Proprietà dei Materiali - diceam.unirc.it · 2° METODO Uso di Grafici e Tabelle delle Proprietà dei Materiali Es.: selezionare un materiale con E > 100 GPa Divisione in classi

LE PROPRIETÀ DEI MATERIALI

Ingegneria Industriale

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?

1° METODO

RICERCA DELLE PROPRIETA’ DEI MATERIALI IN LIBRI – SOFTWARES – INTERNET

leghe di alluminio

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


Yo

un

g's

mo

du

lus (

GP

a)

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000



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.


E ≈ 160 - 185 GPa

2° METODO


Pri

ce

(E

UR

/k

g)

0.1

1

10

100

1000

10000





Gold

Aluminum nitride

Low carbon steel

Concrete

Brick


Yo

un

g's

mo

du

lus (

GP

a)

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000



Tungsten alloys

Lead alloys



Tungsten carbides

Concrete

POSSIBILI CANDIDATI:

Calcestruzzo


E ≈ 15 - 20 GPa

Acciaio da costr.


E ≈ 160 - 185 GPa

2° METODO


Pri

ce

(E

UR

/k

g)

0.1

1

10

100

1000

10000





Gold

Aluminum nitride

Low carbon steel

Concrete

Brick


Yo

un

g's

mo

du

lus (

GP

a)

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000



Tungsten alloys

Lead alloys



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

scala

log-log


➢ 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

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


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


Tg sotto la Tamble celle

collassano GPa 1103

5,010

0

min

r

SE


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


log E = log r + 2 log n


la velocità del suono nei solidi varia tra

5x101 m/s (elastomeri)

1x104 m/s (ceramici)

ESEMPIO: cerco un materiale leggero e rigido

ESEMPIO:

a quanta r posso rinunciare per avere E maggiore?

cerco un materiale leggero e rigido

GRAFICO RESISTENZA MECCANICA - DENSITÀ

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


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.


grande

variabilità

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


cE

f

Deformazione

Limite

Elasto/Plastica


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)


RIGIDEZZA SPECIFICA – RESISTENZA SPECIFICA

RIGIDEZZA SPECIFICA – RESISTENZA SPECIFICA

E/r – /r E -

GRAFICO TENACITÀ – MODULO

fragili

duttili

GRAFICO TENACITÀ – MODULO

fragili

duttili

K1c /E

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

CONDUCIBILITÀ TERMICA - RESISTIVITÀ

Gli elettronicontribuiscono allaconduzionetermica

La conduzione termica avviene per vibrazione del reticolo

CONDUCIBILITÀ E DIFFUSIVITÀ TERMICHE

𝜆

𝛼= 𝜌𝐶𝑝 = 𝐶𝑣

ESEMPIO - DEVO TROVARE UN MATERIALE CHE RISPETTI QUESTE DUE CONDIZIONI:

E > 10 GPa

r > 3 Mg/m3

grafico: Modulo elastico-densità

MODULO DI YOUNG-DENSITÀ

HO TROVATO UN INSIEME DI MATERIALI CHE RISPONDONO AI REQUISITI MINIMI

MA…..

HO BISOGNO DI ALTRI CRITERI PER STABILIRE UN ORDINE DI PRIORITÀ TRA I MATERIALI SELEZIONATI

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