Struttura, proprietà e applicazioni dei materiali

S.P.A.M

Esame: domande aperte e test + esercizi

Programma:

• Introduzione ai materiali
• Proprietà meccaniche e fisica
• Materiali metallici
• Leghe
• Calcestruzzo e calcestruzzo armato
• Materiali ceramici
• Vetri
• Pietre
• Polimeri e composti
• Legno

Capitolo 1

Struttura dei materiali

Il comportamento in esercizio di un materiale dipende dalle sue proprietà meccaniche e fisiche e chimiche

Il concetto di materiale in edilizia è comunemente legato allo stato solido, infatti, si richiede che esso possa mantenere la sua forma anche quando viene sollecitato da forze, e se non sollecitato da forze di sollecitare le pose proprie.

I solidi possono essere di tipo:

• Cristallino
• Amorfo: struttura disordinata con ordine a corto raggio nelle posizioni degli atomi o molecole che lo costituiscono
• Semicristallino: zone a struttura regolare (cristallina) destinate tra zone fa regolare morsa (amorfe). Il rapporto tra le due fasi si vuole in funzione di secondi dei compiere fase in massa

Es. Polimeri: La macromolecola diviene tip o Bro un alcune zone si collocano ordinatamente e in altre no.

le caso dei gel nei quali è la contemporanea presenza di una fase solida e liquida.

A seconda del numero e del tipo dei legami tra le particelle, i gel possono assumere un comportamento prossimo o a quello di un liquido o a quello di un solido.

• es. calcestruzzo: la pasta di cemento idratato è formata prevalentemente da silicati di calcio idratati che formano un gel rigido e resistente.

Per comprendere le proprietà di un materiale è necessario conoscere la sua struttura, il cui studio può essere svolto a diversi livelli di dettaglio:

• Struttura atomica/molecolare: che descrive le modo con cui gli atomi/molecole sono legati tra loro nel materiale.
• Struttura microscopica (microstruttura): rappresenta la struttura del materiale osservata con l'ausilio di microscopi, che consentono di individuare l'eventuale presenza di grani o costituenti.
• Macrostruttura: è la struttura del materiale come si presenta a occhio nudo.

*A questo livello il materiale è considerato nel suo insieme e viene visto come continuo e omogeneo.

Quale è la minima scala che consente di considerare correttamente il materiale in questi termini? Dipende, può variare da 1 μm per certi metalli, a 30 cm per il calcestruzzo e 1 m per una malta.

Le proprietà misurale su un volume o superficie a quello rappresentativo si possono ritenere caratteristiche dell'intero materiale.

Se queste proprietà sono le medesime in tutte le direzioni, allora il materiale è isotropo, viceversa anisotropo.

I tre principali tipi di materiali duri possono essere combinati per ottenere un materiale composito, con le quali si sviluppano nuove combinazione di proprietà.

Il tipo materiale composito è formato da

materiale di rinforzo (sotto forma di fibre o particelle) impastato in un materiale che funge da matrice.

Es. anche il calcestruzzo può essere considerato un materiale composito in cui la parte cementizia è la matrice e le apposite le armature (la armature di acciaio possono essere considerate un ulteriore rinforzo)

Proprietà:

• grandezza che determina il comportamento di un materiale chimico alla sua risposta ad esso stimolo.

La risposta del materiale può dipendere da:

• geometria: con forme diverse si hanno diverse risposte
• microstruttura: la disposizione microscopica delle particelle influenza sul macroscopia
• ambiente e umidità: temperatura d'esercizio (influente sui metalli, molto influente sui polimeri)

Proprietà

• meccaniche - risposta ad una sollecitazione di tipo meccanico
• chimiche: interazione del materiale con l'ambiente circostante (influenzano sulla durevolezza e degrado del materiale che può influire nell'aspetto visivo e/o strutturale)
• fisiche: comportamento dal punto di vista funzionale con l'ambiente circostante
• costo
• disponibilità e disponibilità
• proprietà estiche
• sostenibilità
• accettabilità

Duttilità

- Cosa è?

Attitudine di un materiale ad essere deformato plasticamente.

In base a questa definizione, distinguiamo due tipi di comportamento:

• Fragile: la rottura ha luogo senza significative deformazioni plastiche e i spezzoni possono essere riaccoppiati.
• Duttile: il materiale subisce una notevole deformazione plastica prima della rottura.

Come si può vedere:

Grafici con carico di snervamento

• Fragile
• Duttile

Come si misura?

Si misura attraverso 2 parametri:

• A%: Allungamento percentuale a rottura
• Z%: Strozzatura percentuale a rottura (per metalli)

A% = (L_f - L_o) / L_o * 100

Z% = (A_o - A_min) / A_o * 100

Cosa la influenza?

La Temperatura è un parametro che influenza fortemente la duttilità di un materiale.

• + T → + Duttilità

Proprietà Elettriche

Legge di Ohm

i = -σ dv/dx

densità di corrente [A/m²]

conducibilità elettrica Ω*m

resistività elettrica Ω*m

Proprietà Elettriche degli Isolanti

Per i materiali isolanti elettrici è molto importante che sianocaratterizzati da:

• Elevata resistività → fa sì che in presenza di elevati campi elettrici nel materiale passi una corrente trascurabile
• Bassa permittività

3. GIUNZIONICome vengono assemblati i componenti?

Nel caso di montaggio in cantiere di strutture in acciaio si ricorre a due collegamenti:

• tramite saldatura
• tramite bulloni e chiodi

Il processo di saldatura si basa sul riscaldamento dei due pezzi da unire fino ad ottenere il rammollimento oppure la fusione, in modo da collegarli con o senza materiale d’apporto.

Per gli acciai da costruzione si richiede che venga garantita la saldabilità, ossia la possibilità di essere sottoposti a saldatura con le normali tecniche da cantiere senza la necessità di successivi trattamenti termici.

Dettaglio giunzione

In una giunzione interessata da saldatura per fusione si possono individuare tre zone metallurgicamente diverse:

1. zona di completa fusione: costituita da una miscela di materiale d’apporto e materiale di base fusi insieme (se la saldatura avviene con materiale d’apporto) oppure da un metallo di base fuso e risolidificato (se la saldatura avviene senza materia d’apporto)
2. zona termicamente alterata: in questa zona le operazioni di saldatura possono portare il materiale a subire un ciclo termico di riscaldamento e raffreddamento che può alterarne in modo significativo le proprietà metallurgiche e meccaniche. I fenomeni che possono avvenire in questa zona sono di diverso tipo:
• nelle zone che superano la temperatura critica avviene un ingrossamento del grano austenico e la formazione di strutture dure;
• nelle zone che raggiungono una temperatura massima poco inferiore alla temperatura critica vi è la diminuzione della resistenza meccanica, l’infragilimento e l’indurimento per la formazione di precipitati incoerenti.

Per garantire buone caratteristiche meccanica al giunto di saldatura, questi fenomeni non si devono verificare o comunque non devono causare la formazione di microcricche nella zona saldata.

Per gli acciai da costruzione viene comunemente utilizzato un indice di saldabilità legato al contenuto di elementi di lega, detto carbonio equivalente (CE). Se CE ≤ 0.45 l’acciaio si considera saldabile nelle normali condizioni di cantiere. Se CE > 0.45 risulta difficile ottenere giunti di buona qualità.

3. materiale base inalterato.