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Progetto di tecnologia I.T.I.S. Vittorio Emanuele III Alunno: Federico Giovanni B. Classe |^a C
I materiali e le loro proprietà:la classificazione dei materiali • La scelta del materiale più adatto per realizzare un determinato prodotto è un’operazione preliminare di fondamentale importanza,che può incidere in misura notevole sulla qualità e sul costo del prodotto,oltre che sulla tecnica di lavorazione.Principali fattori influenti sulla scelta sono il comportamento del materiale rispetto alle sollecitazioni indotte da agenti esterni(calore,elettricità,sostanze chimiche e sollecitazioni meccaniche),la sua idoneità a determinare lavorazioni e il suo costo. • L’automobile è un tipico prodotto industriale ottenuto utilizzando una grande varietà di materiali tanto più sofisticati e costosi quanto maggiori sono le prestazioni che si vogliono ottenere in termini di sicurezza,confortezzaecc…
Classificazione dei materiali materiali metallici compositi Non metallici materiali duri sintetizzati ferrosi non Ferrosi Fibre di carbonio vetroresina naturali artificiali
Materiali metallici Costituiscono la categoria di materiali più comunemente impiegati in tutti i settori.Sono buoni conduttori di calore e di elettricità,deformabili,resistenti a sollecitazioni esterne.Alcuni tra i più noti ci sono:il ferro,l’argento,l’oro,il nichel,il cromo e lo zinco.
Materiali non metallici Possono essere costituiti da elementi solidi,liquidi e gassosi,sono cattivi conduttori di calore e di elettricità, e poco resistenti alle sollecitazioni esterne.Alcuni tra i più noti materiali non metallici sono le materie plastiche,le ceramiche,il legno,lo zolfo,il fosforo,l’azoto e l’ossigeno.
Materiali compositi • Sono costituiti da due o più materiali diversi,che vengono combinati artificialmente in modo da ottenere un materiale con proprietà particolari e del tutto differenti da quelle dei singoli componenti i quali,però,non si trasformano in un altro materiale,ma si mantengono integri e riconoscibili all’interno del composto.
Proprietà dei materiali Chimico-strutturali chimiche fisiche meccaniche tecnologiche -configurazione atomica -forma del reticolo cristallino -dimensione e orientamento dei cristalli -comportamento alla corrosione -comportamento all’ossidazione -resistenza ad attacchi biologici -attitudine a formare leghe -tossicità -resistenza al calore -resistenza al fuoco -massa volumica -dilatazione termica -temperatura di fusione -capacità termica -conducibilità termica -conducibilità elettrica -malleabilità -duttilità -imbutibilità -estruibilità -fusibilità -saldabilità -truciolabilità -temprabilità Resistenza alle forze: -statiche -dinamiche -periodiche -concentrate - d’attrito
Il reticolo cristallino • Il reticolo cristallino è una struttura tridimensionale i cui vertici sono gli atomi e le cui facce sono costituite da linee immaginarie congiungenti i vertici. • I materiali possono presentarsi con 14 celle elementari diverse,3 delle quali sono dette celle principali.Le celle principali sono: • Cella cubica a corpo centrato,costituita da 9 atomi (figura a) • Cella cubica a facce centrate,costituita da 14 atomi (figura b) • Cella esagonale,costituita da 17 atomi. (figura c) a b c
La corrosione • La corrosione è un processo di degradazione e ricomposizione con altri elementi a cui sono soggetti i metalli. Questi si trovano ad un livello energetico maggiore di quello a cui stanno i corrispondenti minerali e, in determinate condizioni ambientali, sono soggetti a corrosione. • Il processo di corrosione avviene secondo diversi meccanismi chimico/fisici. • Corrosione chimica o in ambiente secco : • È una corrosione chimica, che si manifesta quando un metallo è immerso in un'atmosfera gassosa di natura diversa da quella normale (cloro, acidi, ossigeno secco ecc.), oppure uguale ma ad elevata temperatura, le due condizioni si possono avverare contemporaneamente, favorendo così la corrosione. Le condizioni esterne (atmosfera, temperatura ecc.) e la natura del metallo possono creare una sottile pellicola di ossido stabile, dallo spessore di qualche μm, al di sotto della quale prosegue la diffusione dell'ossigeno.Si ha corrosione puramente chimica quando un metallo è immerso, in assenza di umidità, in un’atmosfera gassosa di natura diversa da quella normale oppure normale ma ad elevata temperatura: le due condizioni si possono verificare contemporaneamente favorendo la corrosione.
La corrosione • Corrosione galvanica o elettrochimica o in ambiente umido : • Il meccanismo della corrosione galvanica o elettrochimica si produce secondo un processo ad umido e si innesca quando due materiali di diverso potenziale elettrico (nobiltà differente) (può essere anche lo stesso materiale che per diversi motivi può assumere un diverso potenziale elettrico), vengono posti a diretto contatto tra di loro (accoppiamento galvanico), in presenza di un terzo elemento (elettrolito).Si viene a formare una pila di cortocircuito (cella galvanica o macrocoppia) nella quale gli elettrodi sono costituiti dai due materiali accoppiati.Si genera un flusso di elettroni dal materiale meno nobile (avente potenziale maggiore), denominato anodo o polo (o elettrodo) positivo che si ossida (dissoluzione), verso quello più nobile avente potenziale minore, denominato catodo o polo (o elettrodo) negativo che si riduce.Le reazione che avvengono durante il processo di corrosione sono tutte redox.Quindi per convenzione, nel materiale si ha la circolazione di una corrente continua i dalla zona catodica a quella anodica e una i in verso opposto nell'elettrolita, trasportata dal movimento degli ioni disciolti.Pertanto si riscontra un aumento della velocità di corrosione del materiale meno nobile (per esempio zinco, ferro, nichel) e una diminuzione della velocità dell’attacco corrosivo del materiale più nobile (per esempio rame, argento, acciaio inox).
L’ossidazione • L’ossidazione è una particolare forma di corrosione dovuta alla reazione chimica che i metalli(a esclusione dei metalli nobili)subiscono a contatto con l’aria,o meglio, con l’ossigeno presente nell’aria.Il ferro a contatto con l’aria umida si ossida e produce la ruggine.
LE PROPRIETà FISICHE • Le proprietà fisiche riguardano il comportamento del materiale rispetto agli agenti esterni,come calore,elettricità,forza di gravità,e la loro conoscenza è fondamentale per il corretto impiego del materiale. • Le proprietà fisiche più importanti dei materiali utilizzati nelle lavorazioni meccaniche sono: • Massa volumica o densità • Dilatazione termica • Temperatura di fusione • Capacità termica • Conducibilità termica ed elettrica
Le proprietà fisiche • MASSA VOLUMICA O densità: • La massa volumica è il rapporto fra la massa m di un corpo espressa in kg e il suo volume v espresso in m^3: p=m/v (kg/m^3) • DILATAZIONE TERMICA: • La dilatazione termica è la variazione della lunghezza del materiale per effetto di una variazione della temperatura.
Le proprietà fisiche • TEMPERATURA DI FUSIONE: • La temperatura di fusione è quella alla quale il materiale inizia a passare dallo stato solido a quello liquido. T °c Metallo liquido Tf Metallo in fase di liquefazione Metallo in stato solido t1 t2 t
Le proprietà fisiche • Capacità termica: • La capacità termica è la quantità di calore necessaria per aumentare di 1°C la temperatura di un corpo di massa unitaria • Materiali con alta capacità termica: • Materiali con bassa capacità termica: cromo acqua ferro carbonio nichel oro piombo argento stagno
Le proprietà fisiche • Conducibilità termica: • La conducibilità termica è la capacità del materiale di permettere il passaggio di calore. • Materiali buoni conduttori: • Materiali cattivi conduttori: alluminio rame amianto porcellana
Le proprietà fisiche • Conducibilità elettrica: • La conducibilità elettrica è la capacità del materiale di permettere il passaggio di elettricità. • Metalli buoni conduttori: • Materiali cattivi conduttori(isolanti): rame alluminio porcellana carbonio
Proprietà meccaniche • Le proprietà meccaniche di un materiale sono date dalla sua resistenza alle sollecitazioni causate da forze esterne,che producono nel materiale delle tensioni interne tendenti a modificarne l’assetto geometrico. • La durezza esprime la resistenza che il materiale oppone alla penetrazione di una punta.
Proprietà meccaniche • trazione:_ • È la sollecitazione prodotta da forze uguali e opposte che tendono ad allungare l’elemento sul cui asse sono applicate. • Compressione: • È la sollecitazione prodotta da forze uguali e opposte che tendono ad accorciare l’elemento sul cui sono applicate
Proprietà meccaniche • Flessione: • È la sollecitazione prodotta da forze agenti perpendicolarmente all’asse dell’elemento che tendono a fletterlo o piegarlo. • Torsione: • È la sollecitazione prodotta da forze che tendono a ruotare l’elemento. • Taglio: • È la sollecitazione prodotta da forze agenti perpendicolarmente all’asse dell’elemento che tendono a reciderlo
Proprietà tecnologiche • Le proprietà tecnologiche riguardano l’attitudine del materiale a essere sottoposto a determinate lavorazioni.Esse sono: • Malleabilità • Duttilità • Imbutibilità • Estruibilità • Fusibilità • Saldabilità • Truciolabilità • Temprabilità
Proprietà tecnologiche • Malleabilità: • La malleabilità è l’attitudine del materiale a essere trasformato in lamine mediante lavorazioni a caldo o a freddo senza che avvengano screpolature o rotture • Duttilità o trafilabilità: • La duttilità è l’attitudine di un materiale a essere trasformato in fili. • imbutibilità: • L’imbutibilità è l’attitudine di un materiale a essere deformato a freddo attraverso uno stampaggio profondo,detto imbutitura,senza screpolarsi o ropersi. • Estruibilità: • L’estruibilità è l’attitudine di un materiale ad acquistare determinate forme quando viene spinto attraverso un foro sagomato.
Proprietà tecnologiche • Fusibilità: • La fusibilità è l’attitudine di un materiale ad assumere la forma di uno stampo mediante fusione • Saldabilità: • La saldabilità è l’attitudine di un materiale a unirsi per fusione con un altro materiale. • Truciolabilità: • La truciolabilità è l’attitudine di un materiale a subire lavorazioni per asportazione di truciolo. • Temprabilità; • La temprabilità è l’attitudine di un materiale a subire trasformazioni della struttura quando è sottoposto a trattamenti termici consistenti in cicli di riscaldamento e di raffreddamento.
Materiali metallici • Si definiscono materiali metallici quelli costituiti da metalli o da loro leghe,ricavati dalla lavorazione di minerali attraverso vari processi metalurgici.I materiali metallici sono caratterizzati da una struttura chimica cristallina compatta e omogenea.
Materiali metallici • I materiali ferrosi: • I materiali ferrosi o siderurgici sono materiali costituiti da leghe composte quasi esclusivamente di ferro e carbonio,nelle quali il ferro svolge il ruolo di metallo principale.La percentuale di carbonio(tenore di carbonio)varia a seconda del materiale e pur essendo sempre molto bassa è l’elemento che determina le caratteristiche della lega.
Materiali metallici Materiali ferrosi o siderurgici Materiali non ferrosi (non contenenti ferro,ma costituiti da altri metalli o loro leghe) Materiali a memoria di forma cromo Alluminio e sue leghe piombo zinco magnesio ghise acciai Ferro dolce Rame e sue leghe Materiali sinterizzati nichel stagno titanio Al carbonio o semplici legati o speciali bassolegati
Tipi di materiali ferrosi ghise • I materiali ferrosi vengono distinti in: • Ghise:sono ottenute direttamente dalla fusione in altoforno del minerale ferroso;hanno un contenuto di carbonio elevato,che varia dal 2,06% al 6,67%. • Acciai:sono ottenuti mediante decarburazione parziale delle ghise,attraverso vari processi di affinazione,il loro contenuto di carbonio è inferiore al 2,06%;gli acciai possono essere suddivisi,a loro volta,in acciai semplici,speciali e bassolegati. • Ferro dolce:viene chiamato ferro dolce il materiale ferroso che ha una percentuale di carbonio inferiore allo 0,1%,ottenuta dalla decarburazione pressochè totale della ghisa. • Nota: • La decarburazione è un’operazione che consiste nell’eliminazione del carbonio in eccesso nelle leghe ferrose. acciai Ferro dolce
L’impiego dei materiali ferrosi nell’industria • I materiali ferrosi sono di uso comunissimo nell’industria,essi sono utilizzati per svariati scopi. • La ghisa per i basamenti dei motorini e per tutti i prodotti ottenuti per fusione. • Gli acciai per utensili,dotati di elevata durezza e resistenza agli sbalzi di temperatura. • Gli acciai per molle,dotati di elevata limiti elastici e massima resistenza alle sollecitazioni di esercizio • Gli acciai per bulloneria,dotati di struttura molto omogenea tale da garantire l’assenza di difetti che possono pregiudicarne l’impiego. • Gli acciai per cuscinetti,dotati di elevata durezza e resistenza all’usura e alla compressione.
Minerale ferroso: Il ciclo siderurgico • Il minerale ferroso estratto dai giacimenti,dopo essere stato sottoposto a una serie di operazioni preliminari,viene avviato al ciclo siderurgico,cioè a una successione di operazioni,che hanno inizio con la sua fusione in altoforno,attraverso le quali viene trasformato in metallo. • L’altoforno è un enorme contenitore verticale di acciaio,rivestito interamente di materiale refrattario,dentro il quale la temperatura aumenta,dall’alto verso il basso,fino a raggiungere i 1900°C. • L’altoforno lavora ininterrottamente per molti anni,producendo diverse tonnellate di ghisa al giorno,a seconda della sua potenzialità.Durante il processo di combustione il minerale fonde e viene ridotto,fino a trasformarsi in ghisa grezza:una massa fluida che viene raccolta in un grosso recipiente,detto crogiolo,posto alla base del forno
Ghisa grezza Ghisa di 1°fusione loppa • Nel crogiolo avviene la separazione della ghisa dalla loppa:quest’ultima,più leggera,galleggia sopra la ghisa liquida e può essere estratta attraverso una bocca di prelievo disposta nella parte alta del crogiolo,mentre la ghisa viene raccolta da un’apertura praticata in prossimità del fondo(ghisa di 1°fusione). • La parte di ghisa grezza destinata alla produzione dell’acciaio viene quindi avviata al processo di conversione,mentre la rimanente viene rifusa e poi colata in appositi stampi nei quali avviene un processo di raffinazione(ghisa di 2° fusione). • Al termine del processo di conversione dell’acciaio esce dal forno sotto forma di bramme,billette o lingotti. Processo di conversione in acciaio Processo di raffinazione Bramme Billette lingotti Ghisa di 2° fusione billette bramme lingotti
La ghisa • La ghisa è caratterizzata da un elevato tenore di carbonio,tra il 2,06% e il 6,67%,che,attraverso i processi di raffinazione,può essere ridotto a valori non superiori al 4%,in modo da rendere il materiale sufficientemente duttile e malleabile. • La ghisa viene classificata in base alla composizione e al tenore di carbonio. • Ghisa bianca.Si tratta di una ghisa durissima e molto fragile,nella quale il carbonio è allo stato combinato. • Ghisa grigia.Contiene carbonio in forma libera e si presta a essere lavorata con macchine utensili perché è meno dura e quindi meno fragile della ghisa bianca. • Ghisa malleabile.E’ ottenuta per riscaldamento della ghisa bianca e, a seconda del trattamento termico adottato,può essere bianca o nera. • Ghisa sferoidale.Di produzione molto più recente delle altre ghise,è ottenuta dalla ghisa grigia con l’aggiunta di magnesio e nichel.
Conversione della ghisa in acciaio • La ghisa viene trasformata in acciaio attraverso un processo, chiamato conversione della ghisa,consiste sostanzialmente nella riduzione del contenuto di carbonio della ghisa(decarburazione)fino a raggiungere il tenore di carbonio previsto per i vari tipi di acciaio. • Alla decarburazione si accompagnano operazioni di correzioni della lega(desilicizzazione,defosforazione,desolforazione,disossidazione,degassicizzazione)che riducono le impurità e modificano le percentuali di alliganti. • Al termine del processo di decarburazione si effettuano le operazioni di colata,attraverso le quali l’acciaio,affinato all’interno dei forni o dei convertitori,viene versato allo stato liquido in un recipiente,la siviera,sul cui fondo è praticato un foro di colata la cui apertura è regolabile tramite un tampone di chiusura
L’acciaio • Esistono molti tipi di acciaio,ciascuno dei quali è dotato di caratteristiche specifiche a seconda del tenore di carbonio: • Elevata resistenza a trazione e compressione; • Buona resistenza; • Discreta colabilità; • Ottima lavorabilità sia per deformazione sia per lavorazione alle macchine utensili; • Ottima saldabilità. • Gli acciai possono essere classificati in: • Acciai semplici:contengono unicamente ferro e carbonio,oltre a modeste percentuali di impurità. • Acciai speciali:oltre al ferro e al carbonio contengono altri elementi alliganti, anche in percentuali elevate.A essi appartengono gli acciai inossidabili. • Acciai bassolegati:contengono vari elementi di lega,in percentuale inferiore al 5%.
Designazione degli acciai semplici e speciali • Gli acciai semplici vengono designati con il simbolo del metallo base(Fe),seguito dal valore minimo garantito del carico di rottura a trazione,espresso in N/mm^2. • Gli acciai speciali vengono designati mediante una lettera o mediante uno o più simboli di elementi,seguiti da una cifra indicante il tenore degli alliganti(in %). • Tra gli acciai speciali citiamo: • Acciai da bonifica,di uso comune per la costruzione di organi meccanici sollecitati. • Acciai da cementazione e da nitrurazione,dotati di un basso tenore di carbonio.Dopo essere stati sottoposti a trattamenti di cementazione o di nutrizione sono impiegati nella costruzione di parti meccaniche soggetti a usura. • Acciai inossidabili(acciai inox),sono acciai ad alto tenore di cromo,che hanno la proprietà di non arrugginire se esposti all’aria e all’acqua perché il cromo,ossidandosi a contatto con l’ossigeno, si trasforma in ossido di cromo. • Acciai resistenti al calore o rivestiti,capaci di sopportare forti sollecitazioni meccaniche anche ad altre temperature. • Acciai per cuscinetti a sfera,adatti alla costruzione di cuscinetti per rotolamento grazie alla loro elevata durezza,tenacità e resistenza all’usura. • Acciai per molle,che contengono silicio e sono dotati di grande elasticità. • Acciai per utensili,adatti alla costruzione di utensili per lavorazioni a freddo e a caldo grazie alla loro durezza,resistenza all’usura.
I trattamenti termici • I trattamenti termici degli acciai sono: • La tempra • Il rinvenimento • La bonifica • La ricottura • La normalizzazione.
I trattamenti termici • Tempra: • Consiste ne riscaldare l’acciaio a temperatura dell’ordine di 800-900°C raffreddandolo poi bruscamente per immersione in acqua o in olio.la tempra produce i seguenti effetti sull’acciaio:aumento della durezza,aumento del carico di rottura a trazione,quindi,a sua volta,l’acciaio diventa duro ma è molto più fragile. • Rinvenimento: • Consiste nel riscaldare un oggetto precedentemente sottoposto a tempra a una temperatura di circa 600°C per l’acciaio e di 350°C per la ghisa e poi lasciarlo raffreddare lentamente.Ciò consente di eliminare le tensioni interne e senza influire nella resistenza raggiunta dalla tempra. • Bonifica: • Consiste nell’eseguire in successione i trattamenti di tempra e di rinvenimento.In questo modo si ottengono acciai molto resistenti e lavorabili. • Ricottura: • Consiste nel riscaldare il materiale alla temperatura di 900°C per l’acciaio e 500°C per la ghisa,nel mantenerlo a tale temperatura fino a quando tutta la massa abbia raggiunto lo stesso equilibrio termico-strutturale,lasciando raffreddare lentamente fino al termine della trasformazione termica. • Normalizzazione: • E’ un procedimento simile a quello della ricottura,utilizzato solo su acciai basso legati,che non permette da raggiungere la stessa durezza della ricottura.
I trattamenti fisico-chimici • Modificano la composizione chimica del pezzo attraverso vari processi: • Cementazione • Nitrurazione • Cianurazione • solfonitrurazione
I trattamenti fisico-chimici • Cementazione: • Consiste nell’arricchire di carbonio gli strati superficiali del pezzo riscaldandolo a una temperatura di circa 900-10000°C e mantenerlo in un ambiente ricco di carbonio • Nitrurazione: • E’ un trattamento analogo alla cementazione, condotto a temperatura di riscaldamento di circa 500°C e vengono immersi in sostanze che contengono ammoniaca. • Cianurazione: • I pezzi che subiscono la cianurazione vengono trattati con cianuro di potassio e riscaldati a una temperatura di 800°C per circa 10-15 minuti. • Solfonitrurazione: • I pezzi che subiscono la solfonitrurazione vengono trattati con diffusioni di zolfo e azoto e riscaldati a una temperatura di circa 800°C per circa 10-15 minuti.
Prove meccaniche distruttive e non distruttive • Le prove meccaniche possono essere distruttive,se comportano il danneggiamento o la distruzione della provetta,e non distruttive nel caso contrario. • Per le prove meccaniche distruttive si utilizzano provette costruite con lo stesso materiale del quale si vogliono valutare le proprietà e che vengono distrutte durante la prova. • Le prove meccaniche non distruttive vengono effettuate direttamente sul materiale o su provette,ma senza danneggiare il campione.
Prova di resistenza a trazione • E’ la prova meccanica più importante perché i valori di resistenza che essa fornisce sono gli indicatori più validi,e quindi più utilizzati,per esprimere le caratteristiche di un materiale e individuarne le possibilità di impiego.La prova consiste nel sottoporre una provetta,ricavata dal materiale da controllare e avente forma e dimensioni rispondenti alle norme,a una trazione applicata lentamente e in modo crescente,fino a determinarne la rottura.
Prova di resistenza a compressione • La prova di compressione viene eseguita principalmente sui materiali a comportamento fragile come la ghisa, il calcestruzzo,i laterizi.Essa consiste nel comprimere lentamente e uniformemente una provetta,fino a produrne la rottura. laterizi calcestruzzo ghisa
Prova di resistenza a flessione • La prova a flessione consiste nell’applicare,gradatamente e con continuità,un carico concentrato con direzione perpendicolare all’asse geometrico di una provetta appoggiata agli estremi su due rulli cilindrici liberi di ruotare.
Prova di resilienza Charpy • Si definisce resilienza la capacità che ha un materiale di resistere alla rottura a flessione per urto.La prova di resilienza consiste nel misurare l’energia necessaria per rompere,con un solo colpo,una provetta del materiale da esaminare.La prova viene eseguita con una macchina denominata “pendolo di Charpy”.Con essa si misura l’energia spesa da una mazza di peso noto sollevata a un’altezza stabilita e fatta cadere,con moto pendolare,sulla provetta.
Controlli sui materiali • Quando si lavora su un materiale,la superficie potrebbe danneggiarsi,creando così delle piccole spaccature che a occhio nudo non potremo vedere.Per riuscire a individuarle i meccanici usano il sistema dei liquidi penetranti,una tecnica semplice ed economica che consiste nel rilevare difetti,cricche o incrinature. • I liquidi devono essere dotati di bassa “tensione superficiale” e buona “bagnabilità” nei confronti del materiale. • Il controllo avviene nelle seguenti fasi: pausa Ispezione visiva lavaggio Irrorazione con polvere di sviluppo Prelavaggio della superficie da controllare Applicazione liquido penetrante
Creato da: FEDERICO- GIOVANNI- Classe: 1°C FINE
