Prove facsimile esame Scienza e tecnologia dei materiali

E

Ϭ e ɛ

9. Si definiscano i seguenti parametri meccanici, indicandoli anche opportunamente sul grafico sigma-epsilon

riferito a un materiale metallico duttile: limite elastico convenzionale, deformazione a rottura, tenacità.

ɛ

Ϭ plastica Tenacità

E

Ϭ 0,2 ɛ

10. Sul grafico sigma-epsilon riferito a un materiale metallico duttile si identifichino i tre campi di

comportamento che caratterizzano la curva meccanica. Lo studente li indichi nella figura e spieghi a quale

comportamenti/fenomeni sono attribuibili.

Ϭ Ϭ R Ϭ = Limite di snervamento

y

Ϭ y Ϭ = Limite elastico

e

Ϭ = Resistenza a rottura

R

Ϭ e ɛ

11. Si definisca il limite elastico convenzionale, anche facendo riferimento al grafico sigma-epsilon riferito a un

materiale metallico duttile, spiegando le ragioni per le quali questo parametro meccanico dev’essere definito.

Ϭ Ϭ = Limite elastico convenzionale: sollecitazione

0,2

che provoca nel materiale una deformazione

Ϭ plastica permanente, dello 0,2%, e vale per tutti i

0,2 materiali

ɛ

12. In merito al comportamento sotto sollecitazione dei materiali ceramici, si commentino le curve meccaniche

a trazione e compressione ricavabili da uno stesso materiale, giustificando la differenza di comportamento anche

con riferimento alla teoria di Griffith.

Fragile

Ϭ (ceramiche) Fragile (ceramiche) = i materiali fragili, come le

ceramiche, sono caratterizzati da una minor

resistenza a sollecitazione e, quindi, un limite di

rottura inferiore

ɛ

13. Si definisca cosa si intende per materiale a comportamento fragile e materiale a comportamento duttile,

attribuendo ad ognuno dei comportamenti l'opportuno grafico sforzo-deformazione.

Fragile

Ϭ Fragile = Materiale con minor resistenza a

Duttile sollecitazione e, quindi, limite di rottura inferiore

Duttile = Materiale con maggior resistenza a

sollecitazione e, quindi, limite di rottura superiore

ɛ

14. Si descrivano le modalità di conduzione di una prova a trazione uniassiale su un materiale metallico duttile:

geometria e natura dei provini; condizioni di prova; costruzione della curva meccanica.

La conduzione di una prova a trazione uniassiale su un materiale metallico duttile avviene tramite l’utilizzo di provini

detti a “osso di cane”, perché costituiti da due parti esterne di larghezza maggiore e una interna di larghezza minore,

e soprattutto avviene secondo le seguenti fasi: deformazione omogenea, strizione e rottura.

Altre proprietà

1. Come si definisce la conducibilità termica? Da cosa è generato il flusso di calore e come esso è correlato alla

conducibilità termica? Si ricordi la semplice espressione, definendo tutti i parametri in essa presenti.

La conducibilità, o conduttività, termica si definisce come il trasporto dell’unità di calore all’interno del materiale: il

flusso di calore, o flusso termico, avviene in presenza di uno squilibrio termico (il materiale presenta al suo interno

delle differenze di temperatura tra una zona e l’altra, detto gradiente termico), e ciò avviene in quanto il materiale

tende all’equilibrio termico.

q = - k x ΔT/Δx

q = flusso termico; k = conducibilità termica; ΔT = variazione di temperatura; Δx = distanza di misurazione tra due

punti.

2. Quali sono i due principali meccanismi attivi a livello atomico per generare la conduzione termica? Quali

parametri composizionali, di legame chimico, di struttura atomica li influenzano e come?

I due principali meccanismi attivi a livello atomico per generare la conduzione termica sono le vibrazioni atomiche (o

fononi) e il moto ed urti tra elettroni liberi. Essi sono influenzati dalla conduzione elettronica e dalla

vibrazione/oscillazione: nel primo caso, gli elettroni accumulano calore e lo trasformano in energia cinetica,

trasferendo il calore dalle zone più calde del materiale a quelle più fredde mentre, nel secondo caso, le oscillazioni

diventano sempre più importanti dove la temperatura è elevata, ma il trasporto non continuo di energia fa sì che

siano trasferiti pacchetti ben definiti di energia, detti pacchetti quantici.

3. Si giustifichino, anche sulla base dei meccanismi di conduzione termica e dei parametri che li influenzano, le

differenze di conduttività termica tra metalli, ceramiche e materie plastiche.

Parlando di conducibilità termica, i metalli sono ottimi conduttori (i migliori, in quanto al loro interno questi due

meccanismi sono entrambi attivi ed efficienti), le ceramiche sono pessimi conduttori, ma buoni isolanti termici,

mentre le materie plastiche (o polimeriche) sono i migliori isolanti termici.

4. Come si definisce nel suo complesso il fenomeno della dilatazione termica? Si scriva la semplice relazione

che permette di ricavare il coefficiente di dilatazione termica lineare "alfa", definendo con cura i parametri in essa

presenti.

La dilatazione termica si definisce come un fenomeno fisico reversibile: se la temperatura cresce il volume cresce,

mentre se la temperatura diminuisce il volume diminuisce.

α = ΔL/L / ΔT

0

α = coefficiente di dilatazione termica lineare; ΔL = variazione di lunghezza; L = lunghezza iniziale; ΔT = variazione di

0

temperatura.

5. Si definisca il fenomeno della dilatazione termica e si motivino le differenze di comportamento tra le tre

principali categorie dei materiali.

La conducibilità, o conduttività, termica si definisce come il trasporto dell’unità di calore all’interno del materiale: il

flusso di calore, o flusso termico, avviene in presenza di uno squilibrio termico (il materiale presenta al suo interno

delle differenze di temperatura tra una zona e l’altra, detto gradiente termico), e ciò avviene in quanto il materiale

tende all’equilibrio termico.

Parlando di conducibilità termica, i metalli sono ottimi conduttori (i migliori, in quanto al loro interno questi due

meccanismi sono entrambi attivi ed efficienti), le ceramiche sono pessimi conduttori, ma buoni isolanti termici,

mentre le materie plastiche (o polimeriche) sono i migliori isolanti termici.

6. Si definisca cosa è lo shock termico e, anche richiamando la relazione che definisce la sollecitazione generata

dal fenomeno di shock termico e quella relativa alla Resistenza allo Shock Termico (RST), si spieghi quali materiali

sono particolarmente sensibili a tale fenomeno.

Lo shock termico si definisce come una variazione repentina/brusca di temperatura, che porta alla dilatazione o

contrazione istantanea del materiale, la quale a sua volta causa la sollecitazione interna del materiale.

La resistenza allo shock termico (RST) è, come dice il termine, la capacità di un materiale di resistere a tale

fenomeno: ad esempio, i metalli resistono molto bene a tale fenomeno, al contrario delle ceramiche.

7. Si definiscano le interazioni possibili tra la radiazione solare e i materiali, con particolare riferimento a una

lastra vetraria.

Quando la luce incide sulla superficie di un materiale, la radiazione può essere: trasmessa, assorbita (può essere

assorbita e poi ritrasmessa verso l’interno e verso l’esterno) o riflessa. Una lasta vetraria (materiale trasparente)

trasmette la luce con riflessione e assorbimento ridotti.

8. Si definisca, in funzione dell’interazione con la radiazione solare, cosa si intende per materiale trasparente,

opaco e traslucido, proponendo anche un esempio per ognuna delle tre tipologie di comportamento.

Un materiale trasparente (es: vetro) trasmette la luce con riflessione e assorbimento ridotti; un materiale opaco (es:

legno) non trasmette la luce, la radiazione è parzialmente riflessa e parzialmente assorbita; un materiale lucido (es:

vetro smerigliato) trasmette la luce con rilevante diffusione.

9. Si definisca la differenza di comportamento tra un materiale fonoassorbente e un materiale fonoisolante. Si

definisca quindi il coefficiente di assorbimento acustico a per un materiale fonoassorbente, anche attraverso

l’appropriata relazione.

Un materiale fonoisolante riduce la trasmissione del suono, mentre un materiale fonoassorbente attenua la

riflessione dell’onda sonora.

a = (l + l )/l

d t

Il coefficiente di assorbimento acustico a è la frazione di intensità acustica non riflessa. l = intensità sonora dissipata;

d

l = intensità sonora trasmessa; l = intensità sonora incidente.

t

10. Si definisca la differenza di comportamento tra un materiale fonoassorbente e un materiale fonoisolante. Si

definisca quindi il ruolo della tipologia di porosità nel caso dei materiali fonoassorbenti.

Un materiale fonoisolante riduce la trasmissione del suono, mentre un materiale fonoassorbente attenua la

riflessione dell’onda sonora.

Nel caso di materiali fonoassorbenti, i materiali porosi a celle chiuse sono meno fonoassorbenti dei materiali porosi a

celle aperte e fibrosi.

11. Si definisca cosa sono le efflorescenze e le subflorescenze, quali materiali le possono presentare e perché,

come si manifestano e quali danni producono, ricordando anche le differenze tra di loro.

Le efflorescenze (inverno) sono depositazioni di sali che si concentrano sempre di più per via dell’evaporazione

dell’acqua e sedimenti sulla superficie del materiale.

Le subflorescenze (estate) sono come le efflorescenze ma sotto la superficie, ossia internamente al materiale.

Entrambe possono presentarsi nei laterizi e nel calcestruzzo tramite il degrado degli intonaci o tramite la presenza di

macchie di salnitro sulla pietra.

12. Si definisca cosa si intende per porosità aperta e porosità chiusa, elencando anche le principali conseguenze

del tipo di porosità a livello di proprietà e prestazioni del materiale.

I materiali con porosità chiusa (pori non interconnessi tra di loro) sono meno fonoassorbenti dei materiali a porosità

aperta (pori interconnessi tra di loro).

13. Quali proprietà meccaniche e come sono influenzate dalla presenza di porosità nei materiali?

Le proprietà meccaniche influenzate dalla presenza di porosità aperte o chiuse sono la resistenza meccanica, la

densità e la durabilità, ma anche l’isolamento termico e acustico. Ciò dipende dal raggio dei pori e dalla loro

distribuzione.

14. Quali sono le due tipologie di porosità che possono essere presenti nei materiali? Come influenzano la loro

densità, resistenza meccanica e durabilità?

I materiali si distinguono in: a porosità chiusa (pori non interconnessi tra di loro, meno fonoassorbenti) e a porosità

aperta (pori interconnessi tra di loro).

Le proprietà meccaniche influenzate dalla presenza di porosità aperte o chiuse sono la resistenza meccanica, la

densità e la durabilità, ma anche l’isolamento termico e acustico. Ci