1 la densità ρ = massa/volume 1 a proprietà generale: la densità ρ = massa/volume kg m -3 la...

1

1a proprietà generale: la densità la densità ρρ = massa/volume = massa/volume

la densità è una proprietà intrinseca per ciascun materiale (dipende anche dalla temperatura) e ci consente, una volta stabilita la forma e dimensione dell’oggetto (o componente), di calcolarne la massa: u.m., SI = kg mkg m-3-3, oppure Mg m-3 ≡ g cm-3 ≡ g / cm3

leggero/pesanteleggero/pesante ▼▼

densità volumica densità volumica ρρ massa/volume = m / V

legg

eroleg

gero

// pesan

tep

esante

LZ2-proprietà-G. Fumagalli

1 m3 di:• legno < 1 ton• acqua = 1 ton ≡ 1000 kg ≡ 106 g ≡ 1 Mg• polimeri ≈ 1 ton• vetro = 2.6 ton• alluminio = 2.8 ton• acciaio = 7.8 ton

2

per confronti fra i valori delle grandezze relative alle proprietà dei materiali possiamo ricorrere a tabelle o, meglio, ad una rappresentazione grafica

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100densità (Mg/m3 ≡ g/cm2, scala lineare)

pes

ante

→le

gg

ero

vetro e alluminio

acciaio

legno (composito polimerico + aria)

polimeri

acqua = materia di riferimento


3

in genere una rappresentazione grafica è più intuitiva e imme-diata, quella del grafico precedente ci dice ovviamente che la densità di:

1) acciaio è poco inferiore a 8 g cm-3

2) vetro e alluminio poco inferiore a 3 g cm-3

3) plastica attorno a 1 g cm-3

4) legno inferiore a 1 g cm-3

l’informazione è sufficiente? in genere SIin genere SI

però, se ad es. lo specifico progetto ha come attributo critico però, se ad es. lo specifico progetto ha come attributo critico quello della “minima pesantezza del manufatto”, la risposta è quello della “minima pesantezza del manufatto”, la risposta è

NO!NO!infatti una veloce ricerca suggerisce che la lettura del grafico infatti una veloce ricerca suggerisce che la lettura del grafico visto fornisce una classifica generica e dati poco precisi, ad es. :visto fornisce una classifica generica e dati poco precisi, ad es. :→→ il legno “balsa” ha una densità 0,05 g cmil legno “balsa” ha una densità 0,05 g cm-3-3, valore molto , valore molto

diverso dallo 0,7-0,8 g cmdiverso dallo 0,7-0,8 g cm-3-3 di un legno compensatodi un legno compensato

→→ un legno di quercia opportunamente tagliato (un legno di quercia opportunamente tagliato (┴┴ alle fibre) alle fibre)

può addirittura non galleggiare (può addirittura non galleggiare (ρρ > 1 g cm > 1 g cm-3-3))

→→ esistono materiali polimerici di densità anche > 1 g cmesistono materiali polimerici di densità anche > 1 g cm -3-3 (teflon ≈ 2,14-2,2 g cm(teflon ≈ 2,14-2,2 g cm-3-3))


4

il valore 0 (zero) e quello < 0 non ha senso per la densità di un materiale!! inoltre tutti i materiali so-no ammassati nella parte sinistra del grafico

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

densità (Mg/m3 ≡ g/cm3, scala lineare)15 19

pes

ante

→

leg

ger

o

metalli e loro leghe

acciai

acciai inox

ghise

ceramici

polimeri

legni

LZ

2-p

rop

riet

à-G

. F

um

agal

li

50.10.01

densità (Mg/m3 ≡ g/cm3, scala logaritmica)1 10

pes

ante

→

leg

ger

o

metalli e loro leghe

acciaiacciai inox

ghise

ceramici

polimeri

legniuna schiuma

molto leggera

LZ

2-p

rop

riet

à-G

. F

um

agal

li

6

1. la lettura del grafico è più difficile, ma è possibile avere sullo stesso grafico valori di diverso ordine di grandez-za: la scala logaritmica è indispensabile per descrivere le proprietà dei materiali e in molti altri campi (da quello economico a quello politico-sociale);ad es. per i terremoti si usa la magnitudo Richter M (a scala loga-ritmica particolare): “5,4” = caduta e oscillazione di oggetti, “6,1” = caduta di intonaci, “6,5” = caduta di strutture deboli, “6,9” = crollo di alcune case; una piccola differenza numerica (solo 1,5) indica anche effetti molto diversi! infatti, per i terremoti visti sopra, l‘energia sprigionata (alla base della scala M) è superiore a qualche centinaio di volte!

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100la scala lineare è intuitiva e nota a tutti

… la scala logaritmica cos’è?

1 100.1

LZ

2-p

rop

riet

à-G

. F

um

agal

li

7

1. sulle tacche principali si distinguono facilmente gli ordini di grandezza (…, 0.1, 1, 10, …)

2. il valore 0 (zero) non è rappresentabile su questa scala3. le tacche secondarie (… , 2, 3, 4, … o …, 1.2, 1.3, …) non sono

distanziate fra loro in modo uguale (come in una scala lineare)4. i singoli punti non consentono di individuare valori precisi, è relati-

vamente facile distinguere fra 1 e 2, più difficile fra 1.5 e 1.8, quasi impossibile fra 7.5 e 7.8 (tacche secondarie troppo vicine): ovvia-mente dipende da quanti ordini di grandezza sono riportati (dalle dimensioni dell’asse e sua grafica)

1 100.1

12 3 4 5 6 7 8 9

100.9

1.2 1.4 1.6 1.8


la lettura dei grafici può essere difficile e una lettura acritica può essere fuorviante

8

1a p. generale: densità volumicadensità volumica

massa su unità di volume, u.m. comune g cm-3

questa grandezza intrinseca fornisce informazio-ni sul peso di un manufatto

a questa grandezza fisica possiamo legare molte altre proprietà della materia


la densità infatti dipende:• dal tipo di atomi (+ o - pesanti o voluminosi) • dal tipo di particelle di cui è costituito il materiale

(atomi o molecole)• dalla forza dei legami chimici che uniscono le

particelle (forti o deboli)• dalla loro distribuzione nello spazio (ordinata o di-

sordinata, + o – compatta)

9

proprietà 2 generale: costo massicocosto massico

costo su unità di massa (o costo specifico massico) = costo/massa: nota la massa, ci informa sul costo del materiale allo stato grezzo (prima delle lavo-

razioni): può essere utile per fare dei confronti economici grossolani fra diversi materiali

unità di misura = € kg-1 ≡ euro kg-1

attenzione che il costo massico può essere fuor-attenzione che il costo massico può essere fuor-viante infatti, viante infatti, oltre a variare nel tempo, non consi-, non consi-dera né i costi di lavorazione né quelli di commer-dera né i costi di lavorazione né quelli di commer-cializzazione, cializzazione, ovvero fattori economici a volte mol-to rilevanti che andranno a determinarne il prezzo realmente pagato!!


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costo massico (€/kg, scala logaritmicascala logaritmica)

1 100.1 100

cost

oso

→→ e

con

om

ico accciaio = 0.5 €/kg

calcestruzzo = 0.05 €/kg

composito a fibre di carbonio = 60 €/kg

Al e sue leghe ≈ 1,5 €/kg

Cu e sue leghe ≈ 2,5 €/kg

acciaio inox ≈ 5,7 €/kg


11


grandezza meccanica: deformazione

tolta la forza, si possono notare 2 tipi di deformazione

1.1. reversibile = elastica: reversibile = elastica: dimensioni originali dimensioni originali ((el.el.))

2.2. irreversibile = plastica = deformazione residua: irreversibile = plastica = deformazione residua:

dimensio-ni diverse dalle originali dimensio-ni diverse dalle originali (semplicemente (semplicemente ))

allungamentoΔL = L- L0 (mm)

L (

mm

)

L0

(mm

)

εε = = ΔΔL / LL / L00

adimensionale:rapporto lunghezze

forza agente = F

ancoraggio

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grandezza meccanica: deformazione

la deformazione è una grandezza adimensionale:

L/L0 = mm/mm

la deformazione può essere espressa anche in per-centuale ( è in genere un numero piccolo):

% = L/L 0 • 100

attenzione nei calcoliattenzione nei calcoli: = 1/100 %, è possibile fare un errore di 2 ordini di grandezza = errore non tollerabile in nessun progetto!!

ne segue che l’allungamento L = % • L0 • 1/100

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i valori che trovate tabulati su diverse banche dati sono relativi alla deformazione a rottura R di un ma-teriale: possono essere utili come indice di lavora-indice di lavora-bilità bilità per deformazione (duttilità) del materiale

PER IL DESIGN R è una grandezza relativamente poco utile, infatti un manufatto deformato o rotto è da buttare o da riparare

3a p. meccanica: deformazione deformazione lavorabilitàlavorabilità

le deformazioni sono provocate da forze applicate al manufatto, in particolare i valori di R sono ottenuti in prove standard impiegando provini standard per rendere possibile il confronto fra diversi materiali

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in un progetto è possibile stabilire un limite di defor-mabilità per un manufatto o componente al di sopra del quale si ha perdita delle funzionalità, ovvero una una

deformazione massima tollerabile deformazione massima tollerabile εεmaxmax (ovviamente (ovviamente

reversibile)reversibile)in funzione di questo limite è possibile stimare le sollecitazioni massime sopportabili dal manufatto fabbricato con un certo materiale e avente una certa forma e dimensioni

o viceversa, ipotizzate le probabili sollecitazioni stimare la max a seconda della forma, delle dimensioni e del tipo di materiale del manufattoma per fare questo lavoro di progetto è necessario conoscere valori di grandezze che siano indipendenti dalle dimensioni e forma del manufatto (ovvero delle grandezze intrinsechegrandezze intrinseche) e le modalità per calcolare i valori di nostro specifico interesse

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osservazioni sensorialiosservazioni sensoriali

è intuitivo che l’effetto di una forza applicata dipenda dalla sezione resistente e dalle proprietà del materia-le + o – deformabile, quindi dobbiamo conoscere delle grandezze che ne siano indipendenti e il collegamento fra queste ed uno specifico manufatto

cilindro in cilindro in metallometallo

cilindro in polimero

manufatti con uguale per forze F applicate identiche

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grandezza meccanica: sforzo sforzo = resistenza = resistenza

una sollecitazione meccanica, ad es. la trazione dei cilindri prima vista, può essere espressa da una grandezza intrinseca, ovvero indipendente dalla sezione del manufatto, che viene chiamata

sforzo sforzo (o carico)

= F / A= F / A00

dove A0 è la sezione iniziale, ovvero la superficie per-pendicolare alla sollecitazione prima che venga ap-plicata la forza F

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sforzo

così, impiegando la grandezza = F/A0 poiché F ed sono identici, il confronto dei materiali è immediato

A0,polimero > A0, metallo →→ polimero < metallo

possiamo anche essere più precisi

A0,polimero ≈ 20 A0, metallo →→ polimero ≈ 1/20 metallo

un metallo ha una resistenza meccanica venti volte superiore a qella di un polimero (nella realtà è anche maggiore)

cilindro in cilindro in metallometallo

cilindro in polimero

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unità di misura per lo sforzo sforzo = F/A0: la forza F si misura in N (newton) e, per comodità, la superficie A0 è meglio esprimerla in mm2 , quindi i valori di sono espressi in N mm-2 (N/mm2)

l’unità di misura comunemente impiegata per lo sforzo è il MPa (megapascal):

1 Pa = 1 N m-2

come tutti sappiamo, 1 m2 = 1000000 mm2 = 106 mm2

1 N mm-2 = 106 N m-2 = 106 Pa = 1 MPa

dove M (mega) è un prefisso per le unità di misura che indica un milione di volte, quindi il valore espresso in MPa ≡ (è equivalente) a quello in N mm-2

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4a – p. meccanica: modulo di Young E = rigidità

σ3

ΔL3

L0

σ2

ΔL2

σ1

ΔL1

se sollecitiamo il solito parallepipedo con sforzi cre-scenti otteniamo allungamenti L crescenti e, quindi, anche deformazioni crescenti

V0 = V1 = V2 = V3

ma A0 > A1 > A2 > A3

in campo elastico, ovvero se la deformazione è rever-sibile, il rapporto è co-stante (σ1/ε1 = σ2/ε2 = σ3/ε3)

tale rapporto è chiamato modulo di Young Emodulo di Young E (o mo-dulo elastico)E è una grandezza intrinse-E è una grandezza intrinse-ca e caratteristica di ogni ca e caratteristica di ogni materiale, materiale, l’unità di misura più comune per E è: GPa GPa (gigapascal = 109 Pa)

20


σ (

MP

a)

ε (adimensionale)

ε3

ε1

σ3

σ1

σ2

ε2

il diagramma vs è caratteristico di ogni materiale, la pendenza della retta è il modulo elastico E

L (mm) = (1000 • (MPa) / E (GPa)) • L0 (mm), un errore

di 3 ordini di grandezza non dovrebbe essere possibile: chi lo fa

usa i numeri a caso (BOCCIATO!BOCCIATO!)

in campo elastico (rev) vi è una diretta proporzionalità fra ed

= E • (legge di Hooke)

attenzione nei calcoliattenzione nei calcoli! E (GPa) deve essere trasformato in MPa nel calcolo dell’allungamento L in mm: 1 GPa = 1000 MPa

21


rigidità di 3 materiali: il modulo E

σ

ε

Eacciai ≈ 2 102 GPa

Egomma ≈ 10-3 GPa

EPP ≈ 1 GPa

rigido

cede

vole

22densità (g/cm3, scala logaritmica)LZ2-proprietà-G. Fumagalli

0.01

rig

idit

à =

EE (

GP

a, s

ca

la lo

g)

0.1

1

10

100

0.001

0.01 schiume

polimeri

leghe metalliche leggere

legni

metalli

H2O

per materiali comuni, sembra (scale logaritmiche !)

che a > densità corrisponda > rigidità E

0.1 1 10

ceramici avanzati

ceramici

elastomeri

23


per carichi superiori a un valore limite dello sforzo, chiamato limite elasticolimite elastico Y Y

(o limite di snervamento sn), il materiale subisce anche deformazioni plasti-che: una volta tolta la solle-citazione la deformazione elastica viene sempre recu-perata mentre quella plasti-ca (residua) no

σ (

MP

a)

ε

εplastica

σσYY

> Y

5a – p. meccanica: limite elasticolimite elastico YY= resistenza= resistenza

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resi

sten

za =

YY

(MP

a, s

ca

la lo

g)


densità (g/cm3, scala logaritmica)

0.1

1

10

100

0.001

0.01schiume

polimeri

leghe metalliche leggere

legni

metalli

H2O

per materiali comuni, sembra (scale logaritmiche !)

che a > densità corrisponda > resistenza Y

0.1 1 10

ceramici avanzati

ceramici

elastomeri

acciai

25


superiormente il campo elastico è delimitato dal li- li-mite elastico mite elastico YY, quello plastico dal carico di rot- carico di rot-tura tura RR

il valore dello sforzo R è tale che istantaneamente si possono formare nuove superfici, si ha la forma-zione di una cricca (o più) e il materiale si rompe!

R, come R (deformazione a

rottura), non è un parame-tro di progetto ma solo un indice di lavorabilità

3a bis – p. meccanica: carico di rottura Rσ

(M

Pa)

ε

σY

campo elasticocampo elastico

campo plasticocampo plastico σR

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le curve le curve ““ vs vs ”” dei materiali dei materialila maggior parte delle proprietà meccaniche dei mate-riali sono descritte dai diagrammi “-”

si ha un campo elasticocampo elastico dove vale la legge di Hooke con un andamento lineare della curva caratterizzato dal modulo elastico EE (o di Young), dal limite elastico YY (o di snervamento) e da deformazioni reversibili

si ha un campo plastico dove l’andamento non è quasi mai lineare ma curvilineo, questo secondo campo è di scarso interesse per il design ed è relativo solo alla lavorabilità per deformazione del materiale (bisogna an-che considerare che alcuni processi di lavorazione sono fatti spesso in condizioni di T e P diverse da quelle delle normali curve sforzo-deformazione, in genere ottenute a 25 °C)

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le curve “le curve “ vs vs ” dei materiali” dei materialipossiamo avere materiali (m.) a comportamento:

1.1. elasto-plasticoelasto-plastico: la classe dei m. metallici e della maggior parte dei m. polimerici, il m. prima di rom-persi subisce deformazioni irreversibili + o - accen-tuate (m. + o - duttile)

2.2. solo elasticosolo elastico: la classe dei m. ceramici e gli elasto-meri (famiglia di m. polimerici), il m. pur rompendosi ha subito solo reversibili (Y Y coincide a coincide a RR)

i parametri di progetto utili sono YY (al suo aumentare cresce la resistenza meccanica) ed EE (al suo aumen-tare cresce la rigidità)la temperatura influenza queste curve caratteristiche, così un m. elasto-plastico a Tambiente, quando la T viene abbassata, può trasformarsi in m. solo elastico (ad es. da deformabile diventa rigido): il fenomeno è particolarmente importante per la classe dei polimeri

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6a – p. meccanica: fragilità → tenacitàfragilità → tenacità

la “messa fuori uso per sollecitazioni meccaniche” (ad

es. un urto) può essere rappresentata da diversi indici numerici che descrivono fenomeni differenti e legati ai requisiti di uno specifico manufatto

1. il manufatto assorbe energia nel deformarsi plasticamen-te ma, oltre a un certo limite, si rompe: l’energia limite è rappresentabile con l’areaarea delimitata superiormente dalla curva “curva “””

2. idem, ma è tollerata solo una deformazione elastica (do-po l’urto mantenimento della forma), quindi interessa solo l’area area del triangolo rettangolo ““YY””

3. la rottura avviene in presenza di un carico e di un difetto critici, tenacità a frattura Ktenacità a frattura KIICC (MPa m1/2)

4. ……… altri indici di fragilità → → tenacità

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tenacità a frattura Ktenacità a frattura KIICC

sul testo ufficiale è riportata un ampio commento sulla proprietà “fragilità →→ tenacità” con esempi semplici e intuitivi, mi limito a commentare quello chiamato

“tanto maggiore è KC , quanto più grande è il carico sopportato e la dimensione del difetto tollerato

dal materiale prima che si rompa”

KIC = • critico • √ ( acritico) (MPa m1/2)

MPa m1/2 = m0.5 = √m.

30

tenacità a frattura KIC (MPa m1/2, scala logaritmica)10-2 10-1 1 10 102

elastica

Y basso elastoplastica

Y basso-medio-alto

fragilefragile

mediomedio

tenacetenace

31

7a - proprietà termica: isolante/conduttorespesso le trasformazioni della materia avvengono con produzio-ne di energia, tale energia però non si accumula ma tende spon-taneamente a disperdersi mediante un flusso energetico (ad es. quello che ci arriva dal sole), in parte è di tipo termico (calore) e si muove dall’area più fredda a quella più calda (gradiente di temperatura T)

a seconda dello stato di aggregazione del mezzo attraverso il quale fluisce, il trasporto di calore avviene mediante tre meccanismi principali :

1)1) irraggiamentoirraggiamento, onde elettromagnetiche nel vuoto e nei gas (ad es. sempre quelle che ci arrivano dal sole)

2)2) convezioneconvezione, trasporto di materia nei gas e nei liqui-di (ad esempio il rimescolamento di masse di aria calde/fred-de durante i fenomeni meteorologici)

3)3) conduzioneconduzione, movimento di elettroni e fononi nei so-lidi (ad es. nel fondo pentola metallico sulla fiamma)


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7a - proprietà termica: isolante/conduttore

1.1. elettroni elettroni mobili, che “urtandosi” trasferiscono l’uno all’al-tro l’eccesso di energia posseduto a più alta T:

materiali metallici materiali metallici = conduttori conduttori = processo veloce

1.1. fononifononi, onde di tipo meccanico-acustico che si propagano da un atomo all’altro per vibrazione (più alta a T maggiore) dei nuclei degli atomi = tutti i materialitutti i materiali; il processo è più veloce quanto maggiore è la forza di legame (legami forti > legami deboli), quanto più è ordinato (monocristallino > policristallino > amorfo) e meno difettoso il reticolo di legami;

materiali polimerici amorfimateriali polimerici amorfi = isolantiisolanti

il processo di nostro maggiore interesse è quello di conduzione conduzione nei solidinei solidi, è quello più rapido dei tre e si hanno due tipi di trasportatori di energia:

I materiali a conduzione fononica sono isolanti, però vi sono delle eccezioni, ad es. il miglior conduttore termico è il diamante diamante (ceramico monocristallino): è facile distinguere un diamante da un’altra gemma incolore e trasparente!


33


metalli = metalli = c. elettronica c. elettronica = buoni conduttori= buoni conduttoriceramici = ceramici = c. fononica + s. policristallinac. fononica + s. policristallina = medio isolanti = medio isolanti

polimeri = polimeri = c. fononica + s. amorfac. fononica + s. amorfa = buoni isolanti = buoni isolanti

la velocità con cui si propaga il flusso di calore di-pende, oltre che dal T, anche dalla sezionesezione di materiale e dalla lunghezzalunghezza del percorso attraverso ai quali scorre il flusso di energia (come un fluido in un tubo + o – stretto e lungo)

più gas (convezione) e vuoti (irraggiamento) contiene il materiale migliore è il suo potere isolantead esempio le schiume a base polimericaschiume a base polimerica o i mattoni refrattari mattoni refrattari, che sono materiali porosi, sono ottimi isolantiottimi isolanti termici perché la sezionesezione reale di materiale solido, e non quella apparente con anche gas, è piccolapiccola e il percorsopercorso più tortuoso (e quindi lungolungo)


34


la grandezza chimico-fisica che descrive il trasporto la grandezza chimico-fisica che descrive il trasporto di calore della materia è la conduttività termica di calore della materia è la conduttività termica (u.m. (u.m.

del SI: W mdel SI: W m-1-1KK-1-1)), in questo corso , in questo corso (studiare anche tabella sul (studiare anche tabella sul

testo, attenti ad errori possibili) testo, attenti ad errori possibili) ci limiteremo a classi-ci limiteremo a classi-ficare i materiali come:ficare i materiali come:

1.1. ottimi conduttori ottimi conduttori (alluminio, ramerame, ….. diamante)

2.2. buoni conduttori buoni conduttori (acciai, inox, ….)3.3. scarsi isolanti scarsi isolanti (calcestruzzo, vetro, compositi con fibre di

vetro o di carbonio, …)4.4. buoni isolanti buoni isolanti (legno, gomma naturale, polietilene PE,

policarbonato PC, …)

la proprietà di un manufatto di isolare/condurre calore dipende la proprietà di un manufatto di isolare/condurre calore dipende anche dalla forma/dimensioni e non solo dal materiale: quanto anche dalla forma/dimensioni e non solo dal materiale: quanto più è bassa la conduttività del materiale, è bassa la sezione del più è bassa la conduttività del materiale, è bassa la sezione del componente, è più lungo il percorso del flusso termico tanto componente, è più lungo il percorso del flusso termico tanto più elevato risulterà l’isolamentopiù elevato risulterà l’isolamento


35

7° bis - altra proprietà termica

un’altra proprietà termica di interesse per il design è la variazione di dimensioni L del materiale che si può avere al variare della tem-

peratura T, ovvero la dilatazione termica (importante per dilatazione termica (importante per alcuni componenti con tolleranze specifiche)alcuni componenti con tolleranze specifiche):

L = L = LL00 TT = coefficiente di dilatazione termica u.m. 10-6 °C-1 ≡ allungamento di 1 m al m per ogni grado celsius o kelvin (ovvero grado centigrado), trovate anche l’equivalente u.m. strain / °CLo = dimensione alla temperatura iniziale (ad es. 25 °C) in m

per T negativi si avrà ovviamente contrazione termica contrazione termica L < 0L < 0

in genere le variazioni L sono limitate ad alcuni alcuni mm (po-co influente per un progetto), però alcuni materiali (ad es. i polimeri) possono variare anche di alcuni decimi di mm alcuni decimi di mm rischiando di alterare alcune funzionalità del manufattorischiando di alterare alcune funzionalità del manufatto


36coefficiente di dilatazione termica (strain/°C =10-6 °C-1)

1 10 100

LZ

2-p

rop

riet

à-G

. F

um

agal

li

37

• TTmaxmax-- temperatura al di sopra della quale si ha un decadimento delle proprietà meccaniche; fra i materiali polimerici più usati, il 10 % non può essere utilizzato a T > 60 °C e il 70 % a T > 200 °C; per l’acciaio Tmax≈ 300 °C, fra i mate-riali ceramici troviamo quelli con Tmax più elevata (studiare tabella sul testo)

• TTminmin-- temperatura al di sotto della quale si ha un decadi-mento delle proprietà meccaniche; per le temperature di interesse per il design ha scarso interesse perché Tmin è in genere sotto i -20 °C, … però non scordatela …

8a- proprietà termica : temperatura di serviziotemperatura di servizio


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99aa - proprietà elettrica : conduttività elettrica - proprietà elettrica : conduttività elettrica

per la conduttività elettrica si hanno diversi processi che consentono il trasporto delle cariche

tre tipi di “particelle” trasportatrici di carica elettricatre tipi di “particelle” trasportatrici di carica elettrica

1.1. elettronielettroni (cariche negative),

2.2. ioniioni (atomi o gruppi di atomi carichi negativamente o positivamente)

3.3. buchebuche (buca = spazio o “difetto” nel quale, mancan-do un elettrone in una posizione dove dovrebbe esserci, si forma una carica positiva mobile)


39

1.1. plasmiplasmi - gas con ioni (- o +) e elettroni (-) “mobili”

2.2. elettroliti liquidielettroliti liquidi - liquidi con ioni (- o +) “mobili”

3.3. metallimetalli - solidi dove alcuni elettroni (-) sono “mobili”

4.4. semiconduttorisemiconduttori - solidi con elettroni (-) e buche (+) “mobili” (il Si opportunamente drogato: struttura “elet-tronicamente difettosa” in un certo campo di T)

5.5. elettroliti solidielettroliti solidi - solidi dove alcuni ioni sono “mobili” (la zirconia opportunamente drogata: struttura “difettosa” ad alta T)

6.6. superconduttorisuperconduttori – materiali a resistenza elettrica → 0 (al-cuni metalli per T → a una decina di gradi kelvin; cera-mici speciali per T → - 200 °C = ossidi misti di Cu, Y e altri elementi )

diversi tipi di materia per il trasporto di carichediversi tipi di materia per il trasporto di cariche


40

la conduttività elettrica mostra alcune analogie con quella termica prima vista: la velocità con cui si pro-paga il flusso di cariche dipende, oltre che dalla dif-dif-ferenza di potenziale ferenza di potenziale EE, sempre dalla sezionesezione di materiale e dalla lunghezza lunghezza del percorso attraverso ai quali passano i trasportatori di carica

assumono però una importanza ancora maggiore le caratteristiche del materiale e la temperatura: ad es. il tipo e la concentrazione dei trasportatori di carica (quest’ultima può tendere a zero nei materiali isolanti), ad es. il numero di difetti elettronici può dipendere dalla composizione chimica del materiale e dalla temperatura, ad es. l’aumento dei moti vibra-zionali degli atomi, indotto dall’aumento di temperatura, può rallentare il flusso di elettroni

il processo di trasporto delle cariche il processo di trasporto delle cariche


41

9a - proprietà elettriche: isolante/conduttore

per descrivere le proprietà elettriche viene usata la grandezza “conduttività elettrica” (u.m. del SI: Ω-1 m-1) o, più spesso, il suo reciproco “resistività elettrica” (in Ω cm); come per la conduttività termica come per la conduttività termica, , ci limite-ci limite-remo a classificare remo a classificare (studiare anche tabella sul testo)(studiare anche tabella sul testo) i i materiali come :materiali come :

1.1. ottimi conduttori ottimi conduttori (i metalli puri, ad es. alluminio, rame, …..)

2.2. buoni conduttori buoni conduttori (le leghe metalliche, ad es. acciai, inox, ….)

3.3. scarsi isolanti scarsi isolanti (calcestruzzo, compositi con fibre di carbonio, legno, …)

4.4. buoni isolanti buoni isolanti (polimeri in generale, ad es. gomma naturale, compositi con fibre di vetro, …)


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10a - proprietà magnetiche:

non non magnetico/ferromagnetico/magneticomagnetico/ferromagnetico/magneticoun magnete (calamita) ha due poli di segno opposto ed è in grado di attrarre o respingere un altro magnete

alcuni materiali (contenenti elementi come il ferro Fe, il nichel Ni e il cobalto Co), pur non essendo originariamente dei magneti, possono venire magnetizzati da un campo magnetico + o – forte:1. i materiali ferromagneticiferromagnetici vengono attratti da una cala-

mita e diventano magneti in un campo magnetico, ma in genere perdono rapidamente la magnetizzazione quando allontanati dal campo magnetico

2. i magneti permanentimagneti permanenti invece mantengono a lungo la magnetizzazione e possono venire trovati in natura o es-sere artificiali

la maggior parte dei materiali sono invece non magneticinon magnetici e non subiscono i campi magnetici


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11a - proprietà ottiche: trasparente/opacole proprietà ottiche dei materiali verranno trattate più detta-gliatamente nel modulo relativo ai materiali polimerici, anche per questa proprietà che descrive il flusso delle radiazioni attraverso la materia, forma e dimensioni del manufatto possono essere determinanti

per ora ci limiteremo a considerare una scala quali-tativa (puramente sensoriale), distinguendo i materiali:

1. di qualità ottica (< 10%) - distorsione minima della radiazione visibile (r.v.) e delle immagini, ovvero materiale idoneo ad applicazioni quali quella per lenti di occhiali, per binocoli, …

2. trasparenti (< 10%) - bassa distorsione della r.v. e delle immagini (materiali anche colorati)

3.3. trasluciditraslucidi (< 20%) - la r.v. viene diffusa in tutte le direzioni con forte distorsione delle immagini

4. opachi (> 60 %) - la r.v. non attraversa il materiale


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12a proprietà chimica: durabilitàl’argomento è trattato anche più avanti nel corso

il degrado dei materiali è una tematica polidi-sciplinare complessa (chimica, fisica, ingegneria, …):1. il degrado di un materiale, o meglio di un manu-

fatto, è la perdita delle funzionalità previste a prio-ri e le cui priorità spesso sono “soggettive”

2. il materiale, l’ambiente, la forma del componente e il tempo influenzano in modo estremamente marcato il processo, quindi non è assolutamente possibile generalizzare

3. sul testo (studiare) viene tentata una classifica ge-nerica per alcuni materiali sulla durabilità:

scarsa scarsa → → buona buona →→ ottima ottima


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per i designer uno dei requisiti principali è l’aspetto estetico del manufatto:

degrado = bruttol’alterazione dell’aspetto superficiale è un fenomeno che potrebbe interessare uno spessore di centesimi o millesimi di mm (o anche meno), quindi potrebbe essere relativamente rapido senza portare ad altre alterazioni funzionali (ad es. quelle meccaniche, …)

l’unico valore della scala del testo accettabile per un designer è quello di “ottima durabilità”, già “buona durabilità” potrebbe implicare interventi manutentivi + o – frequenti ed efficaci, “scarsa durabilità” ovviamente costringerà al ricorso di trattamenti protettivi per evitare un sicuro fallimento del pro-getto

12a proprietà chimica: durabilità


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le principali proprietà dei materialiattributo sensorialeattributo sensoriale grandezza chimico-fisicagrandezza chimico-fisica u. m. SIu. m. SI u. m. usatau. m. usata

pesante/leggero densità kg m-3 g cm-3

caro/economico costo massico € kg-1 -rigido/flessibile modulo elastico E GPa -

resistente/cedevole limite elastico σy MPa -tenace/fragile tenacità a frattura KIC MPa m1/2 -

+ o - lavorabile deformazione a rottura % -+ o - isolante termico conduttività termica W m-1 K-1 -

termicamente dilatabile

coefficiente di d. t. m m-1 K-1 -

resistente al calore Tmax di esercizio K °Ctrasparente/opaco trasmittanza % -

+ o - isolante elettrico resistività elettrica Ω m μΩ cm+ o - magnetico induzione magnetica T (tesla) -

+ o - degradabile durabilità varie soggettiva

u. m. = uunità di mmisura; SI = SSistema IInternazionale delle unità di misura


1 la densità ρ = massa/volume 1 a proprietà generale: la densità ρ = massa/volume kg m -3 la...

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