Strutture

-LA STRUTTURA DEI MATERIALI-

MATERIALI PER COSTRUZIONE

Il materiale può essere la di erenza di due oggetti apparentemente identici, di cui uno funziona

bene e dura vent’anni e l’altro si rompe subito o dura pochissimo.

ES: un coltello dell’Ikea costerà meno di uno comprato dal ferramenta ma durerà di meno, c’è una

di erenza importante di materiale. In questo caso si parla della durezza, cioè la resistenza alla

deformazione super ciale, devono avere anche un minimo di tenacità e resilienza. Trattandosi di

coltelli in acciaio, deve essere anche resistete alla corrosione, caratteristica dei materiali in Lega.

Altra proprietà rilevante, non deve essere composto di materiali tossici.

Quindi, l’insieme di queste proprietà e la scelta dei materiali è un compromesso accurato che

riguarda quella speci ca applicazione, quindi prevede i materiali migliori, c’è molta ricerca e i costi

possono essere elevati.

Quasi tutti i componenti meccanici devono essere progettati in modo che la tensione equivalente

all’interno del pezzo sia sempre minore del carico di snervamento perché nel momento in cui

avviene una deformazione plastica (non per fora uno svezzamento) viene considerato rotto nella

progettazione. Invece nelle tecnologie di produzione lo stesso parametro rappresenta un criterio

di plasticità, dobbiamo necessariamente raggiungere il carico di snervamento per ottenere una

deformazione plastica.

>I materiali da costruzione vengono classi cati in base alla loro natura chimica

Abbiamo materiali metallici molto

importanti nella meccanica, nel settore

edilizio e abbiamo un ulteriore divisione

tra le leghe ferrose, quindi con una

prevalenza di ferro che comprende gli

acciai e le ghise, hanno un rapporto di

resistenza e costo molto elevato. Poi ci

sono i metalli non ferrosi come

alluminio, rame, magnesio, titanio, in

particolare le leghe di alluminio hanno

un miglior rapporto tra resistenza

meccanica e densità.

SOSTANZE AMORFE E CRISTALLINE

Le sostanze solide possono presentarsi allo:

› Stato AMORFO: atomi e molecole occupano lo spazio in modo disordinato, come nei liquidi. Le

sostanze amorfe (vetri, alcuni polimeri, ecc.) sono liquidi ad alta viscosità con fortissimo attrito

interno, tale da vincere l’azione della gravità.

› Stato CRISTALLINO: atomi disposti ordinatamente e legati a determinate posizioni. Questo

reticolo geometrico spaziale può avere solitamente diverse possibilità di simmetria. Considerando

una porzione del reticolo cristallino, la più piccola possibile ma tale da conservare ancora tutte le

caratteristiche di simmetria del cristallo, otteniamo una cella elementare.

› I reticoli cristallini furono ipotizzati da Bravais nel 1850 allo scopo di poter disporre di modelli per

la spiegazione di determinate proprietà dei materiali. In seguito l’esame ai raggi X ha permesso di

rivelarne la reale esistenza.

ff fi fi ff fi

LE STRUTTURE CRISTALLINE

I metalli e le leghe vengono ottenuti per solidi cazione dalla fase liquida, durante la solidi cazione

gli atomi si organizzano per minimizzare l’energia libera. Ci sono perimateriali cristallini, 7 tipi di

sistemi cristallini che danno origine a tutti i tipi possibili di reticolo e poi ci sono possibili varianti

nell’unità elementare base, quindi a seconda del materiale, la temperatura e la pressione:

-Semplice

-Corpo centrato

-Facce centrate

-Base centrata

STRUTTURE CRISTALLINE PIU’ COMUNI NEI METALLI

Il tipo di sistema cristallina un’in uenza molto importante sulle proprietà meccaniche. A noi

interessano tre celle unitarie: Cubica a corpo centrato (CCC);Cubica a facce centrate (CFC); Cella

esagonale compatta (EC)

CUBICA A CORPO CENTRATO (CCC) Vediamo la struttura cristallina

caratterizzata da una cella

unitaria a corpo centrato e

da piani a minore densità

atomica rispetto ad altre

strutture; di conseguenza la

tensione di taglio necessaria

per provocare scorrimento

risulta alta

METALLI DURI

In sostanza, la cella unitaria è composta da 4 atomi nella faccia superiore, 4 atomi nella faccia

inferiore e un atomo al centro. Ogni cristallo o materiale monocristallino è composto da una cella

unitaria ripetuta più volte nello spazio. I metalli con questa struttura sono i più duri e resistenti

(Ferro, quindi l’acciaio, ferro Alfa è uno Stato alotropico del ferro a temperatura ambiente, quindi

in sostanza acciaio a temperatura ambiente, cromo, molibdeno, tungsteno e vanadio, quindi sono

tutti metalli duri, duri e resistenti, perché solitamente la durezza è legata anche alla resistenza).

fl fi fi

CUBICA A FACCE CENTRATE (CFC)

Qui vediamo la struttura cristallina caratterizzata da una cella unitaria a facce centrate, abbiamo 5

atomi su tutte le facce, quindi è caratterizzata da piani ad alta densità atomica che conferiscono

una minore tensione di taglio necessaria per provocare scorrimento (METALLI DUTTILI, alluminio,

rame, argento, oro)

ESAGONALE COMPATTA (EC) La struttura cristallina è caratterizzata da una cella unitaria

esagonale, abbiamo 7 atomi sulla faccia superiore, 7 sulla

faccia inferiore e 3 atomi al centro. In questo caso non è

una questione di densità atomica, ma ci sono pochi piani

di scorrimento, di conseguenza i metalli sono fragili e non

si deformano plasticamente (magnesio e titanio)

ANISOTROPIA

Una struttura reticolare ha proprietà siche e meccaniche diverse a seconda delle direzioni o dei

piani considerati. A seconda del piano che scelgo la distanza tra atomi è diversa, per cui quando

diciamo densità atomica elevata, gli atomi sono più vicini e quindi la densità atomica del piano A è

maggiore del piano B che a sua volta è maggiore del piano C.

Quindi in realtà, a livello del singolo grano, ottengo delle proprietà meccaniche diverse a seconda

della direzione all’interno di un metallo.

TENSIONE TANGENZIALE DI SCORRIMENTO:

È quella tensione necessaria per ottenere una deformazione permanente e

quindi uno scorrimento atomico e nei metalli è proporzionale alla distanza tra

atomi nel piano e inversamente proporzionale alla distanza tra piani di atomi

fi

DENSITA’ ATOMICA E SCORRIMENTO

CRISTALLIZZAZIONE DEI METALLI PURI

Fin ora abbiamo parlato di elementi metallici monocristallini perfetti. Durante la solidi cazione

otteniamo sempre leghe metalliche, abbiamo dei rallentamenti locali, quindi ci avviciniamo alla

temperatura di solidi cazione, due atomi che si trovano vicini e hanno un moto su cientemente

centro di cristallizzazione).

lento si legano, poi arriva un altro atomo e si lega (si chiama Da qui

parte la solidi cazione. Ci sono diversi centri di cristallizzazione che si formano

contemporaneamente all'interno del liquido, poi crescono i grani poliedrici nché non incontrano

un'altro grano, poi si forma il bordo di grano, ci sono dei legami irregolari in questa zona e poi la

solidi cazione è completa.

centro di cristallizzazione Nella fonderia la solidi cazione

avviene grazie allo scambio

termico tra la lega liquida e il

contenitore, quindi la lega liquida

perde energia attraverso il

contenitore, attraverso la sabbia

oppure attraverso lo stampo

metallico. Talvolta dai primi

individui cristallini (cristalli primari)

si dipartono, durante

l’accrescimento, nuovi cristalli

secondo altre direzioni (cristalli

secondari) e da questi altri ancora.

struttura dendritica

La struttura che si ottiene prende il nome di (dal greco déndron, albero).

Anche in questo caso la crescita si arresta per interferenza.

DIFETTI PUNTUALI NEI CRISTALLI

I difetti possono essere puntuali, possono avere la presenza di atomi estranei che possono

sostituire un atomo di quelli prevalenti, oppure può inserirsi tra gli atomi, quindi nel primo caso

sostituzionali, interstiziali.

sono nel secondo caso sono Questi atomi sforzano il reticolo e

ostacolano lo scorrimento atomico, di conseguenza la presenza di atomi strani va ad aumentare

la resistenza meccanica. Possiamo avere anche la mancanza di atomi in certe posizioni, la

vacanza reticolare è un posto del reticolo non occupato.

fi fi fi fi fi ffi fi

DISLOCAZIONI

Le dislocazioni sono imperfezioni lineari formatesi durante la crescita dei cristalli o a

seguito di sollecitazioni esterne. Esistono dislocazioni di diverso tipo (a spigolo, ad elica). La

presenza delle dislocazioni spiega il fenomeno per cui lo sforzo tangenziale Ts per provocare lo

scorrimento secondo piani preferenziali risulta molto inferiore rispetto allo sforzo calcolato

basandosi sull’energia di legame. Ts risulta minore per dislocazioni di maggior lunghezza e quindi

per grani di dimensioni maggiori. La teoria delle dislocazioni spiega il fenomeni della

deformazione plastica: lo sforzo tangenziale Ts per

provocare scorrimento secondo piani preferenziali risulta

molto inferiore rispetto allo sforzo calcolato basandosi sulla

energia di legame. Ts risulta minore per dislocazione di

maggior lunghezza e quindi per grani di dimensione

maggiore. Conseguenza è la struttura a mosaico del singolo

cristallo costituito da blocchi atomici.

IL FENOMENO DELL’INCRUDIMENTO

incrudimento.

Le dislocazioni provocano un fenomeno chiamato Nel momento in cui vado a

deformare il materiale, le dislocazioni iniziano a scorrere, quindi in campo plastico, inizia la

deformazione plastica permanente, però a un certo puntolo esaurito tutti i percorsi possibili di

deformazioni, quindi devo applicare un’attenzione maggiore per provocare condizioni di

scorrimento nuove a maggior costo. quindi più che vado avanti con la deformazione devo creare

sempre nuove condizioni di scorrimento a maggior costo, sale la forza necessaria per ottenere la

deformazione permanente. Il metallo così presenta un accumulo di dislocazioni, ed un

conseguente accumulo di energia potenziale, ed una più elevata durezza e resistenza. Questo

stato di coazione determina l’incrudimento del materiale e può essere più o meno rapido a

seconda del materiale e del tipo di sollecitazione applicata.

L’incrudimento aumenta le caratteristiche di resistenza meccanica, la durezza, il limite elastico

della curva sforzo-deformazione. Allo stesso tempo diminuisce la deformabilità del materiale

(malleabilità, duttilità), la lavorabilità alle macchine utensili, la resistenza all’urto (resilienza)

avendolo reso più fragile.

Se riscaldiamo il nostro materiale al di sopra di una certa temperatura, che si chiama

temperatura di ricristallizzazione, iniziano a formarsi nuovi grani. Il sistema vuole sempre

minimizzare l’energia libera. Per a