Tecnologia meccanica pag. 33-46

Tipi di materiali

Metalli

Nell’industria manifatturiera vengono impiegate diverse categorie di materiali. Non vedremo le fasi iniziali di produzione: cioè come si può passare dal minerale di ferro, o di alluminio, al ferro o alluminio lavorati, ad esempio. Nel seguente grafico (figura 5-2) vengono indicate alcune modalità di lavorazione per passare dai materiali di partenza a dei semilavorati intermedi:

Il corso di tecnologia meccanica si occupa di tutti i processi che sono indicati nella seconda metà del grafico (quella evidenziata dal riquadro tratteggiato). I metalli costituiscono la categoria più importante nel settore manifatturiero: prima dell’arrivo dell’elettronica e delle materie plastiche, gli acciai costituivano gli indicatori di valutazione del settore manifatturiero di una nazione. L’acciaio è considerato il metallo “per eccellenza” tuttora, però esistono dei metalli che dal punto di vista industriale sono estremamente importanti. Un esempio sono le leghe di nichel, che sono anche chiamate superleghe, che presentano caratteristiche meccaniche a caldo che non sono raggiungibili da altre leghe metalliche.

Anche il titanio si sta facendo valere, in quanto presenta una combinazione tra leggerezza e resistenza meccanica che è alquanto interessante: nelle auto da corsa, per esempio, sono presenti componenti meccanici in lega di titanio. Oggi ciò che è importante è il valore aggiunto: si possono realizzare piccoli prodotti metallici aventi molto valore aggiunto, quindi non è più rilevante la quantità di produzione ai fini dell’utile dell’azienda.

I metalli puri dal punto di vista industriale sono importanti per le leghe che si possono ottenere da essi. Generalmente i metalli puri passano per un apparato di fusione, ma esiste un percorso secondario che, tramite processi chimici specifici, permette di saltare la fusione per essere realizzati sotto forma di polveri (sinterizzazione di metalli), oppure subiscono un’atomizzazione (produzione di piccole particelle di metallo) per realizzare dei rivestimenti (“deposition”).

Ora esaminiamo la tabella seguente: dobbiamo avere un’idea riguardo le principali proprietà meccaniche dei metalli. Nella prima colonna abbiamo alcuni metalli o leghe (denominati secondo una normativa americana, ma non ha tanta importanza); quello che ci interessa è:

• La densità,
• Il modulo di Young, E;
• La tensione di snervamento.

Al professore interessano l’alluminio A1100 ed un acciaio a basso tenore di carbonio, cioè l’AISI 1008. Inoltre vuole che sappiamo che l’alluminio ha densità di 2,71 g/cm³ (quindi che pesa il triplo dell’acqua) e che il ferro ha densità di 7,87 kg/cm³, quindi che in media pesa circa il triplo dell’alluminio; il modulo di Young vale per l’alluminio 70 GPa e per il Ferro 200 GPa (anche questo valore è circa il triplo dell’alluminio). La tensione di snervamento non ci interessa più di tanto perché quasi tutti i materiali riportati in tabella presentano un range molto ampio, così come per la tensione a rottura. La variabile che definisce il range delle tensioni è l’incrudimento. I valori delle tensioni fanno riferimento a quando il materiale è stato ricotto e a quando è incrudito.

Osservazione

Esaminiamo il “gray cast iron”: è una ghisa che non presenta né modulo di Young né tensione di snervamento. Questa infatti è una ghisa grigia: è un materiale fragile, quindi non ha comportamento elastico.

Ceramici

I materiali ceramici sono inorganici, spesso sono ossidi, carburi, ecc.; sono particolarmente interessanti in quanto presentano bassa densità e possono resistere ad alte temperature, non per niente sono anche chiamati refrattari. Alcuni prodotti sono realizzati impiegando la materia prima. Tanto per intenderci l’argilla è impiegata per fare mattoni, coppi, ecc. A noi interessano in particolare i cosiddetti ceramici termici che presentano caratteristiche di rigidezza, tenacità e resistenza a basse e alte temperature; inoltre godono di ottima resistenza alla corrosione, ma il limite dei ceramici è che sono fragili.

Per diverso tempo si è tentato di costruire motori a combustione interna con materiali ceramici perché così non serve più il circuito di raffreddamento, comportando quindi una semplificazione della geometria del motore stesso ed un maggiore rendimento, perché appunto senza il circuito di raffreddamento non c’è asportazione di calore. Ma la combustione è artefice di impulsi di forza molto consistenti che gravano sul motore facendolo rompere in tempi molto brevi.

Vediamo ora una tabella di riferimento per alcuni ceramici: Al₂O₃ è l’ossido di alluminio, che viene anche chiamato allumina, e ha una densità di circa 4 g/cm³: è più pesante dell’alluminio stesso e presenta un modulo di Young che è quasi il doppio di quello dell’acciaio. Da notare è la differenza fra la trazione e la compressione: il primo è di 310 MPa e l’altro è di 3800 MPa; evidentemente resistono di più a compressione. Il carbonio condivide alcune proprietà dei ceramici ma non è un ceramico.

Plastiche

Dal punto di vista dei volumi di produzione, le plastiche hanno superato i metalli. Introduciamo due termini: plastica e polimero: cosa significano?

Le plastiche vengono prodotte con l’impiego di molecole semplici chiamate monomeri che sono ricavate prevalentemente da petrolio, gas e carbone. Mediante un’operazione chimica chiamata polimerizzazione i monomeri vengono uniti fra di loro per creare i polimeri. L’elemento essenziale delle catene polimeriche è il carbonio, ma per passare dai polimeri alle plastiche vengono impiegati degli additivi che possono essere di vario tipo.

Anticipiamo che le plastiche possono essere classificate in due categorie, ovvero in termoplastiche o termoindurenti. Tutte le plastiche hanno bassa densità, quindi sono leggere. Commentiamo la tabella in figura 5-4: a differenza dell’HDPE, tutte le altre plastiche pesano più dell’acqua. Il modulo di Young è solo di qualche unità in GPa e le proprietà meccaniche sono modeste rispetto quelle dei metalli: parliamo di 2 o 3 ordini di grandezza in meno. Non è indicata la tensione.