Domande e risposte Scienze dei Materiali

Proprietà dei materiali:

Materiali metallici:

• Densità 1,8 – 9 g/cm³
• Resistenza meccanica 90 – 1700 MPa
• Modulo di elasticità 45 – 250 GPa
• Duttilità
• Buoni conduttori elettrici e termici

Materiali ceramici:

• Densità 1,7 – 4 g/cm³
• Resistenza meccanica 100 – 1500 MPa
• Modulo di elasticità 70 – 1200 GPa
• Elevata durezza
• Fragilità
• Isolanti elettrici e termici

Materiali polimerici:

• Densità 0.9 – 2 g/cm³
• Resistenza meccanica 10 – 100 MPa
• Modulo di elasticità 0.2 – 4 GPa
• Isolanti elettrici e termici
• Duttilità; fragilità
• Influenza della temperatura

Duttilità:

Un materiale si può definire duttile se la sua rottura avviene dopo un'estesa deformazione plastica. La propagazione della frattura è lenta e la superficie di frattura è irregolare.

Rottura duttile:

Avviene dopo che il materiale ha subito diversi segni di deformazione plastica. Non è correlata con la direzione di applicazione dei carichi principali (rottura fragile). Le superfici di rottura appaiono opache e fibrose.

Risposta 3

Soluzione solida → atomi dispersi in modo uniforme e casuale entro il solvente

Soluzione solida sostituzionale → gli atomi di soluto vanno a sostituire quelli del solvente nelle loro posizioni reticolari in modo casuale

Soluzione solida interstiziale → l'atomo soluto occupa siti interstiziali del reticolo del solvente in modo casuale, non vengono occupati tutti

Le leghe a soluzione solida spesso possiedono maggiore resistenza e durezza e una duttilità inferiore a quella dei metalli puri. Ostacolando e limitando il movimento delle dislocazioni, le soluzioni solide aumentano la resistenza meccanica.

Risposta 4

Leghe di alluminio

Vantaggi

• migliori caratteristiche meccaniche
• più facilmente colabili
• più

resistenti a corrosione

• Serie 2000 (Alluminio - Rame): Elevata resistenza a fatica

UTILIZZI: Costruzioni aeronautiche e aerospaziali

• Serie 3000 (Alluminio - Manganese): Da incrudimento: bassa resistenza meccanica

UTILIZZI: Lattine, imballaggi

• Serie 4000 (Alluminio - Silicio): Da incrudimento: moderatamente alta resistenza meccanica e alta colabilità

UTILIZZI: Metallo d'apporto per saldature, Come lega di getto è usata per pressofusione

• Serie 5000 (Alluminio - Magnesio): Da incrudimento: resistenza meccanica migliore, Ottima resistenza a corrosione, anche in acqua di mare

UTILIZZI: Stoccaggio di generi alimentari, Trasporti

• Serie 6000 (Alluminio - Magnesio - Silicio): Buona resistenza a trazione, Facile lavorabilità, Elevata resistenza (estrusione; saldatura), Elevata resistenza a corrosione, Attitudine ai trattamenti di superficie (anodizzazione)

UTILIZZI: Struttura mediamente sollecitata, Applicazioni

architettoniche

Serramenti

Serie 7000 (Alluminio - Zinco)(Rispetto a serie 2000)

Maggior resistenza a trazione

Meno costosa

Meno resistenti a corrosione

UTILIZZI

Componenti con prestazioni resistenziali (telai bici; cerchi in lega)

Risposta 5

Metallurgia delle polveri

Miscelazione e produzione di granuli tramite estrusione

Produzione del componente tramite processo di stampaggio a iniezione

(come i polimeri)

Estrazione del legante (debinding) per via termica o col solvente. Il ​ brown ha una porosità del 30-40% vol.

Sinterizzazione. La densità finale è del 95-98% rispetto alla lega massiva

VANTAGGI

Bassi scarti di lavorazione

Utilizzabile con leghe difficilmente colabili

Pezzi complessi con forma vicina a quella definitiva

Powder Injection Moulding

Forme finite e complesse

Proprietà meccaniche più elevate della metallurgia tradizionale

Possibilità di stampare in sequenza vari tipi di materiale

PIÙ

Componenti

• Riciclaggio scarti

SVANTAGGI

• Leghe ferrose (50-100 g) piccole dimensioni
• Limitazioni spessore (-0.05mm - 5mm)
• Elevato costo delle polveri
• Alto costo stampo
• Non concorrenziale con la metallurgia delle polveri tradizionale

Additive Manufacturing

Modellazione CAD

• Modello suddiviso in tre strati che determineranno la forma finale
• Le sezioni che costituiscono gli strati vengono costruite una dopo l'altra, dal basso verso l'alto. La polvere viene distribuita in uno strato uniforme. Un fascio laser scansiona le sezioni, causando una fusione totale o parziale delle particelle in polvere, così da legarle tra loro. La polvere non fusa sostiene lo strato che viene formato.
• Realizzato lo strato, un pistone abbassa l'oggetto e viene aggiunto un nuovo strato di polvere. Il processo di scansione con il fascio laser viene ripetuto fino a completamento.
• Le polveri vengono rimosse (poi riciclate al 95%) e l'oggetto sottoposto

La finitura delle leghe utilizzabili include: acciaio, bronzo, cobalto-cromo, alluminio e titanio.

I settori in cui vengono impiegate queste leghe sono: aeronautico, automobilistico, protesi, impianti dentari e oggetti decorativi.

Il legame dipolare si verifica quando gli atomi hanno una distribuzione asimmetrica delle cariche elettriche. Questo avviene quando gli atomi diventano globalmente neutri ma la distribuzione spaziale delle cariche positive e negative diventa asimmetrica, creando un dipolo.

Anche le molecole possono avere distribuzioni asimmetriche di cariche e quindi presentare legami di van der Waals. Questi legami si formano tra atomi o molecole che hanno carattere dipolare e interagiscono attraverso forze elettrostatiche. Questo tipo di legame è relativamente debole, con un'energia di legame di circa 10 kJ/mole.

Nei materiali polimerici, i legami secondari come il legame dipolare limitano lo scorrimento tra le catene. Maggiore è la lunghezza delle catene, maggiore è la viscosità del materiale.

La resistenza meccanica, la durezza e la temperatura di transizione vetrosa.​ Questa influenza è dovuta all'aumento di interazioni tra le catene[30]polimeriche, quali forze di Van der Waals​.

Al di sopra della loro temperatura di transizione vetrosa (Tg) i termoplastici deformano in modo elastico, andando incontro a una transizione duttile-fragile quando vengono riscaldati oltre la loro temperatura di Tg (caratteristica dei materiali amorfi e segna, al riscaldamento, il passaggio da un comportamento vetroso (fragile) ad un comportamento gommoso).

Comportamento viscoelastico→ ​ Sotto l'azione delle forze esterne la struttura molecolare dei polimeri termoplastici si deforma con processi di due tipi: elastici [(deformazioni elastiche 'immediate' (variazione della lunghezza e dell'angolo di legame); deformazioni elastiche ritardate (svolgimento dei gomitoli statistici)] e viscosi (scorrimento delle catene). ​I materiali

viscoelastici si oppongono sia alle sollecitazioni tangenziali sia alle sollecitazioni normali, generando quindi al loro interno sia sforzi tangenziali sia sforzi normali. Le proprietà meccaniche di un materiale viscoelastico dipendono da:

• tempo di carico
• temperatura
• velocità di deformazione

In un materiale viscoelastico il modulo di elasticità non è costante ma dipende dal tempo. Lo studio sperimentale di un materiale viscoelastico si basa su due prove:

• Prova di creep (si applica un carico costante per il tempo t e si misura la deformazione al variare del tempo)
• Prova di rilassamento (si applica una deformazione costante per il tempo t e si misura lo sforzo necessario per mantenerla al variare del tempo)

(Slide 44-seguenti lezione 10 per immagini) I processi viscoelastici sono fortemente dipendenti dalla temperatura. Esperimenti condotti ad alte temperature e tempi brevi danno effetti corrispondenti a esperimenti fatti atemperature basse e tempi lunghi. Lo stato di deformazione presente nel manufatto al generico tempo t dipende dalla storia di sollecitazione che il materiale ha subito in precedenza. Il modello teorico più semplice che predica la risposta per una data storia di carico è il principio di sovrapposizione di Boltzmann, per un materiale viscoelastico lineare la deformazione risultante da una storia complessa di carichi applicati è la somma algebrica delle deformazioni dovute a ciascun carico. Stampaggio a iniezione → Deriva dal PIM dei metalli. Il polimero in granuli è immesso in un cilindro al cui interno c'è una vite rotante che spinge i granuli contro le pareti di un cilindro riscaldato, ciò causa la fusione; quando la quantità del polimero fuso è sufficiente la vite si ferma e inietta il materiale nello stampo mantenendolo in pressione in modo da limitare il suo ritiro alla solidificazione, poi il pezzo.

viene raffreddato e si solidifica e viene tolto dallo stampo. manufatti dalle forme complesse e buona precisione delle forme..Questo processo può anche essere: stampaggio a iniezione con inserti metallici o di altro materiale, coiniezione iniettando polimeri diversi, stamp.A iniez. Di espansi strutturali iniettando insieme al polimero agenti espandenti, stampaggio a iniezione. Assistito da gas iniettando gas.

Estrusione→ Analogo allo stampaggio; il polimero in granuli viene immesso in un estrusore, la rotazione della vite forza i granuli contro le pareti riscaldate del cilindro fondendoli, poi il materiale è spinto nello stampo dalla vite e poi raffreddato a T<Tg e tolto. Dopo di che viene fatta la soffiatura, soffiando aria nel tubo in modo che le pareti si assottigliano per ottenere un film. Manufatti dalle forme semplici.

Stampaggio rotazionale→ La polvere polimerica è posta in uno stampo freddo che poi viene chiuso, riscaldato e fatto ruotare

su due assi, la polvere, fondendo, si adatta alle parti dello stampo formano un guscio, poi il pezzo è raffreddato con aria o acqua vaporizzata e poi rimosso. Manufatti di grandi dimensioni cavi e chiusi. Colata reattiva → Colata reattiva perché avviene una reazione chimica. Si lavora con pre-polimeri cioè polimeri prima della polimerizzazione che sono più liquidi e