View
216
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 1
I materiali
2
I materiali
Introduzione al corso
Tecnologia di produzione
I materiali
La misura della durezza
Le prove meccaniche distruttive
Prove non distruttive
La meccanica dei materiali
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 2
3
Obiettivi della lezione
Conoscere gli elementi caratteristici di metalli e polimeri
Distinguere i campi di impiego dei diversi materiali in funzione delle loro caratteristiche chimico-fisiche
Conoscere l’effetto dei principali trattamenti termici e superficiali
Saper valutare l’effetto della temperatura sulla formazione dei legami polimerici
4
Bibliografia per la lezione
“Sistemi di Produzione”A. Villa, G. Murari, D. AntonelliC.L.U.T. Editrice, 2004
capitolo 2 paragrafi 1 e 2
“Tecnologia Meccanica e Studi di Fabbricazione”Santochi, GiustiCasa Editrice Ambrosiana, 2000
capitolo 3 paragrafi 4 e 5
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 3
I materiali
6
I materiali
La struttura metallica
Il reticolo cristallino
I metalli: tipologie
I metalli: i trattamenti termici
I materiali polimerici
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 4
7
Classificazione dei materiali
Materiali metallici
Materiali di natura organica (Plastiche)
Materiali di natura inorganica (Ceramiche)
8
Modello di Bohr
I materiali hanno una struttura atomica:
le caratteristiche fisiche e chimiche di un atomo dipendono dal numero e dalla disposizione orbitale degli elettroni di valenza
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 5
9
Modello di Bohr
I materiali hanno una struttura atomica:
le caratteristiche fisiche e chimiche di un atomo dipendono dal numero e dalla disposizione orbitale degli elettroni di valenza
un atomo da cui è stato rimosso un elettrone è denominato ione
10
Legame metallico
Uno o più elettroni si allontanano dall’atomo originario e vengono condivisi tra più atomi vicini creando un numero elevato di ioni positivi immersi in una nuvola di cariche negative
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 6
11
Legame metallico
Ioni positivi
12
Legame metallico
Nuvola elettronica negativa
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 7
13
Legame metallico
Gli elettroni costituiscono cariche vaganti negative che si insinuano nello spazio liberato dagli ioni positivi
14
Legame metallico
Gli elettroni costituiscono cariche vaganti negative che si insinuano nello spazio liberato dagli ioni positivi
La coesione è stabilita dalle forze di attrazione tra la nuvola elettronica e gli ioni
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 8
15
Legame metallico
Gli elettroni costituiscono cariche vaganti negative che si insinuano nello spazio liberato dagli ioni positivi
La coesione è stabilita dalle forze di attrazione tra la nuvola elettronica e gli ioni
Se gli ioni si allontanano tra loro, la nuvola elettronica tende a fissarli in equilibrio stabile, secondo distanze ben definite
I materiali
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 9
17
I materiali
La struttura metallica
Il reticolo cristallino
I metalli: tipologie
I metalli: i trattamenti termici
I materiali polimerici
18
Il reticolo cristallino
La struttura che si presenta è composta da un elevato numero di ioni metallici distribuiti nello spazio a formare il reticolo cristallino
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 10
19
Il reticolo cristallino
La struttura che si presenta è composta da un elevato numero di ioni metallici distribuiti nello spazio a formare il reticolo cristallino
La più piccola porzione di volume che ripetuta riempie completamente il reticolo, è denominata cella unitaria o elementare
20
Forma della cella elementare
Cubica a corpo centrato (CCC)
Cubica a facce centrate (CFC)
Struttura cristallina esagonale compatta
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 11
21
Forma della cella elementare
Cubica a corpo centrato (CCC)ferro-α (forma allotropica stabile fino a 770°C)vanadio (V)molibdeno (Mo)tungsteno (W)cromo (Cr)
22
Forma della cella elementare
Cubica a facce centrate (CFC)ferro-γ : forma allotropica tra 910 - 1410°C alluminio (Al)nichel (Ni)argento (Ag)piombo (Pb) cobalto-ß (Co- ß) rame (Cu)
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 12
23
Forma della cella elementare
Struttura cristallina esagonale compattamagnesio (Mg)zinco (Zn)cadmio (Cd)berillio (Be)cobalto- α (Co- α ) titanio- α (Ti- α)
24
Il grano cristallino
Rappresenta l’insieme di reticoli con medesimo orientamento che compongono il metallo
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 13
25
Il grano cristallino
Rappresenta l’insieme di reticoli con medesimo orientamento che compongono il metallo
La maggior parte dei metalli è costituita da strutture policristalline
26
Il grano cristallino
Rappresenta l’insieme di reticoli con medesimo orientamento che compongono il metallo
La maggior parte dei metalli è costituita da strutture policristalline
Le dimensioni dei grani cristallini incidono sulle proprietà meccaniche dei metalli
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 14
27
Il grano cristallino
Rappresenta l’insieme di reticoli con medesimo orientamento che compongono il metallo
La maggior parte dei metalli è costituita da strutture policristalline
Le dimensioni dei grani cristallini incidono sulle proprietà meccaniche dei metalli
Ad esempio a dimensioni maggiori del grano corrisponde una più facile deformabilità
28
Lo scorrimento plastico
La deformazione avviene sotto l’azione di forze di taglio lungo i piani di scorrimento
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 15
29
Lo scorrimento plastico
La deformazione avviene sotto l’azione di forze di taglio lungo i piani di scorrimento
30
Lo scorrimento plastico
La deformazione avviene sotto l’azione di forze di taglio lungo i piani di scorrimento
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 16
I materiali
32
I materiali
La struttura metallica
Il reticolo cristallino
I metalli: tipologie
I metalli: i trattamenti termici
I materiali polimerici
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 17
33
Tipologie dei metalli
Le tipologie dei metalli sono determinate dalle sostanze presenti nella composizione della lega
34
Tipologie dei metalli
Le tipologie dei metalli sono determinate dalle sostanze presenti nella composizione della lega
La classificazione dipende dalla struttura cristallina del metallo
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 18
35
Le leghe
Le tipologie dei metalli sono determinate dalle sostanze presenti nella composizione della lega
La classificazione dipende dalla struttura cristallina del metallo
Lega
aggregato cristallino dalle proprietà metalliche composto da elementi chimici di cui almeno uno è un metallo
36
Soluzione solida
Sostanza costituita da un composto solido omogeneo di atomi che occupano nel reticolo posizioni statisticamente arbitrarie
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 19
37
Soluzione solida di sostituzione
Sostanza costituita da un composto solido omogeneo di atomi che occupano nel reticolo posizioni statisticamente arbitrarie
è di sostituzione quando atomi di soluto sostituiscono atomi di solvente nel reticolo cristallino del solvente
38
Soluzione solida interstiziale
Sostanza costituita da un composto solido omogeneo di atomi che occupano nel reticolo posizioni statisticamente arbitrarie
è di sostituzione quando atomi di soluto sostituiscono atomi di solvente nel reticolo cristallino del solvente
è interstiziale quando atomi di soluto occupano le posizioni libere fra gli interstizi degli atomi del solvente
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 20
39
Altre tipologie di metalli
Fase intermedia
struttura cristallina diversa da quella degli elementi che compongono la lega
I materiali
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 21
41
I materiali
La struttura metallica
Il reticolo cristallino
I metalli: tipologie
I metalli: i trattamenti termici
I materiali polimerici
42
I trattamenti termici
Si possono modificare le proprietà meccaniche dei metalli con cicli termici
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 22
43
I trattamenti termici
Si possono modificare le proprietà meccaniche dei metalli con cicli termici
Operazioni mediante le quali un metallo o una lega metallica viene sottoposto a cicli termici senza arrivare alla sua fusione
44
I trattamenti termici
Ricottura
Tempra
Rinvenimento
Bonifica
Cementazione, nitrurazione
Normalizzazione
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 23
45
I trattamenti termici
Tempo
° C
46
I trattamenti termici
Tempo
° C
A1
Temperatura di inizio formazione
austenite
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 24
47
I trattamenti termici
Tempo
° CA3
A1
Temperatura di fine trasformazione in
austenite
48
La ricottura
Un riscaldamento a temperatura elevata seguito da un raffreddamento lento in aria o in forno per rendere più omogeneo e lavorabile il materiale
Diminuisce la resistenza ma aumenta la lavorabilità
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 25
49
Tempo
° C
La ricottura
A3
A1
50
Tempo
° CA3
A1
La ricottura
Raffreddamento lento in forno
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 26
51
Tempo
° CA3
A1
La ricottura
Raffreddamento veloce fino a temperatura
ambiente
52
La tempra
Un riscaldamento a temperatura elevata (800-900°C) è seguito da raffreddamento rapido in acqua od olio
L'acciaio assume elevate caratteristiche di durezza e di resistenza meccanica, ma accompagnate da fragilità a causa della struttura martensitica
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 27
53
Tempo
° CA3
A1
La tempra
54
Tempo
° CA3
A1
La tempra
Raffreddamento veloce per ottenere
martensite
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 28
55
Il rinvenimento
Riscaldamento intorno a 500-600 °C sotto la temperatura di inizio formazione di austenite
Raffreddamento controllato per aggiungere agli effetti della tempra una buona tenacità, riducendo la durezza e la fragilità
56
Tempo
° CA3
A1
Il rinvenimento
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 29
57
Tempo
° CA3
A1
La bonifica
TEMPRA RINVENIMENTO
58
La normalizzazione
Ad un riscaldamento a temperature di tempra è seguito un raffreddamento in aria per attenuare la durezza eccessiva conseguente al primo trattamento
Rende omogenea la struttura dell’acciaio eliminando le tensioni interne
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 30
59
Tempo
° CA3
A1
La normalizzazione
60
Trattamenti superficiali
Cambiano solo le proprietà della superficie del pezzo
I principali trattamenti sono:per rimozione dello strato superficiale (meccanica, mediante solventi)per conversione della superficie (ossidazione, anodizzazione, fosfatazione, cromatura)termici (cementazione, nitrurazione)per deposizione (elettrochimica, meccanica)
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 31
61
Conversione della superficie
Questi trattamenti hanno lo scopo di aumentare la resistenza alla corrosione
Ossidazione con mezzi chimici o mediante riscaldamento ad elevata temperatura della superficie del pezzo (acciaio)
62
Conversione della superficie
Questi trattamenti hanno lo scopo di aumentare la resistenza alla corrosione
Ossidazione con mezzi chimici o mediante riscaldamento ad elevata temperatura della superficie del pezzo (acciaio)
Anodizzazione dell’alluminioossidazione controllata della superficie dell’alluminio per immersione in soluzione acquosacollegamento di un generatore di tensione all’anodo
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 32
63
Trattamenti termici superficiali
Comprendono:trattamenti di tempra superficialetrattamenti di diffusione di un elemento nello strato superficiale
64
Trattamenti termici superficiali
Comprendono:trattamenti di tempra superficialetrattamenti di diffusione di un elemento nello strato superficiale
I trattamenti di diffusione sono:aggiunta di carbonio all’acciaio allo stato austenitico (carbocementazione)aggiunta di azoto a 500 °C (nitrurazione) per formare dei nitrati con gli elementi leganti presenti nell’acciaio
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 33
I materiali
66
I materiali
La struttura metallica
Il reticolo cristallino
I metalli: tipologie
I metalli: i trattamenti termici
I materiali polimerici
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 34
67
Caratteristiche principali
Elevato rapporto resistenza/massa
Basso costo
Bassa conducibilità elettrica
Alta resistenza agli agenti chimici
Elevato coefficiente di dilatazione termica
Elevata versatilità d’impiego
Facilità di lavorazione
68
I polimeri
Termoplastici
ottenuti per processo di caloresi possono modellare più volte
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 35
69
I polimeri
Termoplastici
Termoindurenti
modellazione per reticolazioneil materiale base è allo stato liquidonon si può rimodellare il materiale
70
I polimeri
Termoplastici
Termoindurenti
Elastomeri
comportamento elastico dei modellisiliconi, gomme
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 36
71
La vulcanizzazione
Lo zolfo crea un legame di saldatura forte fra le macromolecole della gomma naturale
72
Il processo di solidificazione
Volu
me
spec
ifico
Tg Tm
T °C
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 37
73
Il processo di solidificazioneVo
lum
e sp
ecifi
co
Tg Tm
T °C
Temperatura di transizione vetrosa
74
Il processo di solidificazione
Volu
me
spec
ifico
Tg Tm
T °C
Temperatura di fusione
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 38
75
Il processo di solidificazioneVo
lum
e sp
ecifi
co
Tg Tm
T °C
Solido vetroso
76
Il processo di solidificazione
Volu
me
spec
ifico
Tg Tm
T °C
Liquido visco-
elastico
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 39
77
Il processo di solidificazioneVo
lum
e sp
ecifi
co
Tg Tm
Liquido viscoso
T °C
78
Il processo di solidificazione
Volu
me
spec
ifico
Tg Tm
T °C
Termoplasticicristallini
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 40
79
Il processo di solidificazioneVo
lum
e sp
ecifi
co
Tg Tm
T °C
Termoplasticiamorfi
80
Requisiti per un materiale polimerico
Un polimero termoplastico amorfo
Tg < T esercizio
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 41
81
Requisiti per un materiale polimerico
Un polimero termoplastico amorfo
Tg < T esercizio
Un polimero termoindurente
T esercizio < Tg rigidezzaT esercizio > Tg deformabilità
82
Caratteristiche fisico – chimiche
Bassa densità (< 1 Kg/dm3)
Resistenza a trazione su valori (RM < 70 MPa)
Resistenza all’urto (21 ÷ 750 J/m)
Capacità di isolamento elettrico (15÷70 V/m)
Bassa T massima (50÷150 °C) eccetto il teflon (290°C)
Sistemi di Produzione II I materiali
© 2006 Politecnico di Torino 42
83
Sommario della lezione
La struttura metallica
Il reticolo cristallino
I metalli: tipologie
I metalli: i trattamenti termici
I materiali polimerici
Domande di riepilogo
Recommended