Scienze Dei Materiali Orale

Capitolo 1: introduzione ai materiali

Proprietà dei materiali

Impariamo e conosciamo le varie proprietà dei materiali.

Le proprietà meccaniche

Un righello d'acciaio può essere piegato elasticamente. "Elastico" significa che la deformazione viene recuperata completamente quando l'oggetto torna alla sua posizione di riposo. Materiali con elevato modulo elastico E sono intrinsecamente rigidi, a differenza di quelli a basso E. Il fenomeno di deformazione permanente è legato alla resistenza ma non alla rigidezza. La facilità con cui il righello può essere piegato permanentemente dipende dalla sua forma ma anche dal limite elastico o di snervamento σ. I materiali con un elevato σ sono difficili da deformare permanentemente anche se la loro rigidezza può non essere così elevata; quelli a basso σ possono essere facilmente deformati. Quando i metalli si deformano solitamente diventano più resistenti, questo fenomeno prende il nome di incrudimento. Dobbiamo però considerare un limite estremo detto resistenza a trazione, al di sopra del quale il materiale si rompe (duttilità, entità della deformazione permanente precedente alla rottura). I materiali che non subiscono una deformazione permanente prima di rompersi si dicono fragili, gli altri sono tenaci. La resistenza del materiale alla fessurazione e alla rottura è definita tramite la tenacità a frattura, K_ic. Elevato K_ic conferisce tenacità, mentre materiali con basso K_ic sono fragili.

Ora parliamo della densità "ρ", data dal rapporto massa per unità di volume: ρ=m/V.

Le proprietà termiche

Le proprietà del materiale variano al variare della temperatura. All'aumentare della temperatura la resistenza decresce. Esiste pertanto una temperatura limite detta temperatura massima d'esercizio T_max, al di sopra del quale il materiale non può essere utilizzato. Gli acciai hanno elevati T_max, mentre la maggior parte dei polimeri ha una bassa T_max. La maggior parte dei materiali si espande quando riscaldati, ma in maniera diversa in relazione al loro coefficiente di espansione termica, α. Alcuni materiali risultano freddi al tatto e altri tiepidi, questo dipende da due proprietà: conducibilità termica λ e capacità termica. La conducibilità termica misura la velocità con la quale il calore fluisce all'interno del materiale da una superficie calda verso quella fredda. I materiali a elevato λ sono ideali per condurre calore, mentre quelli a basso λ sono utilizzati come isolanti. La capacità termica C_p misura la quantità di calore necessaria ad innalzare la temperatura del materiale di una data quantità. I materiali a elevata C_p richiedono molta energia per modificare la loro temperatura, mentre i materiali a bassa C_p ne richiedono molto meno.

Per un dato spessore della lastra, il tempo è inversamente proporzionale alla diffusività termica "a" del materiale della lastra. Questo parametro differisce dalla conducibilità in quanto i materiali presentano diverse capacità termiche, esso è proporzionale a λ/C_p.

Proprietà elettriche, magnetiche e ottiche

Le proprietà elettriche ricoprono un ruolo importante nella nostra vita odierna. I metalli sono ottimi conduttori, ma questa proprietà non è sempre positiva in quanto ad esempio alcuni oggetti necessitano di essere isolanti. In questo caso la proprietà desiderata è la resistività ρ_e, che è l'inverso della conducibilità elettrica κ. Materiali ad elevata resistività vengono usati come isolanti. Altre proprietà elettriche sono la capacità di consentire il passaggio di microonde o di rifletterle. Entrambi i fenomeni sono connessi alle proprietà dielettriche, in particolare alla costante dielettrica ε. Vi è l'esistenza di materiali magnetici detti "duri" in quanto, una volta magnetizzati, perdono difficilmente la proprietà magnetica (es. motori, cuffie, dinamo). La proprietà chiave è l'induzione residua, che è una misura dell'intensità del magnetismo residuo. I materiali magnetici "dolci" presentano la capacità di poter essere magnetizzati e smagnetizzati facilmente (es. nucleo dei trasformatori, bobine di deflessione dei tubi televisivi); la proprietà che interviene in questo caso è la magnetizzazione a saturazione, che misura l'intensità del campo che il materiale può condurre.

Proprietà chimiche

Vi è in particolari casi la necessità di poter utilizzare un componente in grado di resistere per un adeguato tempo a fenomeni corrosivi o in ambienti aggressivi. Si analizzeranno le proprietà chimiche del materiale da poter utilizzare per ottenere un rendimento massimo.

Proprietà che controllano il progetto

Le proprietà di un componente sono condizionate da alcune delle proprietà del materiale di cui è fatto. Per ottenere un desiderato livello prestazionale, i valori delle proprietà che condizionano il progetto devono raggiungere certi valori soglia. I materiali vengono pertanto scelti attraverso l'identificazione delle proprietà che controllano la progettazione e la definizione dei limiti, in modo tale da scartare i materiali che non soddisfano tali limiti.

Capitolo 2: La classificazione dei materiali e dei relativi processi tecnologici: strutture ad albero

Introduzione

Un prodotto di successo utilizza i materiali migliori per l'applicazione, sfruttandone a pieno potenziale e proprietà. Ma ciò che stiamo cercando non è un materiale ma è un insieme di proprietà. Ciascuna famiglia ha il suo caratteristico profilo - le "similitudini familiari" - che è utile conoscere quando si deve decidere quale famiglia utilizzare. Le similitudini familiari sono più evidenti nelle mappe delle proprietà dei materiali.

Come classificare i materiali: l'albero dei materiali

I materiali ingegneristici sono divisi in sei famiglie: Metalli, Polimeri, Elastomeri, Ceramici, Vetri e materiali Ibridi (composti dalla combinazione di due o più materiali). I membri di una stessa famiglia presentano caratteristiche comuni; quali proprietà, processi di trasformazione, e a volte applicazioni simili. Le famiglie possono suddividersi in classi, sottoclassi e elementi, ciascuno dei quali è caratterizzato da un set di attributi o proprietà.

I Metalli presentano rigidezza mediamente elevata, misurata dal modulo elastico E. La maggior parte, da puri, sono duttili e deformabili, il che vuol dire che il loro σ_y è basso. Possono essere rafforzati tramite alligazione e tramite trattamenti meccanici e termici che inducono un incremento di σ_y. Inoltre sono tenaci e vantano un'utilissima tenacità a frattura K_1c. Sono buoni conduttori elettrici e termici ma tuttavia sono caratterizzati da difetti come la reattività nei confronti dell'ambiente di lavoro, e la maggior parte di essi si corrode velocemente se non adeguatamente protetti.

I Ceramici sono solidi inorganici non metallici e presentano aspetti importanti. Sono rigidi, duri, e resistenti alle abrasioni, conservano le loro caratteristiche di resistenza anche ad alte temperature operative e resistono bene alla corrosione atmosferica. La maggior parte sono buoni isolanti elettrici ma anch'essi hanno dei punti deboli, sono fragili con bassi valori di K_1c. Questo li rende scarsamente tolleranti alla concentrazione di sollecitazione al vertice dei difetti o a elevate sollecitazioni di contatto.

I Vetri sono solidi non cristallini "amorfi". I più comuni sono il vetro sodico-calcico e i vetri boro-silicatici ma ne esistono molti altri. L'assenza della struttura cristallina annulla la deformabilità plastica e i vetri, come i materiali ceramici, sono duri e significativamente resistenti alla corrosione. Sono ottimi isolanti elettrici e naturalmente sono trasparenti alla luce, sono fragili e vulnerabili alla concentrazione di sollecitazione.

I Polimeri sono solidi organici basati su lunghe catene di atomi di carbonio. Sono leggeri e le loro densità sono inferiori a quelle delle leghe leggere. Sono poco rigidi in quanto i loro moduli elastici sono circa 50 volte inferiori a quelli dei metalli, ma possono essere resistenti in virtù delle loro basse densità (la resistenza è confrontabile a quella dei metalli). Le loro proprietà dipendono dalla loro temperatura operativa (tenace-flessibile a temperatura ambiente, fragile a -4°C, gommoso a 100°C). Sono facili da modellare perciò si chiamano plastiche: componenti di geometria complessa in grado di svolgere varie funzioni, possono essere stampati a partire dal polimero con una singola operazione di formatura. Sono adatti per la realizzazione di componenti da unire l'uno con l'altro (economicità).

Gli Elastomeri sono polimeri con proprietà uniche per la loro rigidezza, misurata da E, estremamente bassa (500-5000 volte meno dei metalli) e per la loro capacità di essere allungati fino ad aumentare di molte volte la loro lunghezza, ma anche di recuperare la loro forma iniziale. Malgrado la loro rigidezza possono essere resistenti e tenaci.

I Materiali compositi (ibridi) sono combinazioni di due o più materiali con l'obiettivo di ricavare da entrambi il risultato migliore possibile (polimeri rinforzati con fibre di vetro “GFRP” e con fibre di carbonio “CFRP”). Quasi tutti i materiali naturali sono compositi. Componente e materiale composito sono generalmente costosi e difficili da modellare e unire.

L'albero dei processi

Un processo è un metodo per giuntare, formare o finire un materiale. La colata, lo stampaggio a iniezione, la saldatura per fusione e la politura elettrolitica sono tutti processi. La scelta per un dato componente dipende dal materiale di cui è fatto, forma, dimensione, precisione, e finitura richiesta, dal numero di componenti da produrre, in breve dai requisiti del progetto.

La classificazione dei processi

I processi di fabbricazione sono organizzati in categorie:

• I processi primari impartiscono la forma.
• I processi secondari modificano geometria e proprietà e si distinguono in "lavorazione alle macchine utensili" e "trattamenti termici".

Tra questi si trovano le operazioni di giunzione e anche trattamenti superficiali. Per organizzare le informazioni relative ai processi, abbiamo bisogno di una classificazione gerarchica. Il mondo dei processi si divide in tre famiglie: formatura, giunzione e trattamenti superficiali. Ognuna di queste famiglie si espande a sua volta in altre classi di lavorazione.

Interazioni processo-proprietà

Le lavorazioni possono modificare le proprietà. Ad esempio, se si martella un materiale (forgiatura) esso indurisce; se poi lo si tratta termicamente esso ritorna più tenero (ricottura). Anche un'operazione di giunzione modifica le proprietà. La saldatura può comportare una fusione locale e una conseguente risolidificazione dei lembi dei componenti da giuntare. La zona fusa ha proprietà generalmente peggiori.

Le mappe delle proprietà dei materiali

Le schede tecniche dei materiali elencano le loro proprietà. Per avere una visione prospettica e dei confronti fra i materiali di paragone si devono tracciare le mappe di proprietà dei materiali. Ce ne sono di due tipi: gli istogrammi e le mappe a bolle. Un istogramma semplicemente riporta il valore di una data proprietà per tutti i materiali noti. Mentre la mappa a bolle raccoglie le informazioni dei materiali a "bolle".

• Le scale sono logaritmiche. Ogni famiglia occupa un campo separato e caratteristico.
• Esse forniscono una visione di insieme delle proprietà fisiche, meccaniche e funzionali dei materiali.
• Esse rivelano aspetti dell'origine fisica delle proprietà, utili per comprendere gli aspetti scientifici di base.
• Esse sono uno strumento per la selezione ottimale dei materiali, al fine di soddisfare i requisiti di progetto, e aiutano a comprendere l'uso di materiali nei prodotti attuali.

Capitolo 3: L'approccio strategico: coniugare progetti e materiali

Introduzione

Si svilupperà una strategia per la selezione di materiali e processi che sia governata dal progetto. Per poterlo fare occorre dapprima considerare il progetto stesso. Il progetto trae origine da un'esigenza di mercato. L'esigenza viene analizzata definendola attraverso una serie di requisiti di progetto. I modi per soddisfarli sono cercati, sviluppati e rifiniti per fornire le specifiche di progetto. In questo contesto si può sviluppare la strategia di selezione. Essa coinvolge 4 fasi: schematizzazione, selezione, classificazione e documentazione.

La progettazione

Un progetto originale ha inizio da un'idea innovativa e sviluppa le informazioni necessarie a implementarla. Il progetto evolutivo (o riprogettazione) trae origine da un prodotto preesistente e cerca di modificarlo in modo da migliorarne le prestazioni e ridurre i costi.

Il progetto originale

Un progetto originale comincia da zero. Esso coinvolge una nuova idea o un nuovo principio di funzionamento. Il progetto originale può essere indotto da nuovi materiali. Il ciclo di progettazione parte dall'esigenza di mercato o dall'idea innovativa e il punto finale è la completa specifica di prodotto. Il bisogno va definito a priori, ed è necessario definirlo con estrema precisione. Tra la definizione del bisogno e le specifiche del prodotto si trovano numerose fasi:

• Le fasi del progetto concettuale
• Le fasi del progetto di massima o preliminare
• Le fasi del progetto particolareggiato

Riprogettazione

La maggior parte dei progetti non è "originale". Si tratta di una riprogettazione, a partire da un prodotto già esistente per correggerne i difetti, migliorarlo, accrescerne le prestazioni o ridurne il costo senza modificare il suo principio di funzionamento. Seguono alcune situazioni che richiedono la riprogettazione:

• La prima e più evidente è fornita dalla situazione di "ritiro del prodotto". Se un prodotto messo sul mercato risulta ad esempio troppo debole e quindi si rompe facilmente, si deve trovare un materiale alternativo che conservi gli aspetti positivi del precedente ovviando alle sue debolezze.
• Poi c'è la situazione del prodotto "a basso rapporto qualità/prezzo": il prodotto è sicuro ma fornisce basse prestazioni rispetto al suo costo.
• C'è anche la situazione "dell'inadeguato margine di profitto", cioè il costo del prodotto è superiore al prezzo di mercato accettabile.

Un approccio più creativo sfocia nel "design industriale", nel quale la scelta del materiale è fondamentalmente dettata da considerazioni estetiche: colore, sensazioni tattili e visive, la possibilità di modellarlo in un certo modo e di attribuirgli un certo livello di finitura. La maggior parte della riprogettazione deve condurre queste operazioni nel dettaglio, ma non solo. I cambiamenti necessari possono richiedere un cambiamento della configurazione del disegno o anche di concetti di base, sostituendo uno dei modi per soddisfare una funzione con un altro.

Informazioni su materiali e processi per il progetto

La selezione dei materiali rientra in ogni tappa della progettazione. Nella fase di ideazione il progettista necessita solamente di valori di proprietà approssimati, ma per il numero più ampio possibile di materiali. Allo stadio del progetto di massima il panorama si restringe: necessitano ora informazioni più dettagliate per un numero ristretto di materiali. La fase finale, quella del progetto particolareggiato richiede un livello ancora superiore di precisione e dettaglio ma relativi a un solo o a pochi materiali. Nella fase di un progetto particolareggiato si sceglie un fornitore e le proprietà del prodotto vengono introdotte nei calcoli di progetto. Le informazioni in ingresso sui materiali non terminano con l'avvio della produzione, bensì nel corso della vita di un materiale questo si può rompere e tali rotture devono essere analizzate ed eventualmente corrette tramite una nuova riprogettazione. La selezione di un materiale non può essere disgiunta da quella del processo e della forma. Per ottenere una certa forma un materiale è sottoposto a dei processi che possiamo definire fabbricazione. Il punto di partenza è un catalogo di tutti i processi che viene ristretto dall'esclusione di quelli che non sono adeguati (forma non adeguata, incompatibilità del materiale). La scelta del processo è influenzata dai requisiti di forma. Più sofisticato è il progetto, più stringenti sono le specifiche e maggiori le interazioni.

La strategia: schematizzazione, selezione, graduatorie e documentazione

La selezione coinvolge la ricerca del miglior ricoprimento tra i profili di caratteristiche dei materiali e dei processi e quelli richiesti dal progetto. Il primo compito è la schematizzazione: la conversione dei requisiti di progetto in una metodologia per selezionare un materiale. Questa deriva dall'identificazione dei vincoli di operatività che il materiale deve soddisfare e degli obiettivi che il progetto deve raggiungere. Questi diventano dei filtri che selezionano i potenziali candidati per il progetto.