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I.T.I.S VITTORIO EMANUELE III PALERMO PRESENTAZIONE DI TECNOLOGIA
I materiali e le loro proprietà • INDICE • Classificazione dei materiali • Proprietà dei materiali:strutturali,chimiche,fisiche,meccaniche,tecnologiche • PREREQUISITI • Conoscenza delle principali unità di misura SI • Conoscenza della terminologia chimico-fisica di base • Conoscenza dei fenomeni fisici fondamentali (elettricità,trasmissione del calore,magnetismo,…) • OBIETTIVI • Conoscere le principali proprietà dei materiali • Apprendere i criteri di scelta dei materiali,in relazione alle loro caratteristiche e alle condizioni di utilizzo • Conoscere i principali tipi di sollecitazioni
I MATERIALI Metalli Compositi Non Metalli • Ferrosi • Non ferrosi • Naturali • Artificiali • Materiali sintetizzati • Fibra di carbonio
Classificazione dei materiali • Materiali metallici: Si presentano tutti allo stato solido con la sola eccezione del mercurio.Sono buoni conduttori di calore e di elettricità,deformabili e resistenti a sollecitazioni esterne (ferro,argento,oro e zinco). • Materiali compositi: Sono costituiti da due o più materiali diversi che vengono combinati artificialmente in modo da ottenere dei materiali con particolari proprietà (vetro resina e fibra di carbonio). • Materiali non metallici: Li possiamo trovare allo stato solido,liquido e gassoso.Sono cattivi conduttori di elettricità e di calore e sono poco resistenti a qualsiasi sollecitazione.
Proprietà chimiche strutturali Il reticolo cristallino • Permette di differenziare i metalli da i cosiddetti materiali amorfi(vetro,ceramica).Il reticolo cristallino è una struttura tridimensionale dove nei vertici vengono rappresentati gli atomi e delle linee immaginarie che congiungono i vertici. (a) Cella cubica a corpo centrato costituita da 9 atomi.(b) Cella cubica a facce centrate costituita da 14 atomi.(c) Cella esagonale costituita da 17 atomi. (b) Rame, alluminio (a) Ferro , cromo (c) Zinco
Proprietà chimiche • La corrosione • La corrosione a umido:è causata da degli agenti chimici quali acidi che attaccano la superficie del metallo. • La corrosione a secco:accade quando il metallo viene direttamente a contatto con l’ossigeno o uno dei suoi componenti. • Ossidazione:è una forma di corrosione che i metalli subiscono al contatto con l’aria.Questa reazione attacca la superficie del metallo e provoca una disgregazione inarrestabile della superficie. (a) (b) (a) Ossidazione del rame (b) Corrosione a secco
Proprietà fisiche • Dilatazione termica: i materiali metallici, ognuno in quantitàdiversa, subiscono un aumento di volume quando vengono riscaldati. • Massa Volumica o densità: è il rapporto fra massa e volume. (m/V) • Conducibilità termica: è la proprietà dei materiali di trasmettere il calore. • Temperatura di fusione: è il passaggio dallo stato solido a quello liquido(ogni materiale metallico ha un suo caratteristico punto di fusione). • Capacità termica: è l a quantità necessaria per fare aumentare la temperatura di 1°C • Conducibilità elettrica: è la proprietà dei materiali metallici di trasmettere la corrente elettrica.
Proprietà tecnologiche • Le proprietà tecnologiche riguardano la capacità di un materiale a essere impiegato per specifici trattamenti. • Malleabilità:è la capacità di un materiale a essere trasformato in lamine grazie a dei trattamenti a caldo o a secco (a). • Duttilità:è la predisposizione di un materiale a • essere trasformato in fili (b). • Saldabilità:è la predisposizione di un materiale a unirsi con un latro tramite fusione dello stesso materiale in maniera parziale (c). • Truciolabilità : è l’attitudine di un materiale a subire lavorazioni per la successiva asportazione di un truciolo(tornitura ,fresatura) (d). • Temprabilità :è la predisposizione di un materiale • a subire delle trasformazioni riguardanti la sua struttura.Questa lavorazione consiste nel riscaldare il materiale e successivamente raffreddarlo bruscamente(tempra,ricottura,normalizzazione) (e). • Imbutibilità:è la predisposizione di un materiale • a essere deformato a freddo attraverso uno stampaggio (f). • Estrudibilità: Questa lavorazione viene chiamata estrusione,ed è l’attitudine di un materiale che tende a fargli acquisire determinate forme facendo passare attraverso un foro sagomato (g). • Fusibilità :è la predisposizione di un materiale che permette di • acquisire la forma di uno stampo mediante fusione (h). (a) (e) (c) (b) (d) (f) (g) (h)
Proprietà meccaniche • Trazione:un corpo è sottoposto a trazione quando una forza applicata tende ad allungarlo (a). • Compressione:la compressione è prodotta da due forze uguali è opposte che tendono ad accorciarlo (b). • Flessione:un corpo è sollecitato a flessione quando le forze applicate perpendicolarmente al suo asse tendono a curvarlo (c). • Torsione:un corpo è sollecitato a torsione quando le forze applicate tendono a torcere le sue fibre (d). • Taglio:un corpo è sollecitato al taglio quando le forze applicate tendono a far scorrere uno sull'altro due piani vicini (e). • Durezza:è la resistenza che il materiale oppone alla penetrazione di una punta cioè alla scalfitura(e non alla facilità che ha un minerale di rompersi) (f). Figura1 Figura2 La prova di resistenza a compressione il più delle volte viene eseguita in dei materiali fragili come la ghisa. Consiste nel comprimere una provetta fino a produrne la rottura (figura 1). La prova di resistenza a trazione che è una prova meccanica distruttiva tende ad allungare la provetta fino a determinarne la rottura (figura 2). Figura3 Molle sottoposte a continua trazione (Figura3).
Le sollecitazioni Sollecitazioni istantanee: Sono le sollecitazioni che vengono applicate per tempi brevissimi. Il comportamento del materiale è chiamato resilienza. (resistenza agli urti) Sollecitazioni periodiche: sono quelle sollecitazioni che agiscono in maniera discontinua e con frequenza. La capacità di resistere a queste sollecitazioni viene chiamata resistenza a fatica. Sollecitazioni di attrito: Sono quelle che si manifestano tra due superfici a contatto in movimento reciproco . Attrito volvente se il corpo rotola radente se striscia.
Proprietà chimiche strutturali • La ghisa La ghisa è ricavata dalla fusione in altoforno del minerale ferroso,la sua percentuale di carbonio varia dal 2,06% al 6,67%(fig.a durante la sua lavorazione) • L’acciaio Gli acciai sono ottenuti tramite un processo di decarburazione parziale della ghisa,infatti la percentuale di carbonio è inferiore al 2,06%(fig.b cerchi in acciaio). • Il ferro dolce La motivazione del perché viene chiamato ferro dolce è la sua percentuale di carbonio,perché si ottiene da una decarburazione totale della ghisa in quanto è inferiore al 0,1%(fig.c tecnica di produzione del ferro dolce). a) b) c)
Proprietà chimiche strutturali Il minerale ferroso dopo l’estrazioni dai giacimenti viene sottoposto a una serie di lavorazioni(frantumazione,miscelazione con carbon coke,e con altri additivi). Dopo queste operazioni avrà inizio la fusione nell’altoforno. L’altoforno è un grandissimo contenitore verticale di acciaio,rivestito all’interno di materiale refrattario e può raggiungere 1900°C di temperatura. Il minerale ferroso miscelato viene miscelato con altre sostanze che ne facilitano la fusione. Il minerale fonde con la minima presenza di ossigeno. Si otterrà dopo questa serie di processi una massa fluida.
2° parte del ciclo siderurgico La massa fluida verrà raccolta in grande contenitore chiamato crogiolo. Nel crogiolo avviene la separazione dalla ghisa liquida dalla loppa che galleggia su quest’ultima che verrà aspirata dalla parte superiore del crogiolo,cosi si ottiene la ghisa di prima fusione.La ghisa grezza ottenuta,può essere ottimizzata attraverso un processo di raffinazione(ghisa di 2°fusione).La ghisa può essere convertita in acciaio e al termine di questa conversione può uscire dal forno già sotto forma di semilavorati (lingotti) per le successive operazioni.
Introduzione della ghisa La ghisa a causa dal suo elevato tenore di carbonio e mediamente malleabile e duttile ma ha una fragilità molto elevata.La ghisa ha un ottima resistenza alla corrosione e all’usura,un ottimo materiale ma troppo resiliente.La ghisa viene distinta in ghisa bianca,grigia,sferoidale,malleabile. La ghisa viene divisa in questi gruppi in base al tenore di carbonio e alla tecnica di produzione.
Classificazione della ghisa Ghisa bianca: una ghisa molto dura ma estremamente fragile. Il carbonio si trova sottoforma di composto. Si realizzano rulli compressori o materiali sottoposti a getti continui grazie alla sua ottima resistenza all’usura. Ghisa grigia: la ghisa grigia contiene il carbonio sottoforma di grafite è quindi in forma libera,questa caratteristica ne dà il colore. Viene utilizzata per tubi,basamenti di motori,organi meccanici. Ghisa sferoidale:è ottenuta dalla ghisa grigia con l’aggiunta di nichel e magnesio,è impiegata per organi soggetti a urti e usura. Ghisa malleabile: è ottenuta tramite riscaldamento della ghisa bianca, è il suo colore varia rispetto la trattamento termico usato. Rispetto a quella bianca ha una resilienza maggiore e una mediocre duttilità.
Conversione della ghisa La trasformazione della ghisa in acciaio viene chiamata conversione, consiste sostanzialmente nella decarburazione della ghisa fina ad arrivare alla percentuale di carbonio indicata per gli acciai(2,06%).A questa operazione vanno aggiunte quelle di modifiche delle leghe(defosforazione,desolforazione,disossidazione)e si modificano le percentuali di alliganti (zolfo,ossidi,silicio). Al termine di questi processi si effettuano le operazioni di colata dove la ghisa verrà messa all’interno dei forni o di convertitori(forno Martin - Siemens). Dopo uscirà allo stato liquido e verrà versata nella siviera,vi è possibile versarla con due metodi colata diretta o continua. Il più delle volte viene applicata quellacontinua.Le fasi finali sono quelle di raffreddamento e formatura. A destra abbiamo la foto della conversione della ghisa in acciaio
Classificazione degli acciai Gli acciai vengono classificati in base alle loro proprietà(duttilità,resistenza, saldabilità). • Acciai semplici:contengono solamente ferro e carbonio,oltre le varie percentuali di impurità. • Acciai speciali:contengono in aggiunta oltre il ferro e il carbonio altri elementi in percentuali molto alte(acciai inossidabili). • Acciai basso legati: quelli che contengono vari elementi di lega inferiori al 5%.
Designazione degli acciai • Acciai semplici:vengono indicati con il simbolo base del metallo(Fe)seguiti da un numero che indica il minimo carico di rottura a trazione. • Acciai speciali: vengono indicati tramite una lettera o più simboli e un numero che indica in percentuale i vari elementi presenti. -acciai da bonifica: acciai di uso comune per la costruzione di organi meccanici sollecitai(bulloni,ingranaggi). -acciai da cementazione e da nitrurazione:acciai con un basso tenore di carbonio,i quali sono stati sottoposti alle lavorazioni di cementazione o di nitrurazione. -acciai inossidabili(acciai inox):acciai con un elevata percentuale di cromo,che gli permette di non arrugginire anche se sono a contatto con l’aria o con l’acqua. -acciai resistenti al calore:acciai capaci di sopportare elevate sollecitazioni ma anche quella di resistere ad alte temperature. -acciai per cuscinetti:questi acciai sono dotati di elevata durezza e tenacità e di una buona resistenza all’usura. -acciai per molle:contengono silicio e sono dotati di una elevata elasticità. -acciai per utensili:adatti a lavorazioni a freddo e a caldo dotati di durezza,tenacità,resistenza a caldo e all’usura.
Trattamenti termici • Tempra:consiste nel riscaldare il l’acciaio a 800-900°C. Modificando così alcune sue proprietà. Aumento della durezza,diminuzione dell’allungamento percentuale,della resilienza e della lavorabilità e un aumento del carico di rottura a trazione. Inoltre bisogna aggiungere che questa lavorazione può essere effettuata solo su materiali con tenore di carbonio superiore al 0,2%. • Rinvenimento:consiste nel scaldare nuovamente un materiale che è stato precedentemente sottoposto a tempra,viene riscaldato a una temperatura di 600°C per l’acciaio e 350°C per la ghisa. Questa lavorazione permette di eliminare le tensioni interne. Produce i seguenti effetti:diminuzione della resistenza a rottura e della durezza e aumento della resilienza. • Bonifica:consiste nel compiere successivamente le lavorazioni di tempra e rinvenimento,ottenendo così acciai resistenti e lavorabili. • Ricottura:consiste nel riscaldare a una temperatura di 900°C per l’acciaio e 500°C per la ghisa ,rendendo così il materiale più omogeneo e più deformabile. • Normalizzazione:è un processo molto simile rispetto a quello precedente e serve per normalizzare e diminuire le tensioni interne a materiali precedentemente sottoposti a laminazione,saldatura.
Trattamenti degli acciai Questi trattamenti che modificano la composizione chimica dei materiali , attraverso delle lavorazioni che interessano soltanto la parte superficiale del materiale: • Cementazione • Nitrurazione • Cianurazione • Solfo nitrurazione
Trattamenti fisico – chimici • Cementazione:consiste nel riscaldare un materiale a una temperatura di 900°-1000°C in un luogo ricco di carbonio,arricchendolo così di carbonio soltanto negli strati superficiali(aumento di resistenza,tenacità e malleabilità interna,resistenza all’usura e una maggiore durezza superficiale). • Nitrurazione:è una lavorazione simile alla cementazione,i materiali vengono riscaldati a una temperatura di 500°C e vengono immersi in delle sostanze composti(ammoniaca)che permettono la formazione sulla superficie del metallo di uno strato molto duro. • Cianurazione:il materiale viene riscaldato a una temperatura di 800°C per 10-15 minuti,e questa lavorazione serve per aumentare il livello di durezza superficiale. • Solfo nitrurazione:i materiali vengono trattati con delle effusioni di zolfo e azoto e scaldati a una temperatura di 800°C per 10-15 minuti.
Prove e controlli sui materiali Per definire le proprietà di un materiale occorre eseguire determinate prove,in modo da ricavare i valori caratteristici. Il materiale che viene sottoposto non è nient’altro che un campione che viene prelevato dal materiale in esame,il quale viene chiamato provetta. Prove meccaniche distruttive e non distruttive Le prove meccaniche a secondo dei controlli che vengono fatti sul campione vengono distinte in: prove meccaniche distruttive e prove meccaniche non distruttive. Quelle distruttive consistono in determinate prove che provocano la rottura del campione(resistenza a compressione,flessione,trazione)invece quelle che non provocano rotture vengono chiamate non distruttive(liquidi penetranti,ultrasuoni,controlli radiografici).
Prove di resistenza Le prove di resistenza si dividono • Prova di resistenza a trazione: è la prova meccanica più importante perché determina i valori di trazione.(già accennato vedi trazione). • Prova di resistenza a compressione:viene eseguita nei materiali più fragili come la ghisa.(già accennato vedi compressione). • Prova di resistenza a flessione:consiste nell’applicare gradatamente e con continuità un carico concentrato nell’asse perpendicolare del materiale. 1)Macchina di prova universale.
Prova di resilienza di Charpy La resilienza è la capacità di un materiale di resistere alla rottura a flessione. Questa prova consiste nel misurare l’energia necessaria per rompere con un solo colpo la provetta composta dal materiale da esaminare. La prova viene eseguita con un macchinario chiamato prova di resilienza di Charpy. Con essa si misura l’energia del pendolo peso noto(P) sollevato a una altezza (H). Il valore di resilienza (K) viene dato con il rapporto tra lavoro assorbito per la rottura e l’energia residua dopo la rottura. K = P(H -h) S
Prova di durezza Brinnell Per questa prova servono sfere di acciaio temprato o metallo duro di diametro 10mm,5mm,2mm,1mm. Sulla superficie dove deve essere fatta la prova viene impresso un carico di 29,42 N a seconda del diametro della sfera per 10-15s. La durezza è data dal rapporto tra il carico impresso e l’area della calotta sferica
Prova di durezza Vickers Per questa prova invece occorre un diamante a forma di piramide a base retta e l’angolo fra le due facce opposte deve essere di 136°. Sulla superficie da provare viene impresso un carico tra 1,961 N e 980,7 N per 10-15s a secondo della durezza del materiale. La durezza è espressa dal rapporto tra il carico impresso e l’area della superficie laterale dell’impronta.
Prove di durezza Rockwell Per la prova di durezza Rockwellscala B serve una sfera di acciaio temprato con diametro di 1,587 mm. Il carico che viene impresso sulla superficie è di 98 N e si misura l’impronta prodotta poi si aumenta il carico iniziale fino a 980N e si misura nuovamente l’impronta. La durezza Rockwell della scala B viene letta direttamente sul quadrante dell’apparecchio di misura,insieme a i carichi impressi e la profondità dell’impronta. Invece per quanto riguarda la prova Rockwell scala C serve un diamante a forma circolare con punta arrotondata. Questa prova è molto simile a quella precedente si applica un carico iniziale di 98N e sene misura l’impronta, poi si aumenta il carico fino a 1470N per 30se si misura nuovamente la misura dell’impronta. Anche questo risultato viene letto direttamente sul quadrato dello strumento.
Controlli sui materiali • Esame visivo: consiste nel controllo del materiale a occhio nudo con aiuto di lenti o endoscopi,esso rappresenta un controllo fondamentale sia per i materiali destinati alla produzione sia quelli destinati alla vendita. Questo controllo è molto utile sopratutto per controllare i materiali nella fasi intermedie o di fabbricazione in modo dea valutare se abbia le caratteristiche desiderate. • Esame con liquidi penetranti: viene utilizzata una tecnica semplice ed economica. Questa tecnica si basa sulla capacità che ha il liquido di penetrare all’interno delle fessure,cavità o cricche. Sulla superficie viene applicato,per spruzzatura,immersione o tamponatura un liquido fluorescente o colorato. Il controllo si distingue nelle seguenti fasi: prelavaggio,applicazione del liquido penetrante,asportazione di liquido penetrante in eccesso mediante lavaggio,applicazione della polvere di sviluppo e ispezione visiva. Questo controllo permette di rilevare difetti di servizio,di fabbricazione o di lavorazioni come la fusione.
Controlli sui materiali • Controlli radiografici: questo controllo si basa sulle variazioni cromatiche che si verificano quando un fascio di onde elettromagnetiche che attraversano un corpo all’interno nel quale vi sono disomogeneità. Questa ispezione fornisce un ottima documentazione , perché è possibile registrare i risultati in un supporto fotografico nel quale ogni difetto viene evidenziato con zone più chiare e zone più scure. Però ha anche qualche svantaggio in quanto si richiedono dell’apparecchiature che emanano radiazioni molto pericolose e bisogna procedere con molta sicurezza. • Controlli mediante ultrasuoni:consiste nel sollecitare acusticamente con continuità il materiale in modo da determinare la presenza di eventuali cricche o cavità attraverso la propagazione del suono al suo interno. Per questo controllo è determinante l’uso di sensori piezoelettrici che sfruttano la corrente elettrica per individuare variazioni all’interno della struttura del materiale.
Controlli sui materiali • Controlli mediante correnti indotte: questo controllo consiste sostanzialmente nell’eccitare l’elemento sottoposto ad onde elettromagnetiche,la presenza di deformazioni viene individuata attraverso un attenta analisi del flusso magnetico. Questa ispezione è molto usata nel campo industriale per determinare l’integrità di parti saldate per,l’integrità di cavi conduttori con individuazioni di fili daneggiati e anche per misurare lo spessore dei rivestimenti.
Questa presentazione e stata realizzata da: Fine Sales Jepherson E Pusateri Salvatore Per una migliore apprensione della tecnologia.
