Appunti Scienza e Tecnologia dei Materiali

Proprietà meccaniche dei materiali

La resistenza dei materiali è una caratteristica fondamentale per garantire la loro durabilità e affidabilità. Tra le proprietà meccaniche più importanti ci sono la resistenza alla trazione, la tenacità e la durezza.

Resistenza alla trazione

La resistenza alla trazione è la capacità di un materiale di resistere alla forza di trazione senza rompersi. Viene misurata attraverso una prova di trazione, in cui un campione del materiale viene sottoposto a una forza di trazione fino a quando si rompe. La resistenza alla trazione è espressa in unità di pressione, come il Pascal (Pa) o il Megapascal (MPa).

Tenacità

La tenacità è la capacità di un materiale di assorbire energia prima di rompersi. Un materiale tenace è in grado di deformarsi senza rompersi quando viene sollecitato. La tenacità viene misurata attraverso una prova di resilienza, in cui un campione del materiale viene sottoposto a un impatto e la quantità di energia assorbita viene misurata. La tenacità è espressa in unità di energia per unità di volume, come il Joule per metro cubo (J/m³).

Durezza

La durezza è la resistenza di un materiale a una deformazione plastica localizzata. Viene misurata attraverso una prova di durezza, in cui un penetratore viene forzato sulla superficie del materiale e l'impronta lasciata viene misurata per determinare la durezza. La prova di durezza non è distruttiva e può essere correlata empiricamente alla resistenza alla rottura del materiale.

La scala di Mohs

La scala di Mohs è una scala di misura della durezza dei minerali, ideata dai mineralogisti. Oltre a questa, esistono altre scale utilizzate per classificare la durezza dei materiali.

Superiori allo sforzo di snervamento (es. rottura della linguetta sulla lattina).

Alcuni materiali presentano un "limite di fatica", ovvero al di sotto di un determinato sforzo non possono rompersi per fatica, se rispettato tale limite. La vita a fatica di un materiale può essere aumentata evitando superfici spigolose e privilegiando quelle rotonde, evitando superfici rugose a favore di quelle lisce, ed a tali superfici si possono aggiungere degli sforzi residui.

Creep: il fenomeno riguarda sempre la rottura dei materiali, ma in questo caso essa dipende dalla temperatura: è il caso dei polimeri, i quali hanno temperatura di fusione o rammollimento basse. Il creep si divide in tre fasi:

• Creep primario: inizia la deformazione all'applicazione del carico. In questa fase vi è una velocità di scorrimento decrescente perché il materiale sta aumentando la propria resistenza al creep;

• creep secondario: la velocità è costante ed è la fase più lunga;
• creep terziario: vi è un'accelerazione della velocità fino alla rottura finale del provino.

Per i metalli è rilevante quando la temperatura supera la soglia della temperatura di fusione, misurata in gradi Kelvin (1K = 273°C).

3.3 Proprietà chimico-fisiche

Conducibilità termica: è la proprietà che regola il trasferimento di calore. I materiali si possono distinguere in quattro livelli qualitativi:

• buon conduttore (metalli);
• scarso conduttore;
• scarso isolante;
• buon isolante (polimeri).

I ceramici hanno una conducibilità termica che varia: può essere superiore o uguale a quella dei metalli oppure, in altri casi, simile a quella dei polimeri.

Conducibilità elettrica: la capacità di un materiale di condurre la corrente.

La resistività, misurata in microohm per centimetro (μΩ x cm). Essa diminuisce all'aumentare della conducibilità elettrica. I metalli sono considerati conduttori elettrici, mentre i polimeri ed i ceramici sono isolanti.

Magnetismo
Inteso come fenomeno per cui i materiali esercitano forze, attrattive o repulsive, su altri materiali. In base al proprio comportamento, si distinguono tre tipi di materiali:
- non magnetici (non attratti da calamita);
- ferromagnetici (attratti da calamita);
- permanenti (sono vere e proprie calamite).
Sono ferromagnetici il ferro, nichel, cobalto e alcune ferriti ceramiche: quindi per la progettazione di materiali magnetici, sono rilevanti solo gli acciai, le ghise ed alcuni tipi di acciai inossidabili.

Massima temperatura di servizio
T è la temperatura massima alla quale un materiale può essere utilizzato per impieghi strutturali.

3.4 Proprietà ottiche

Trasparenza

Essa si distingue in quattro categorie qualitative:

• qualità ottica: eccezionale trasparenza;
• trasparente: buona trasparenza;
• traslucido: luce diffusa;
• opaco: non trasparente.

I materiali cristallini sono opachi, mentre i materiali amorfi possono essere trasparenti. Tutti i metalli e molti ceramici sono opachi, i vetri e ceramici con struttura amorfa sono trasparenti.

4. Tipi di sforzo e deformazione

Lo sforzo (σ) può essere valutato come rapporto tra la forza agente e la sezione resistente, mentre la deformazione (ε) è il rapporto tra l'allungamento subito dal provino e la sua lunghezza iniziale.

4.1 Trazione o compressione

Quando un oggetto è sollecitato da due forze esterne di uguale modulo, applicate

nella stessa direzione ma con verso opposto. Si definisce sforzo nominale (σ) il rapporto:2 e viene espressa in N/ , cioè in pascal (Pa): troppompiccola come unità di misura, si usa il MPa. La deformazione nominale (ε) si misura: Essendo un rapporto tra due lunghezze, la deformazione è adimensionale, e può essere espressa ε in m/m. Essa può essere espressa anche come deformazione percentuale (%), e non va εconfusa con la deformazione nominale (ε), in quanto sono due ordini di grandezza: unadeformazione dello 0,1 corrisponde ad una def.% del 10%.4.2 Taglio, Flessione e Torsione La prima accade tramite l' esercitazione di coppie di forza in senso opposto , parallele alle superfici (distorsione oggetto). La flessione si verifica quando parte del materiale va in compression e parte in trazione. La torsione invece si verifica grazie

5. Materiali Metallici ​E' la classe di materiali con le più elevate caratteristiche meccaniche. Essi sono materiali inorganici, composti da un unico elemento metallico oppure da due o più elementi, metallici o non metallici, che portano alla formazione di leghe (es. ottone Cu+Zn). Hanno una struttura cristallina in cui gli atomi sono disposti in modo regolare e ordinato nello spazio: la presenza di elettroni liberi conferisce loro buona conducibilità termica ed elettrica, lucentezza e riflettività (altre caratt. densità elevata, resistenza ad alta temp, elevato modulo (E)). La presenza di dislocazioni nel reticolo cristallino consente di poterli deformare plasticamente: essa avviene grazie allo scorrimento (contemporaneo) degli atomi lungo i piani (che dipendono dal reticolo cristallino).

5.1 Legame chimico e struttura cristallina

Grazie alla presenza della nuvola elettronica,