idonei ai diversi casi specifici. L’esperienza è un processo di trasferimento di informazioni dagli esperti ai nuovi assunti. Tuttavia, data la mobilità degli impiegati e visto che il processo di trasferimento di esperienza è molto lungo e lento, si è venuta a creare la necessità di una procedura di selezione del materiale documentata e dettagliata, che permetta di capire ai nuovi assunti come è stata fatta la scelta del materiale.

Necessità di un criterio di selezione documentabile, perché l’esperienza nel processo di selezione sussiste fin tanto che l’esperto rimane assunto nell’azienda.

Storia

Suddivisione dell’importanza relativa dei materiali nelle epoche storiche (chiaramente non è lineare). Nella preistoria chiaramente erano disponibili solo i materiali naturali come legno, pelle, paglia, pietra e fibre. Si passa dall’età del ferro (1000 a.C.) fino all’età della ghisa (la prima lega 1600), per arrivare all’acciaio (1800 d.C.). Se si va a considerare il dopo guerra, il 90% dei materiali utilizzati è costituito dai metalli, la plastica esisteva (realizzata per vulcanizzazione nel 1910-20 d.C.) però non era ancora tanto diffusa. Dal dopo guerra in poi, invece, le plastiche si sono sviluppate tantissimo ed hanno occupato una fetta sempre più grossa del mercato, e tutt’ora continuano a mangiare quote di mercato ai metalli. Infatti, la plastica è un materiale che si progetta molto di più facilmente del metallo poiché è più facile lavorarla e perché ne esistono molte più varietà rispetto ai metalli, tuttavia per essere progettata non basta l’ingegnere, serve anche il chimico.

Tuttavia, i metalli non sono spariti del tutto ma hanno affinato le loro proprietà. Difatti, ad oggi esistono superleghe, cioè metalli che sopportano carichi affaticanti a 900-1000°C (creep), esistono superleghe che sopportano anche temperature più elevate ma senza carichi affaticanti (in entrambi i casi si tratta di leghe di Nichel); infatti il 90% della produzione globale dei materiali è o...