proprieta dei materiali

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MATERIALI METALLICI COMPOSTI NON METALLICI FERROSI NON FERROSI MATERIALI SINTERIZZATI FIBRE DI CARBONIO NATURALI ARTIFICIALI

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COMPORTAMENTO ALLA CORROSIONE La corrosione è un processo chimico che avviene quando il metallo viene a contatto con aria, acqua e acidi. Si distinguono due tipi di corrosione: La corrosione a umido: causato da agenti chimici quali acidi e soluzioni saline; La corrosione a secco: causato da reazioni dirette del metallo con l’ ossigeno o con gas inquinanti contenuti nell’ aria.

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COMPORTAMENTO ALL’ 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.

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MASSA VOLUMICA La massa volumica o densità è definita come il rapporto fra la massa di un corpo espressa in kg e il suo volume espresso in metri cubi. CONDUCIBILITA’ TERMICA La conducibilità termica è la capacità del materiale di permettere il passaggio di calore. sono buoni conduttori: rame, alluminio, oro, argento, metalli in genere; sono cattivi conduttori: porcellana, polistirolo, non metalli in genere. CONDUCIBILITA’ ELETTRICA La conducibilità elettrica è la capacità del materiale di permettere il passaggio di elettricità. sono buoni conduttori: rame, alluminio, oro, argento, metalli in genere; sono cattivi conduttori (isolanti): porcellana, vetro, non metalli in genere.

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DILATAZIONE TERMICA La dilatazione termica è la variazione del volume del materiale per effetto di una variazione della temperatura. materiali poco dilatabili: vetro, ghisa, platino, acciaio; materiali molto dilatabili: mercurio, piombo, alluminio, stagno.

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TEMPERATURA DI FUSIONE La temperatura di fusione è quella alla quale il materiale inizia a passare dallo stato solido a quello liquido. Nei metalli puri la fusione si realizza a temperatura costante e, se aumentiamo il calore, la temperatura non aumenta. Questo fenomeno si chiama calore latente di fusione. Nelle leghe, il passaggio da solido a liquido, si completa alla temperatura corrispondente al punto di fusione dell’ elemento con maggiore temperatura di fusione.

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SOLLECITAZIONI Le sollecitazioni dinamiche sono quelle sollecitazioni che agiscono con frequenza costante. Invece, le sollecitazioni statiche sono quelle sollecitazioni prodotte da forze esterne applicate a un corpo in modo graduale e continuo. Tra le sollecitazioni statiche sono: trazione, compressione, flessione, torsione e taglio.

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TRAZIONE E’ la sollecitazione prodotta da forze uguali e opposte che tendono ad allungare l’ elemento.

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COMPRESSIONE E’ la sollecitazione prodotta da forze uguali e opposte che tendono ad accorciare l’ elemento.

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FLESSIONE E’ la sollecitazione prodotta da forze agenti perpendicolarmente all’ asse dell’ elemento che tendono a fletterlo o piegarlo.

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TORSIONE E’ la sollecitazione prodotto da forze che tendono a ruotare l’ elemento rispetto al proprio asse.

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TAGLIO E’ la sollecitazione prodotta da forze agenti perpendicolarmente all’ asse dell’ elemento che tendono a reciderlo.

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PROPRIETA’ TECNOLOGICHE Le proprietà tecnologiche riguardano l’ attitudine di un materiale a essere sottoposto a determinati lavorazioni. Esse sono: Malleabilità, duttilità, imbutibilità, estrudibilità, fusibilità, saldabilità, truciolabilità, temprabilità. MALLEABILITA’ La malleabilità è l’ attitudine del materiale a essere trasformato in lamine senza che avvengano screpolature o rotture.

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DUTTILITA’ La duttilità, anche chiamata trafilabilità, è l’ attitudine di un materiale a essere trasformato in fili.

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IMBUTIBILITA’ L’ imbutibilità è l’ attitudine di un materiale a essere deformato a freddo attraverso uno stampaggio profondo, detto imbutitura.

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ESTRUDIBILITA’ L’ estrudibilità è l’ attitudine di un materiale ad acquisire determinate forme quando viene spinto attraverso un foro sagomato. Questo tipo di lavorazione è detto estrusione.

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FUSIBILITA’ La fusibilità, anche chiamata colabilità, è l’ attitudine di un materiale ad assumere la forma di uno stampo mediante fusione.

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SALDABILITA’ La saldabilità è l’ attitudine di un materiale a unirsi per fusione con un altro materiale. Questo tipo di lavorazione è detto saldatura.

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TRUCIOLABILITA’ La truciolabilità è l’ attitudine di un materiale a subire lavorazioni per asportazioni di truciolo.

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TEMPRABILITA’ 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.

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MATERIALI METALLICI Si definiscono materiali metallici quelli costituiti da metalli o da loro leghe. Questi sono caratterizzati da una struttura chimica cristallina compatta e omogenea. A seconda della loro natura, i materiali metallici possono essere ferrosi o non ferrosi. I MATERIALI FERROSI I materiali ferrosi sono materiali costituiti da leghe composte quasi esclusivamente da ferro e carbonio. Il tenore di carbonio è sempre molto basso e non supera il 2,06%. Questi sono ottenuti dalla fusione in altoforno dei minerali di ferro. I materiali ferrosi vengono distinti in: Ghise: sono ottenute direttamente dalla fusione in altoforno del minerale ferrosi; Acciai: sono ottenuti mediante decarburazione parziale delle ghise. Possono essere suddivisi in acciai semplici, speciali, bassolegati; Ferro dolce: è ottenuto mediante decarburazione totale della ghisa e ha una percentuale di carbonio inferiore allo 0,1%.

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ALTOFORNO L’ altoforno è un enorme contenitore verticale di acciaio, rivestito internamente di materiale refrattario, dentro il quale la temperatura aumenta, dall’ alto verso il basso, fino a raggiungere i 1900° C. Nella parte superiore dell’ altoforno vengono introdotti strati di minerale ferroso, di carbone coke, di fondente e sottoposti a un processo di combustione continua a fiamma viva dal basso. L’ altoforno è costituito dalla bocca di carico,ventre, sacca e crogiolo. Nel crogiolo arriva la ghisa grezza e la loppa. La loppa viene separata dalla ghisa che poi viene avviata al processo di conversione, da cui né escono i semilavorati come lingotti, bramme e billette.

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PROPRIETA’ DELLA GHISA La ghisa è caratterizzata da un elevato tenore di carbonio che è compreso tra il 2,06% e il 6,67%. La massa volumica della ghisa è di poco inferiore a quella dell’ acciaio e la sua resistenza a compressione è molto alta, mentre quella a trazione è piuttosto bassa. La ghisa è infine dotata di ottima resistenza a usura e alla corrosione e di elevata colabilità. CLASSIFICAZIONE DELLA GHISA In base alla composizione, la ghisa si distingue in bianca, grigia, malleabile e sferoidale. Ghisa bianca: è una ghisa durissima e molto fragile; Ghisa grigia: è una ghisa meno dura e quindi meno fragile; Ghisa malleabile: è ottenuta per riscaldamento della ghisa bianca e, a seconda del trattamento termico adottato, può essere bianca o nera; Ghisa sferoidale: è ottenuta dalla ghisa grigia con l’ aggiunta di magnesio e nichel.

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CONVERSIONE DELLA GHISA IN ACCIAIO La ghisa viene trasformata in acciaio attraverso un processo, chiamato conversione della ghisa, consistente sostanzialmente nella riduzione del tenore di carbonio della ghisa. Questa lavorazione è detta decarburazione. Al termine di questa lavorazione si effettua l’ operazione di colata in cui 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. Dopo la colata avvengono le fasi di raffreddamento e formatura.

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CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI Gli acciai possono essere classificati in: acciai semplici, speciali e bassolegati. Acciai semplici: contengono unicamente ferro e carbonio. A essi appartengono gli acciai di uso più comune e con minori caratteristiche meccaniche; Acciai speciali: oltre al ferro e al carbonio contengono altri elementi alliganti. A essi appartengono gli acciai inossidabili; Acciai bassolegati: contengono vari elementi di lega, in percentuale inferiore al 5%.

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CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI Gli acciai semplici vengono designati con il simbolo del metallo base (Fe), sono utilizzati soprattutto per opere di carpenteria metallica, tondini per cemento armato e organi meccanici poco sollecitati. Gli acciai speciali sono designati mediante una lettera o uno o più simboli di elementi. Gli acciai speciali si dividono in: Acciai da bonifica: di uso comune per la costruzione di organi meccanici sollecitati; Acciai da cementazione e nitrurazione: sono impiegati nella costruzione di parti meccaniche soggette a usura; Acciai inossidabili: sono anche chiamati acciai inox e sono utilizzati nella nautica e nella costruzione di contenitori per alimenti; Acciai resistenti a calore o rivestiti: sono utilizzati nella costruzione di componenti per impianti chimici e termici; Acciai per cuscinetti a sfera: adatti alla costruzione di cuscinetti da rotolamento; Acciai per molle: sono utilizzati nella costruzione di molle, pinze elastiche e barre di torsione; Acciai per utensili: adatti alla costruzione di utensili per lavorazioni a freddo e a caldo.

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TRATTAMENTI DEGLI ACCIAI L’ acciai può essere sottoposto a svariati trattamenti che agiscono sulla sua struttura cristallina. Questi trattamenti possono essere termici, fisico-chimici e meccanici. I TRATTAMENTI TERMICI TEMPRA: consiste nel riscaldare l’ acciaio a 800-900°C raffreddandolo poi bruscamente per immersione in acqua o in olio. Questo trattamento produce un aumento della durezza e una diminuzione della resilienza; RINVENIMENTO: consiste nel riscaldare un oggetto precedentemente sottoposto a tempra e nel lasciarlo poi raffreddare lentamente; BONIFICA: consiste nell’ eseguire i trattamenti di tempra e rinvenimento; RICOTTURA: consiste nel riscaldare il materiale e lasciarlo raffreddare molto lentamente. Questo trattamento produce gli effetti contrari alla tempra; NORMALIZZAZIONE: si ricorra a questo procedimento per omogeneizzare e ridurre le tensioni interne.

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I TRATTAMENTI FISICO-CHIMICI I trattamenti fisico-chimici hanno la funzione di modificare la composizione chimica del pezzo attraverso i processi di cementazione, nitrurazione, cianurazione e solfonitrurazione. CEMENTAZIONE: consiste nell’ arricchire di carbonio il pezzo riscaldandolo a 900-1000°C e mantenendolo a lungo in un ambiente ricco di carbonio. Questo trattamento aumenta la durezza superficiale, la resistenza a usura e la tenacia interna; NITRURAZIONE: consiste nell’ immergere, il pezzo da trattare, in sostanze contenenti composti azotati (ammoniaca), che formano sulla superficie del metallo uno strato assai duro di qualche decimo di millimetro; CIANURAZIONE: consiste nel trattare i pezzi con cianuro di potassio e riscaldati a 800°C per 10-15 minuti. Questo trattamento si applica per aumentare la durezza superficiale; SOLFONITRURAZIONE: consiste nel trattare i pezzi con zolfo e azoto e riscaldati a circa 800°C per 10-15 minuti. Questo trattamento si applica per aumentare la durezza superficiale e la resistenza alla ossidazione.

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I TRATTAMENTI MECCANICI I trattamenti meccanici sono operazioni di deformazione permanente mediante sforzo meccanico. Questi trattamenti deformano la struttura interna degli acciai, omogeneizzandola ed eliminando possibili fessure o cavità interne. I trattamenti meccanici si distinguono in trattamenti a freddo come la laminazione, la trafilatura e la martellatura e in trattamenti a caldo come l’ estrusione, la forgia e lo stampaggio a caldo. TRAFILATURA ESTRUSIONE

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PROVE MECCANICHE 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 che vengono distrutte durante la prova. Sono prove distruttive quelle della resistenza a trazione, compressione e flessione e della resilienza. Le prove meccaniche non distruttive si effettuano su provette, ma senza danneggiarle. Sono prove non distruttive quelle della durezza o quelle effettuate mediante liquidi penetranti, correnti indotte o ultrasuoni.

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PROVE DISTRUTTIVE PROVA A TRAZIONE La prova di resistenza a trazione viene applicata con una macchina chiamata macchina universale e consiste nel sottoporre una provetta, ricavata dal materiale da controllare e avente forma e dimensioni corrispondenti alle norme, a una trazione applicata lentamente e in modo crescente, fino a determinare la rottura. Il comportamento della provetta durante la prova viene registrato dalla stessa macchina di prova attraverso un grafico rappresentante la variazione dell’ allungamento subito dal materiale al crescere del carico applicato.

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PROVA DI COMPRESSIONE La prova di compressione viene eseguita principalmente sui materiali a comportamento fragile come la ghisa. Essa consiste nel comprimere lentamente e uniformemente una provetta, fino a produrne la rottura. Lo scopo della prova è quello di determinare il comportamento a compressione del materiale, definendone il carico di rottura. Per la prova si utilizza la stessa apparecchiatura della prova a trazione, cioè la macchina di prova universale, sostituendo le ganasce con due piastre piane.

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PROVA DI 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. Anche questa prova viene effettuata con la macchina universale. La prova a flessione viene spesso effettuata per valutare l’ entità della freccia. La freccia è la distanza tra l’ asse geometrico del corpo prima della deformazione e quella risultante dopo la deformazione. Essa è massima al centro.

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PROVA DI RESILIENZA CHARPY Si definisce resilienza la capacità che ha un materiale di resistere a urti. 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. Per la validità della prova occorre che la provetta si rompa in un solo colpo. Il valore della resilienza è dato, secondo la norma, dal rapporto tra il lavoro assorbito per la rottura della provetta e l’ area della sezione della provetta.

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PROVE DI DUREZZA La durezza di un materiale può essere misurata attraverso l’ impronta prodotta da un dispositivo, detto penetratore, premuto sulla superficie del materiale. I diversi sistemi di prova sono quella Brinnell, quella Vickers e quella Rockwell. Questi sistemi differiscono essenzialmente per la forma del penetratore. Gli apparecchi per l’ esecuzione della prova di durezza sono detti durometri. Le prove di durezza non distruggono né danneggiano il pezzo sottoposto alla prova.

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PROVA BRINNELL La prova di durezza Brinnell, è adatta a qualsiasi valore di durezza. Il penetratore è una sfera di acciaio temprato o di metallo duro. Il procedimento di prova consiste nell’ imprimere, sulla superficie da provare, per 10-15 secondi un carico non superiore a 29,42 kN a seconda del diametro della sfera.

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PROVA VICKERS La prova di durezza Vickers, è adatta a qualsiasi valore di durezza. Il penetratore è un diamante a forma di piramide retta a base quadrata. Il procedimento di prova consiste nell’ imprimere, sulla superficie da provare, per 10-15 secondi un carico compreso tra 1,961 N e 980,7 N.

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PROVA ROCKWELL SCALA B La prova di durezza Rockwell scala b, è adatta a bassi valori di durezza. Il penetratore è una sfera di acciaio temprato. Il procedimento di prova consiste nell’ imprimere il carico in due tempi successivi. Si applica un carico iniziale di 98 N (10 kg) e si incrementa poi il carico fino a 980 N (100 kg). Dopo 30 secondi si rimuove il carico e si misura l’ impronta risultante.

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PROVA ROCKWELL SCALA C La prova di durezza Rockwell scala c, è adatta a elevati valori di durezza. Il penetratore è un diamante a forma di cono circolare retto con punta arrotondata. Il processo di prova consiste nell’ imprimere, sulla superficie da provare, un carico iniziale di 98 N (10 kg), che viene poi aumentato fino a 1470 N (150 kg). Dopo 30 secondi si rimuove il carico e si effettua la misurazione dell’ impronta.

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