Tecnologia meccanica - Appunti 1° e 2° parte

La scelta del materiale appropriato per un prodotto meccanico funzionale

Oggi è disponibile una vasta gamma di materiali, ciascuno dei quali presenta proprie caratteristiche e proprietà che lo rendono conforme per un determinato utilizzo invece che per un altro. A livello ingegneristico i materiali più utilizzati sono soprattutto i metalli e le varie leghe ferrose che si ottengono combinando più metalli tra loro. La scelta del materiale più appropriato è fondamentale per la realizzazione di un prodotto meccanico funzionale. Il progettista deve saper individuare quale materiale è più indicato per il tipo di lavorazione a cui sarà sottoposto. Per fare ciò c'è bisogno di una vasta conoscenza delle caratteristiche meccaniche che ciascun materiale presenta. Inoltre sappiamo che un materiale può presentare una proprietà invece che un'altra a seconda del tipo di processo lavorativo a cui viene sottoposto. I processi produttivi che più influenzano le

Le caratteristiche di un materiale sono i processi produttivi a caldo. È quindi importante definire il processo produttivo che si vuole attuare prima di scegliere il materiale. Inoltre si ricorda che l'aggiunta di determinati elementi a materiali metallici porta alla creazione di leghe che presentano caratteristiche fisiche, meccaniche e chimiche diverse da quelle possedute dal metallo puro.

Le proprietà del materiale sono strettamente legate alla sua struttura cristallina e quindi alle dimensioni del grano. Le dimensioni di quest'ultimo sono dipese dal processo produttivo a cui si sottopone il materiale.

Grano: sono i piccoli, spesso microscopici cristalli che compongono un materiale policristallino. In effetti, la materia cristallina raramente è presente allo stato di monocristallo. Di solito si presenta sotto forma policristallina, vale a dire composta da più monocristalli legati l'uno all'altro. La dimensione di un grano può variare da

alcuni nanometri a molti millimetri. Se i singoli grani sono orientati casualmente, un volume abbastanza grande di materiale sarà approssimativamente isotropo. Questa proprietà aiuta a semplificare i concetti della meccanica del continuo applicata ai solidi reali. La maggior parte dei materiali prodotti possiede un certo allineamento dei loro grani, il che deve essere tenuto in considerazione per previsioni accurate del loro comportamento e caratteristiche.

Anisotropia/Isotropia: le proprietà fisiche dei monocristalli di alcune sostanze dipendono anche dalla direzione lungo la quale vengono misurate. Tale cosa è detta anisotropia. Essa dipende dalla variazione della distanza interatomica in relazione alla direzione lunga la quale tali proprietà vengono misurate. I materiali per i quali le proprietà sono indipendenti dalle direzioni lungo le quali vengono misurate vengono detti isotropi.

Strutture cristalline: I materiali solidi possono essere

classificati in base alla regolarità con cui gli atomi e gli ioni si dispongono nello spazio gli uni rispetto agli altri. Detto ciò si suddividono le sostanze solide in: solidi cristallini e solidi amorfi. I primi sono solidi nei quali è possibile sempre individuare un "motivo" che si ripete regolarmente lungo qualsiasi direzione. Mentre nei solidi amorfi tale motivo è difficile da individuare. La regolarità presente nei solidi cristallini permette di conferire al solido una forma, un colore, e le proprietà anisotrope (direzione, conduzione elettrica, conduzione termica e proprietà ottiche). Inoltre, per i solidi cristallini si parla di reticolo, ovvero una griglia tridimensionale nella quale i punti di intersezione tra le diverse linee coincidono con i centri delle posizioni occupate dagli atomi. Da tutto ciò segue che la struttura dei metalli è caratterizzata da un numero eccessivo di atomi e da un elevato grado di.densità di impacchettamento degli atomi. Per dare un'idea di tale struttura si può pensare agli atomi come a delle sfere rigide equidimensionali che si dispongono in modo tale da massimizzare l'impacchettamento al fine di ridurre al minimo l'energia interna della molecola. Si verifica facilmente che si può ottenere il massimo impacchettamento disponendo le sfere secondo una geometria esagonale. Nello strato successivo le sfere si dispongono negli avvallamenti del primo strato. Per il terzo strato abbiamo due possibilità: posizionare 3 sfere in modo che risultino perfettamente sopra a quelle del primo strato (esagonale compatta), oppure posizionare le sfere negli spazi che risultano sfalsati rispetto alle sfere del primo strato. Le strutture cristalline più importanti sono la struttura cubica semplice, la struttura cubica corpo centrato, la struttura cubica a facce centrate e la struttura esagonale compatta. 19- Densità teorica: La

La conoscenza della struttura cristallina di un metallo consente di valutarne la densità teorica.

nAρ = n = numero di atomi associati ad ogni cella unitaria

VNA = peso atomico c aV = volume della cella elementare

cN = numero di Avogadro (6.022 x 10^23)

Struttura cristallografica dei metalli

Quando un metallo solidifica, i suoi atomi si dispongono in configurazioni ordinate chiamate cristalli; la disposizione degli atomi nel cristallo è chiamata struttura cristallografica. Si introduce il concetto di cella elementare, ovvero una regione di spazio, che quando ripetuta attraverso vettori lungo ogni direzione, riempie tutto lo spazio senza lasciare vuoti. Si può così considerare la cella elementare come l'unità strutturale di base per la costruzione del reticolo cristallino. Nella maggior parte dei casi la cella elementare presenta come forma geometrica un parallelepipedo o un prisma. Nei materiali metallici, il legame tra gli atomi ha una natura di per sé adirezionale.

Nederiva che non ci sono particolari restrizioni imposte al numero e alla posizione degli atomi all'interno del reticolo cristallino. Ogni cristallo cresce in modo indipendente, con orientazioni casuali. Esistono strutture cristallografiche diverse che si formano a causa delle differenze di energia che viene immagazzinata.

I metalli sono costituiti da molti cristalli, quindi vengono definiti materiali policristallini. Per tali materiali si dice che si ha un fenomeno di polimorfismo.

La crescita dei cristalli/grani è fortemente influenzata dalla temperatura alla quale avviene la solidificazione e da quale processo viene applicato al metallo. Abbiamo infatti che un raffreddamento rapido comporta una velocità di solidificazione maggiore e di conseguenza i grani che si formeranno avranno dimensioni minori. Per processi di solidificazione più lenti avremo invece grani che presenteranno dimensioni maggiori. Molto importante, nella formazione dei grani, è anche la nucleazione.

Essa rappresenta il primo stadio di formazione del cristallo. Una velocità di nucleazione elevata porta alla formazione di un numero elevato di grani di dimensioni piccole. Una velocità di nucleazione più bassa porta invece alla formazione di meno grani, ma di dimensioni più grandi. La fase successiva alla nucleazione è l'accrescimento dei cristalli. Se tale fase avviene a velocità elevate avremo la presenza di meno grani ma con dimensioni maggiori. A questo punto i grani iniziano ad interfacciarsi tra loro. Le superfici che separano i grani sono chiamate bordi dei grani. Concludiamo che i grani stanno alla base delle proprietà dei materiali. Infatti abbiamo diverse proprietà meccaniche a seconda delle dimensioni e del numero dei grani. Per esempio per metalli con grani di grandi dimensioni si osserva una bassa resistenza meccanica, una bassa durezza, ma un'elevata duttilità. Difetti strutturali (ripasso tecnologia dei

La ripetizione omogenea-periodica di atomi che è all'origine della formazione di un cristallo, si realizza quasi sempre in maniera imperfetta e la sua perfezione è comunque inversamente proporzionale alle dimensioni. Maggiori sono le dimensioni di un cristallo, più prolungato è stato il suo tempo di accrescimento e minori sono le probabilità di avere un cristallo perfetto. I difetti strutturali si suddividono in difetti puntuali, difetti lineari, difetti planari e difetti di volume.

- Difetti puntuali: I difetti puntuali si verificano in singoli punti della ripetizione omogeneo-periodica (disturbano l'ordine a corto raggio). Essi comportano o la presenza di atomi in posizione interstiziale, o la loro assenza in alcune posizioni. Essi si suddividono in difetti intrinseci e difetti estrinseci. Difetti puntuali intrinseci hanno la caratteristica di lasciare invariata la stechiometria del minerale. Tali difetti si

sua stabilità, può portare alla formazione di difetti puntuali. Questi difetti possono essere di due tipi: difetti di Frenkel e difetti di Schottky. Un difetto di Frenkel si verifica quando un catione lascia la sua posizione normale nel reticolo cristallino e si sposta in una posizione interstiziale, lasciando una lacuna nella sua posizione originale. Questo tipo di difetto è comune nei composti ionici in cui il raggio del catione è significativamente più piccolo rispetto al raggio dell'anione. Un difetto di Schottky si verifica quando un paio di ioni, uno catione e uno anione, lasciano le loro posizioni normali nel reticolo cristallino e creano due lacune. Questo tipo di difetto è comune nei composti ionici in cui i raggi degli ioni sono simili. In entrambi i casi, i difetti puntuali possono influenzare le proprietà del materiale. Ad esempio, i difetti di Frenkel possono aumentare la conducibilità elettrica e termica, mentre i difetti di Schottky possono influenzare la densità e la durezza del materiale. In conclusione, i difetti puntuali sono comuni nei materiali cristallini e possono avere un impatto significativo sulle loro proprietà. La comprensione di questi difetti è fondamentale per lo sviluppo di materiali con proprietà desiderate.stabilità della struttura, viene raggiunto attraverso la simultanea presenza di due difetti di carica opposta. Avremo quindi i difetti di Schottky (due vacanze, una positiva e l'altra negativa) o i difetti di Frenkel (presenza di uno ione interstiziale e di una vacanza). Difetti puntuali estrinseci possono essere di due tipi, interstiziali e sostituzionali. Entrambe sono caratterizzate dall'ingresso, all'interno di un cristallo, di un atomo estraneo alla sua formula. Nelle impurezze interstiziali l'atomo estraneo va ad occupare uno spazio interstiziale all'interno della struttura. Nelle impurezze sostituzionali, invece, l'atomo occupa una posizione che risultava vacante. - Difetti lineari: interrompono la regolarità di una struttura lungo una linea. Sono rappresentati principalmente dalle dislocazioni, ovvero dalla disposizione di una fila di atomi difettati attorno ai quali gli altri atomi sono disposti in maniera irregolare. Spesso tali