proprietà dei materiali - diceam.unirc.it · 2° metodo uso di grafici e tabelle delle proprietà...
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Proprietà dei Materiali
• Ogni materiale può essere pensato come un insieme di attributi - proprietà
• Non è un materiale “per sé” che il progettista cerca ma una specifica combinazione di attributi
• Con il nome di un materiale identifichiamo un particolare “profilo di proprietà”
COME USARE LE PROPRIETÀ DEI MATERIALI NELLA PROGETTAZIONE?
COME IDENTIFICARE I MATERIALI CHE SODDISFANO LE CONDIZIONI DEL PROGETTO?
2° METODO
Uso di Grafici e Tabelle delle Proprietà dei Materiali
Es.: selezionare un materiale con E >
100 GPa
Divisione in classi di materiali
2° METODO
Ceramics and glasses Metals and alloys Polymers and elastomers Hybrids: composites, foams, natural materials
Pri
ce
(E
UR
/k
g)
0.1
1
10
100
1000
10000
Wood, typical across grain
CFRP, epoxy matrix (isotropic)
Polyvinylchloride (tpPVC)
Polyetheretherketone (PEEK)
Gold
Aluminum nitride
Low carbon steel
Concrete
Brick
Es.: Trovare un materiale poco costoso e molto rigido
2° METODO
Es.: Trovare un materiale poco costoso e molto rigido
Ceramics and glasses Metals and alloys Polymers and elastomers Hybrids: composites, foams, natural materials
Yo
un
g's
mo
du
lus (
GP
a)
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
CFRP, epoxy matrix (isotropic)
Polyetheretherketone (PEEK)
Tungsten alloys
Lead alloys
Polychloroprene (Neoprene, CR)
Flexible Polymer Foam (VLD)
Tungsten carbides
Concrete
POSSIBILI CANDIDATI:
Calcestruzzo
prezzo ≈ 0,04 eur/kg
E ≈ 15 - 20 GPa
Acciaio da costr.
prezzo ≈ 0,7 eur/kg
E ≈ 160 - 185 GPa
2° METODO
Ceramics and glasses Metals and alloys Polymers and elastomers Hybrids: composites, foams, natural materials
Pri
ce
(E
UR
/k
g)
0.1
1
10
100
1000
10000
Wood, typical across grain
CFRP, epoxy matrix (isotropic)
Polyvinylchloride (tpPVC)
Polyetheretherketone (PEEK)
Gold
Aluminum nitride
Low carbon steel
Concrete
Brick
Ceramics and glasses Metals and alloys Polymers and elastomers Hybrids: composites, foams, natural materials
Yo
un
g's
mo
du
lus (
GP
a)
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
CFRP, epoxy matrix (isotropic)
Polyetheretherketone (PEEK)
Tungsten alloys
Lead alloys
Polychloroprene (Neoprene, CR)
Flexible Polymer Foam (VLD)
Tungsten carbides
Concrete
POSSIBILI CANDIDATI:
Calcestruzzo
prezzo ≈ 0,04 eur/kg
E ≈ 15 - 20 GPa
Acciaio da costr.
prezzo ≈ 0,7 eur/kg
E ≈ 160 - 185 GPa
2° METODO
Ceramics and glasses Metals and alloys Polymers and elastomers Hybrids: composites, foams, natural materials
Pri
ce
(E
UR
/k
g)
0.1
1
10
100
1000
10000
Wood, typical across grain
CFRP, epoxy matrix (isotropic)
Polyvinylchloride (tpPVC)
Polyetheretherketone (PEEK)
Gold
Aluminum nitride
Low carbon steel
Concrete
Brick
Ceramics and glasses Metals and alloys Polymers and elastomers Hybrids: composites, foams, natural materials
Yo
un
g's
mo
du
lus (
GP
a)
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
CFRP, epoxy matrix (isotropic)
Polyetheretherketone (PEEK)
Tungsten alloys
Lead alloys
Polychloroprene (Neoprene, CR)
Flexible Polymer Foam (VLD)
Tungsten carbides
Concrete
Qual’è la combinazionemigliore??
3° METODO:
Impareremo un metodo più efficiente per arrivare facilmente alla migliore soluzione
possibile…
LE “CLASSI” DI MATERIALI
più di 30 tra proprietà meccaniche e termiche dei materiali sono di primaria importanza nella progettazione.
in base a queste è possibili dividere i materiali ingegneristici in grandi classi
si ottengono maggiori informazioni rappresentando una proprietà rispetto ad un’altra
GRAFICO MODULO DI YOUNG-DENSITÀ
➢ molte informazioni
insieme
➢ le bolle grandi
rappresentano le classi
➢ le bolle piccole le
sub-classi: la variabilità
è dovuta a proprietà
dipendenti dalla
struttura
➢ in realtà è un insieme discreto di punti
➢ c’è comunque grande variabilità di proprietà anche all’interno
delle singole sub-classi
La densità di un solido dipende:
• peso degli atomi: varia molto, H = 1 ÷ U = 238
• dimensioni atomi: non varia molto, 1 ÷ 4 x10-29 m3
• disposizione nello spazio: non varia molto
disposizioni chiuse, fattore di impacchettamento 0,74
disposizioni aperte (diamante), fattore di imp. 0,34
I metalli hanno densità elevata perchè sono fatti di atomi pesanti
strettamente impacchettati
I polimeri hanno basse densità perchè sono fatti di carbonio (12)
e idrogeno in strutture amorfe o poco cristalline
GRAFICO MODULO DI YOUNG-DENSITÀ
Grafico Modulo di Young-Densità
il modulo di Young, E dipende:
• forza del legame atomico,
• densità dei legami 0r
SE
intensità di legame
dimensione atomo
legame covalente S = 20 – 200 N/m
legame metallico, ionico S = 15 – 100 N/m
legami Van-der-Waals S = 0,5 – 2 N/m
Grafico Modulo di Young-Densità
0r
SE
intensità di legame
dimensione atomo
DIAMANTE (ceramici) → E altor0 del C piccolo
S covalente alto
METALLI → E altoS metallico alto
stretto impacchett → alta densità di legami
POLIMERI → E basso S covalente alto
S VanderWaals basso
Grafico Modulo di Young-Densità
la trasmissione del suono nei solidi è una
propagazione di onde elastiche
la velocità del suono dipende da E e da r
2
1
r
Ev
che in forma logaritmica diventa:
log E = log r + 2 log n
Grafico Modulo di Young-Densità
la velocità del suono nei solidi varia tra
5x101 m/s (elastomeri)
1x104 m/s (ceramici)
RESISTENZA MECCANICA - DENSITÀ
La resistenza meccanica assume significato diverso a secondo dei materiali
La resistenza meccanica è espressione dell’intrinseca resistenza della struttura allo scorrimento plastico
RESISTENZA MECCANICA - DENSITÀ
Nei metalli la resistenza aumenta introducendo ostacoli allo scorrimento: elementi di lega, bordi di grano, altre dislocazioni.
Nei polimeri aumentando il cross-linking o l’allineamento.
La plasticità è data dal movimento dei piani cristallini all’interno della struttura reticolare: nei metalli questo richiede poca energia (dislocazioni), nei ceramicimoltissima (legame covalente), nei polimeri coinvolge legami secondari.
GRAFICO MODULO - RESISTENZA
Tensile strength (MPa)1 10 100 1000
Yo
un
g's
mo
du
lus (
GP
a)
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
Natural materials
Elastomers
Polymers
Composites
Metals and alloys
Technical ceramicsNon-technical ceramics
Foams
GRAFICO MODULO - RESISTENZA
10
1
E
f
Elastomeri = 1-10
Polimeri = 0,01-0,1
Metalli = 0,001
Ceramici = 0,0001
valore teorico della
deformazione:
(un legame si rompe
se allungato più del
10% della lunghezza
iniziale)
2
f
2
C1y
Kd
Diametro dell’area
in prossimità
dell’apice della
cricca
GRAFICO TENACITÀ – RESISTENZA
Frattura prima della
plasticizzazione
Plasticizzazioneprima della
Frattura
CONDUCIBILITÀ TERMICA - RESISTIVITÀ
Gli elettronicontribuiscono allaconduzionetermica
La conduzione termica avviene per vibrazione del reticolo
ESEMPIO - DEVO TROVARE UN MATERIALE CHE RISPETTI QUESTE DUE CONDIZIONI:
E > 10 GPa
r > 3 Mg/m3
grafico: Modulo elastico-densità