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PROPRIETA’ DEI MATERIALI E LORO APPLICAZIONE DI DESIGN
SPECIFICA
(indicazione proprietà meccaniche complessive e superficiali,
termiche, elettromagnetiche, caratteristiche di servizio,ecc.)
LINGUAGGIO TECNICO SUI MATERIALI
COMUNICAZIONE EFFICACE DELLE NECESSITA’ DI DESIGN
SISTEMI DI TRAZIONE DEI MATERIALI
PROVINI A TRAZIONE DI ACCIAIO
PRIMA E DOPO LA PROVA
N.B. Dalla misura della forza e dello spostamento (deformazione)
si ottiene l'energia assorbita dal materiale.
I sistemi di trazione dei materiali
(tecnicamente la prova più semplice da effettuare sui metalli ed i polimeri)
si servono di attuatori tipicamente idraulici
(a vite senza fine o martinetto) per consentire il movimento della testa
ATTUATORI
Gli attuatori hanno per scopo la trasformazione
della pressione di un liquido (attuatori idraulici),
di quella dell’aria compressa (attuatori pneumatici)
o di una carica elettrica (attuatori piezoelettrici)
in un movimento lineare
Attuatore pneumatico
POLPO (Octopus Vulgaris) COME ESEMPIO DI SISTEMA DI
ATTUAZIONE BIOLOGICO
Movimento finale della zampa in funzione
del rapporto indicato tra la forza ventrale e
quella dorsale del muscolo. .
A Movimento reale del polpo verso un obiettivo
B Movimento neurologico della sola zampa
C Modellizzazione lineare del movimento
D Modellizzazione non lineare del movimento
Il polpo viene intensamente studiato per esempio nella robotica
per realizzare un'attuazione in tempi molto brevi e con forze
relativamente modeste (anche di pochi newton) che consente minore spreco
di energia e utilizzo di materiali con minori problemi di vibrazioni e rumori
ATTUATORI NATURALI TRA LE PIANTE
Anche nel mondo vegetale ci sono attuatori, che sfruttano la diversa pressione del fluido presente
nelle proprie cellule (principio naturale che è alla base anche. p.es., del movimento dei vermi)
Ci sono piante che aprono e chiudono le foglie
a seconda della temperatura e dell'umidità (per esempio la mimosa,
o l'acacia) per avere sempre la giusta quantità di sole e di acqua
La dionea ha un sistema di serraggio “automatico”
per catturare mosche e piccoli insetti di cui si nutre
INDICAZIONI OTTENUTE DA UNA PROVA DI TRAZIONE
«Ut tensio, sic vis»
(Hooke, 1678)
(La deformazione dipende dalla forza)
Il caso più semplice è un comportamento
puramente elastico (proporzionalità fino a
rottura dello sforzo) applicato con la
deformazione ottenuta
Conseguenze:
Fragilità e assenza di avvisaglie di rottura
σ=sigma, Δ=delta, ε=epsilon
FRAGILITÀ: ASSENZA DI STRIZIONE
La rottura fragile è caratterizzata anche dal fatto che la sezione non si riduce
(non c’è STRIZIONE: caso c.)
CAPSULE DENTALI
IN ZIRCONIA
SFERE DI ALLUMINA
(abrasivo)
Curva di trazione di un ceramico innovativo
(es. zirconia, allumina, carburo di silicio) (valori indicativi)
SISTEMA DI FLESSIONE
Nei ceramici la deformazione è spesso ai liniti
della misurabilità, specie nel caso di prove di trazione,
nelle quali la propagazione di un solo difetto porta a rottura.
Questo rende preferibili prove di flessione
TEORIA DI GRIFFITH (1920)
Griffith studiò l’effetto dei difetti nella rottura
fragile del vetro e dei metalli, in seguito
all’allora incomprensibile fenomeno dello
scoppio degli oblò, e teorizzò che avvenisse
per il raggiungimento di uno «sforzo critico».
ROTTURA DI OBLO’ SU AEREO
In teoria se l’apice della cricca ha dimensioni
zero (un punto) lo sforzo è infinito. Nei casi
pratici, l’apice della cricca è sempre smussato.
SI STANNO PRODUCENDO DELLE LEGHE DETTE
METALLI AMORFI (altrimenti detti «vetri metallici »)
PROPRIO PER RIDURRE IL PROBLEMA DELLA FRAGILITA’
IN PRESENZA DI DIFETTI
CONCENTRAZIONE DEGLI SFORZI
Nel caso generale, studiato da Griffith, i difetti sono
ellittici e la propagazione lungo l'apice della cricca.
Lo sforzo reale, dato che la cricca è così “orientata” è
molto più grande di quello applicato sulla struttura,
dipendendo dall'angolo dell'apice della cricca (più è
stretto più lo sforzo aumenta), e consentendo quindi il
superamento del valore critico.
Invece, nelle strutture gerarchizzate, dove si parte dalla
cellula, qualunque difetto nella cellula non diventa mai
abbastanza grande da poter superare il valore critico
stabilito da Griffith, per un effetto detto tensegrità.
MODI DI DEFORMAZIONE DI UN OGGETTO INTORNO AL DIFETTO
TENACITÀ (SUSCETTIBILITÀ AI DIFETTI)
Provini per misura di tenacità
con intaglio (difetto artificiale)
MODI DI PROPAGAZIONE DEL DIFETTO
La tenacità è data approssimativamente
dall'area sotto la curva sforzo-deformazione,
nel caso di fessurazione serve a valutare quanto il
materiale si opponga alla crescita della cricca (difetto).
DOMANDE 4

Che differenza c’è tra un materiale cristallino (come il metallo)
ed un materiale amorfo (come il vetro)?
 Che differenza c’è tra un comportamento elastico ed un
comportamento plastico?
 A parità di materiale e di spessore, quali sono i vantaggi relativi
di un laminato con meno strati più spessi o più strati meno
spessi?
TENSEGRITÀ (termine coniato da Buckminster Fuller)
•
•
Equilibrio statistico tra le parti di una struttura in trazione
e le sue parti in compressione
“Ogni trasformazione lineare di una tensegrità è a sua volta
una tensegrità”
La tensegrità viene applicata in
natura, con sistema gerarchizzato,
fino alla nanoscala.
Consente di neutralizzare i difetti,
scaricando le tensioni nel punto di
crescita e/o di riparazione
dell'oggetto naturale di design.
La tensegrità porta a due importanti caratteristiche delle strutture naturali:
 Auto-assemblaggio (self-assembly)
 Auto-riparazione (self-healing)
RIDURRE L’INFLUENZA DEI DIFETTI: TEMPRA DEL VETRO
FORNO A CONVEZIONE
PER TEMPRA DEL VETRO
Per ridurre gli effetti dei difetti nel vetro su strutture,
si tagliano prima le lastre, poi le si riscalda a 640°C e le
si raffredda rapidamente con getti d’aria.
Questo processo (tempra del vetro) fa sì che il vetro sia
compresso esternamente e tirato all’interno,
producendo un effetto simile alla tensegrità di Fuller, e
quindi sia più resistente.
CRISTALLINO E AMORFO
I materiali ingegnerizzati
sono parzialmente
cristallini e parzialmente
amorfi (semicristallini), per
non essere troppo fragili.
Significative conseguenze del fatto di non essere completamente cristallini sono:
Che la loro temperatura di fusione non è esatta (tipo il ghiaccio puro che fonde
esattamente a 0°C), ma si ha un intervallo di fusione (o per meglio dire di
rammollimento)
Che il loro comportamento meccanico non è elastico fino a rottura
SIMMETRIA, GERARCHIZZAZIONE, CRISTALLINITA’:
LE DIATOMEE (strutture di silice)
Simmetria centrica
Simmetria pinnata
Diatomea con valve radiali Coscinodiscus
walesii e struttura “fotonica” dei pori
Altre simmetrie (per esempio, a stella)
Valve oblunghe con margini ondulati.
Visibili coste di rinforzo
MISURARE LE PROPRIETA’ MECCANICHE DELLE DIATOMEE:
NANO-INDENTAZIONE
Nanoindentazione delle diatomee e curve
forza-deformazione relative
I valori ottenuti sono puntuali e non globali:
per ottenere il valore dello sforzo occorrerebbe
misurare lo spessore e moltiplicarlo
per la dimensione della punta d’indentazione,
ma questo non è sempre facile.
COMPOSITI CERAMICI NATURALI: MOLLUSCHI BIVALVA
Ci sono compositi a matrice polimerica,
ceramica e metallica (alluminio)
Questa struttura, detta lamellare incrociata, con tre strati di spessore uniforme,
ricorda l'allineamento delle fibre nel legno, delle barbule nelle piume o i compositi
cross-ply (con fibre orientate a 0° e 90°), ed è quindi tendente ad una quasi-isotropia
RIEPILOGO SUI DIAGRAMMI SFORZO-DEFORMAZIONE
Per valutare lo scostamento dei materiali da un comportamento elastico,
si utilizzano i grafici sforzo-deformazione.
Lo sforzo σ =F/S, dove F è la forza applicata e S è l'area della sezione
del provino di materiale: ha le unità di una pressione, quindi pascal
(Pa), ma di solito è più appropriato il megapascal (MPa) = 106 Pa.
La deformazione ε è un numero puro e si misura come Δl/l, dove Δl è la
variazione di lunghezza del provino e l è la lunghezza iniziale del
provino.
Condizione necessaria, ma non sufficiente, per utilizzare il materiale è
che ci sia qualche forma di proporzionalità tra lo sforzo applicato e la
deformazione ottenuta.
Nel caso più semplice che il materiale sia elastico, il coefficiente di
proporzionalità ottenuto E = σ/ε si definisce come modulo elastico o di
Young, e si esprime di solito in MPa o in GPa (gigapascal) = 109 Pa.
DIAGRAMMA SFORZO-DEFORMAZIONE (a trazione) DI UN
ACCIAIO (lega ferro-carbonio con max. carbonio 2.06%)
La deformazione dell'acciaio dipende molto dal
contenuto in carbonio, dagli altri elementi e dai
trattamenti termici.(p.es. tempra) effettuati
(sforzo=stress; deformazione=strain)
La diminuzione di sforzo dopo il punto C è in realtà soltanto apparente,
in quanto il materiale si è molto assottigliato, subendo strizione (necking),
e quindi lo sforzo reale è considerevolmente aumentato
Il modulo elastico viene calcolato dalla pendenza del tratto tra A e B.
Il limite di utilizzo del materiale è sempre inferiore al limite elastico.
Il tratto tra A e B è indicato come snervamento (yielding).
PINZE E MATERIALI
PINZA UNIVERSALE IN ACCIAIO
SPECIALE PER UTENSILI E
RICOPERTA IN RESINA TERMOPLASTICA
(POLIPROPILENE O PVC)
TENAGLIA CON MOLLA DI TENUTA
RIVESTITA DI CARBURO DI TUNGSTENO
PINZETTA PER UNGHIE
IN ACCIAIO INOSSIDABILE
TENAGLIA PER FERRAIOLI IN
ACCIAIO SPECIALE BONIFICATO,
FORGIATO, TEMPERATO AD OLIO
ACCIAIO INOSSIDABILE
• Austenitico: Ferro-cromo-nichel, carbonio < 0.1%, non magnetico
(p.es. pentole)
• Ferritico: Ferro-cromo, carbonio < 0.1%, magnetico p.es., edilizia, posate di bassa
qualità)
• Martensitico: Ferro-cromo, carbonio > 0.1%, magnetico e temprabile (p.es.
coltelli)
• Duplex (austenitico-ferritico): Ferro-cromo-nichel, carbonio < 0.1% (p.es.
scambiatori di calore, vasche, serbatoi, ecc.)
Un acciaio inossidabile tipico è il 18-10 (18% di cromo e 10% di nichel)
(AISI 304)
LA CAFFETTIERA NAPOLETANA
(brevetto di Morize, 1819, per caffettiera in stagno)
La caffettiera napoletana è divisa in due parti separate da un filtro a cestello. Nel cestello
viene depositato il caffè tostato scuro e macinato fine. La parte inferiore della
caffettiera viene riempita d'acqua mentre quella di servizio viene posta sopra a
chiusura di tutto. La parte con l'acqua sarà a contatto con il fuoco e verrà portata a
temperatura di ebollizione. Infine la caffettiera napoletana viene tolta dal fuoco e
capovolta velocemente per permettere all'acqua calda di filtrare nel cestello,
attraversando la polvere di caffè. Il caffè si raccoglie nel contenitore inferiore entro 2-3
minuti.
CAFFETTIERA PRESSOFUSA
IN ALLUMINIO
« CIMBALINA » DI CASTIGLIONI
CON FILTRO ESTERNO
LA MOKA (Alfonso Bialetti, 1933)
Bialetti si ispirò alla prima
lavatrice (lessiveuse)
alimentata a gas
di Alfred Conord (1931)
specie per il concetto del
passaggio dell’acqua per
rotazione del cestello
attraverso il bucato.
Questo gli diede l’idea di
poter evitare la rotazione
a 180° della caffettiera.
L’aspetto produttivo innovativo fu la produzione per
pressofusione in alluminio con stampi permanenti di ghisa.
CHIMICA DEL CAFFE’
(Paul Campani, 1958)
ALTRO PERSONAGGIO DI
CAMPANI: MIGUEL (Talmone)
DA « LE VOCI DEL BOSCO » DI MAURO CORONA:
L’ULIVO
L’ulivo è un legno durissimo, ma non resistente. E’ come
il vetro, che non lo attacchi con nessun utensile, ma se
gli dai un colpo si frantuma.
[…]
Vedere un ciocco d’ulivo pieno di nodi, contorcimenti e
gibbosità fa pensare che spaccarlo sia incredibilmente
difficile. Invece non è così. Basta lasciare cadere la
scure a peso morto, senza nemmeno imprimerle forza,
ed il ciocco si fenderà in due come niente fosse .