Tecnologia Meccanica - Vol.1 - Scuolabook

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Idee per il tuo futuro

Gianfranco Cunsolo

Tecnologia meccanica Dalla materia prima alla tecnologia di processo

TECNOLOGIA

Gianfranco Cunsolo


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Gianfranco Cunsolo


TECNOLOGIA

Indice

1 I materiali 1 2 3 4 5 6 7 8

Considerazioni economiche Considerazioni tecniche Scelta dei materiali Proprietà fisiche dei materiali Proprietà tecnologiche Proprietà meccaniche Proprietà chimiche Struttura interna dei metalli e delle leghe metalliche

QUESITI-ESERCIZI

2 2 7 8 10 13 15 16 22

2 Microstruttura dei materiali e loro proprietà 1 2 3 4

Proprietà dei metalli Formazione del reticolo cristallino e dei cristalli o grani metallici (la cristallizzazione) Imperfezioni nei grani metallici Fattori che influenzano le caratteristiche dei materiali metallici

QUESITI

24 26 30 36 38

3 Il materiale metallico 1 2 3 4 5

I grani metallici Legame metallico e reticolo cristallino Le leghe metalliche Le leghe a cristalli misti Le leghe a miscuglio di cristalli

QUESITI

39 39 43 46 49 51

4 Processi di produzione della ghisa e dell’acciaio 1 2 3 4 5 6

Produzione della ghisa greggia Produzione della ghisa (di seconda fusione) per le fonderie Produzione dell’acciaio con il processo a ciclo integrale (dall’altoforno via convertitore) Produzione dell’acciaio da fusione del rottame ferroso tramite forno elettrico Post-trattamenti dell’acciaio Colata dell’acciaio

QUESITI-ESERCIZI

52 61 61 63 64 66 70

IV Gianfranco Cunsolo TECNOLOGIA MECCANICA - Vol.1 © Zanichelli 2012 Dalla materia prima alla tecnologia di processo

5 Gli acciai 1 2 3

Acciai al carbonio e acciai legati Designazione unificata degli acciai Indicazioni sulla scelta degli acciai

QUESITI

71 77 80 85

6 Le ghise 1 2

Proprietà delle ghise Tipi di ghise

QUESITI

86 91 94

7 I metalli non ferrosi 1 2 3

I metalli pesanti I metalli leggeri Riciclo dei metalli non ferrosi

QUESITI

95 108 118 119

8 Le materie plastiche 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Caratteristiche e impieghi 120 Molecole artificiali 122 Origine delle macromolecole 122 Configurazione delle macromolecole 125 Influenza della struttura e della configurazione (reticolo lineare o ramificato) 126 Lavorazione delle materie plastiche 128 Gli elastomeri 133 Resine termoplastiche 134 Resine termoindurenti 136 Riciclo delle materie plastiche 137

QUESITI

138

9 I materiali ceramici 1 2 3 4 5

Le ceramiche Impieghi Fabbricazione dei materiali ceramici Struttura cristallina e legami chimici Proprietà chimico-fisiche, strutturali e meccaniche dei materiali ceramici

QUESITI

139 140 142 148 149 154

10 Il vetro 1 2 3 4 5

Caratteristiche Produzione del vetro Proprietà del vetro comune Tipologie di vetro Riciclo del vetro

QUESITI

155 157 159 159 161 163

V Gianfranco Cunsolo TECNOLOGIA MECCANICA - Vol.1 © Zanichelli 2012 Dalla materia prima alla tecnologia di processo

11 I materiali compositi 1 2 3 4 5 6 7 8

Evoluzione dei compositi ed esempi di applicazioni odierne La struttura Diversità rispetto ai metalli e alle loro leghe Impieghi Proprietà Processi di fabbricazione Compositi con elementi particellati Ambiente e riciclo

QUESITI

165 166 169 170 172 175 180 183 184

12 Metallurgia delle polveri 1 2 3

Ciclo di produzione Proprietà dei sinterizzati Impieghi

QUESITI

186 190 195 196

13 Processi di solidificazione 1 2 3 4 5 6 7 8

Processi di fusione: solidificazione Svantaggi del processo di solidificazione Formatura Formatura con terra e modello permanente Procedimenti con modello transitorio Processo Croning (o di microfusione) Procedimenti in forma permanente Difetti di fonderia

QUESITI-ESERCIZI

197 201 203 207 213 217 220 224 228

14 Lavorazioni per deformazione plastica 1 2 3 4 5 6

Comportamento del materiale sotto carico Deformazioni a caldo e a freddo CAE, CAD e ottimizzazione del processo di produzione per deformazione Classificazione Deformazione elastica (reversibile) e deformazione plastica (irreversibile) Laminazione

QUESITI-ESERCIZI

229 231 232 233 233 234 243

15 Forgiatura e stampaggio 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Forgiatura Stampaggio Stampaggio a freddo Stampaggio a caldo Gli stampi Fondamenti della forgiatura Fondamenti dello stampaggio Piano di divisione e canale di bava Ausilio CAE per la scelta dei parametri e lavorazione sui centri di lavoro a CNC

244 245 246 247 249 250 254 256 257

VI Gianfranco Cunsolo TECNOLOGIA MECCANICA - Vol.1 © Zanichelli 2012 Dalla materia prima alla tecnologia di processo

10 Macchine per la forgiatura e lo stampaggio 11 Applicazioni QUESITI

261 265 265

16 Trafilatura ed estrusione 1 2 3 4 5

Parametri di trafilatura Prodotti Difetti di trafilatura Estrusione Riciclo

QUESITI-ESERCIZI

266 269 269 269 276 277

17 Imbutitura 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Il processo Determinazione del diametro iniziale D0 del disco Prevenzione dei difetti Rapporto di imbutitura Lamiera di partenza e forza di imbutitura per pezzi cilindrici Lubrificazione e velocità di imbutitura Materiali per imbutitura Imbutitura idromeccanica Hydroform (imbutitura a matrice idraulica) Imbutitura al tornio

QUESITI-ESERCIZI

278 280 281 282 284 285 286 286 288 289 290

18 Piegatura 1 2 3 4

Comportamento del materiale alla flessione Raggio di piegatura Forza di piegatura Operazioni di piegatura

QUESITI

292 293 297 298 302

19 Tranciatura e punzonatura 1 2 3 4

Forza di taglio Gioco tra punzone e matrice Tranciatura fine Tranciatura continua

QUESITI-ESERCIZI

303 305 306 308 309

20 Lavorazioni per asportazione di truciolo 1 2 3 4 5 6

Le lavorazioni Processo di deformazione plastica Scelte fondamentali Macchine utensili: il tornio Componenti del tornio Le principali lavorazioni al tornio

QUESITI

311 313 314 333 339 347 354

VII Gianfranco Cunsolo TECNOLOGIA MECCANICA - Vol.1 © Zanichelli 2012 Dalla materia prima alla tecnologia di processo

Appendice 1: Prove di laboratorio Prova 1 Prova 2 Prova 3 Prova 4 Prova 5 Prova 6 Prova 7 Prova 8

Trazione su una provetta unificata Confronto della resistenza di un acciaio prima e dopo l’incrudimento Piegamento di materiali diversi Durezza Brinell Comportamento di materiali diversi sottoposti a ripetuti piegamenti Durezza Vickers Durezza Knoop Durezza Rockwell HRB (Hardness Rockwell Ball) e HRC (Hardness Rockwell Conic) Prova 9 Resilienza

355 363 363 364 367 368 370 371 372

Appendice 2: Unità e sistemi di misura 1 2 3

Sistema internazionale di unità di misura Classificazione delle leghe ferrose Designazione degli acciai secondo la normativa europea EN 10027

Indice analitico

377 383 383

389

VIII Gianfranco Cunsolo TECNOLOGIA MECCANICA - Vol.1 © Zanichelli 2012 Dalla materia prima alla tecnologia di processo

1

I materiali Obiettivi Conoscere i diversi materiali, i processi di lavorazione, i criteri tecnici ed economici.

Abilità Saper scegliere il materiale più adatto rispetto all’impiego che se ne vuole fare. Ai fini della scelta dei materiali da impiegare per la fabbricazione dei componenti delle macchine è necessaria non solo la conoscenza tecnicaeconomica delle loro proprietà e dei relativi costi, ma anche la conoscenza più generale dei processi produttivi, dei trattamenti termici da eseguire sui materiali per variarne le proprietà, delle condizioni ambientali, alle quali i materiali saranno sottoposti, e di un ragionevole termine di vita dei componenti (FIGURA 1). La riciclabilità e una produzione meno energivora (a più basso consumo di energia) assumono sempre più importanza nell’ambito di un’economia sostenibile e di una produzione compatibile con le risorse residue del pianeta e con il crescente fabbisogno, specie nelle nazioni di più recente industrializzazione. La scelta del materiale è quindi un problema che presuppone molteplici considerazioni sia tecniche che economiche.

FIGURA 1. Ducati 848 Evo. Il motore utilizza una testata in lega ultraleggera al magnesio. 1. Imbiellaggio: albero motore in acciaio da nitrurazione; biella in acciaio da bonifica; pistone in lega di alluminio, componente stampato. 2. Bilancieri: acciaio da cementazione, con processo di superfinitura. 3. Valvole: acciaio ad alta resistenza a caldo.

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2

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I materiali

Gianfranco Cunsolo TECNOLOGIA MECCANICA - Vol.1 © Zanichelli 2012 Dalla materia prima alla tecnologia di processo

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1

Considerazioni economiche

Il costo del materiale ottimale non è automaticamente il più basso. Il costo del processo di fabbricazione del componente deve essere il più basso possibile. Per esempio, il costo in peso dei getti in acciaio rispetto a quello dei getti in ghisa è circa il doppio, mentre quello dei getti in ottone, bronzo e leghe leggere, come quelle dell’alluminio, è circa il quadruplo. I getti in leghe leggere divengono invece economicamente competitivi se si considera che questi si ottengono con spessori inferiori e che quindi il loro costo in volume si riduce soprattutto rispetto ai getti in ghisa, meno rifiniti. Il costo di fabbricazione con le macchine utensili per asportazione di truciolo è minore, e decisamente migliore è la lavorabilità del materiale. In questo caso, per la lavorazione dell’alluminio occorre meno tempo rispetto a quello che occorre per l’acciaio, per il bronzo e per l’ottone, essendo l’alluminio più velocemente lavorabile. Il costo di fabbricazione per stampaggio diventa conveniente solo per la produzione in grandi serie, perché il costo degli stampi viene ammortizzato sul grande numero di pezzi fabbricati. OSSERVAZIONE

2

Considerazioni tecniche

Le proprietà meccaniche, fisiche e chimiche devono garantire il funzionamento del componente per tutta la durata di vita programmata e la sua rottura non deve essere catastrofica. Questo fattore deve essere tenuto in particolare considerazione, naturalmente, specie in caso di componenti di veicoli, ascensori, funivie, eccetera. È indispensabile conoscere la capacità di resistenza meccanica del materiale alle forze e ai momenti ai quali verrà sottoposto, agli agenti chimici, come la resistenza alla corrosione, e alle condizioni fisiche, quali il calore, le basse temperature, l’attrito. I materiali metallici sono caratterizzati dalla loro proprietà di riflessione della luce (lucentezza metallica), dalla loro buona deformabilità (malleabili) e dal fatto che sono buoni conduttori (elettrici e termici). I non metalli possono avere alcune delle proprietà dei metalli, ma non tutte. I materiali compositi sono ottenuti dall’unione di due o più materiali di differenti proprietà. 2

1

I materiali


I materiali metallici si distinguono in: ferrosi e non ferrosi. I materiali metallici ferrosi sono gli acciai e le ghise.

2.1

Metalli ferrosi

Acciai Sono materiali metallici ferrosi contenenti in genere quantità molto piccole di carbonio, inferiori allo 0,5% (in teoria la quantità di carbonio può arrivare fino al 2,06%). Hanno una grande resistenza meccanica e per questo motivo sono impiegati nella fabbricazione di componenti soggetti a varie forze statiche e dinamiche, come alberi, ruote dentate, bielle, utensili, bulloni, pezzi fucinati (FIGURA 2a).

LEGA Se allo stato liquido due o più metalli formano una soluzione, allo stato solido formano una lega metallica. Si possono formare leghe anche tra metalli e non metalli: per esempio, l’acciaio e la ghisa. Il materiale risultante ha proprietà metalliche differenti da quelle dei relativi componenti.

Ghise Sono anch’esse leghe del ferro con il carbonio, presente in maggiore quantità, mediamente tra il 3 e il 4%. Nonostante la loro scarsa resistenza meccanica, sono impiegate nella fabbricazione di pezzi di difficile forma per la loro ottima fusibilità (FIGURA 2b), per i bancali delle macchine utensili o per pezzi soggetti a usura come le ruote dei vagoni ferroviari.

Tavola riassuntiva dei materiali

metalli

metalli ferrosi

non metalli

materiali compositi

metalli non ferrosi

acciai

ghise

metalli pesanti

metalli leggeri

materiali naturali

materiali artificiali

acciai da costruzione acciai da utensili acciai da bonifica

ghisa grigia ghisa malleabile ghisa sferoidale

rame zinco piombo

alluminio magnesio titanio

marmo legno

plastiche vetro ceramica

resine rinforzate metalli duri

TABELLA 1. Tavola riassuntiva dei materiali.

1

I materiali


3

FIGURA 2b. Esempio di prodotto pressofuso.

FIGURA 2a. Albero motore e biella Ferrari.

2.2

Materiali metallici non ferrosi

Metalli pesanti Hanno una densitàl > 5 gr/cm3. Sono il rame, lo zinco, il cromo, il nichel e il piombo. Vengono spesso legati con gli acciai per formare acciai speciali o il bronzo, una lega di rame e stagno, o vengono adoperati come metalli puri per le loro particolari caratteristiche. Per esempio, il rame viene usato nell’industria elettrica (FIGURA 3); lo zinco, il cromo e il nichel sono utilizzati, per la loro resistenza alla corrosione, come rivestimento degli acciai.

Metalli leggeri I principali sono: l’alluminio, il titanio e il magnesio. L’ alluminio ha una densità l < 2,7 gr/cm3. Il titanio ha una densità maggiore (l = 4,5 gr/cm3), ma anche una maggiore resistenza meccanica. Se legato con l’alluminio, la sua resistenza aumenta ancora. Più leggero dell’alluminio è il magnesio:l= 1,74 gr/cm3. Per questa sua caratteristica leggerezza le sue leghe prendono il nome di leghe ultraleggere. Questi metalli e le loro leghe sono spesso utilizzati nei settori più vari, dall’aeronautica ai serramenti degli infissi in edilizia (FIGURA 4).

2.3

Materiali non metallici: naturali e artificiali

Tra i materiali naturali utilizzati si annoverano i piani di granito (FIGURA 5) per misurazioni, e tra i materiali artificiali la plastica, i ceramici e il vetro. Quest’ultimi sono utilizzati soprattutto per la loro indeformabilità, il loro 4

1

I materiali


isolamento elettrico, la loro resistenza alla corrosione. Le ceramiche per utensili sono resistenti all’usura anche a temperature sopra i 1200 °C, che vengono raggiunte nelle lavorazioni di taglio ad altissima velocità.

2.4

Materiali compositi

I materiali compositi, dai primi mattoni, costituiti da paglia e fango, all’odierno cemento armato (calcestruzzo e tondini di ferro), sono sempre stati usati nei campi più diversi. Le applicazioni spaziano oggi dal settore edilizio a quello aereonautico, data la loro caratteristica di unire un’elevata resistenza con la leggerezza. Con il nome di metalli duri i materiali compositi sono impiegati negli utensili di taglio delle macchine per l’asportazione di truciolo perché mantengono un’elevata durezza anche a elevate temperature fino a 900 °C (FIGURA 6).

FIGURA 3. In alto, matasse di rame; qui a destra un serpentino in rame (boiler per riscaldamento).

1

I materiali


5

FIGURA 4. Cerchio in lega leggera per auto.

FIGURA 5. Piano in granito.

Punta nominale.

3.

3°

2.

rз1 rз 2 ae bf

rз1 = 0,4

21

bs

FIGURA 6. Inserti per lavorazioni di tornitura.

6

1

I materiali


1. 22

3

Scelta dei materiali

Ogni macchina è costituita da diversi componenti, che devono soddisfare le più diverse prestazioni. La scelta dei materiali deve essere conseguentemente la più appropriata per soddisfare tali esigenze (FIGURA 1). Gli ingranaggi, per esempio, devono resistere alle sollecitazioni durante la lavorazione di taglio. I materiali di una macchina utensile (FIGURA 7) che rispondono a queste esigenze, con un’elevata resistenza meccanica, sono gli acciai bonificati. L’utensile deve avere un’elevata durezza, anche ad alte temperature: i materiali adatti sono l’acciaio rapido, il super-rapido, i metalli duri e i ceramici. Le cinghie di trasmissione devono resistere a forti trazioni ed essere flessibili: rispondono a questi requisiti i materiali compositi sintetici rinforzati con fibre di acciaio. Il tavolo e il basamento sono di forma complessa e devono smorzare le vibrazioni: la ghisa soddisfa queste due esigenze.

FIGURA 7. Fresatrice a CN.

1

I materiali


7

4

Proprietà fisiche dei materiali

Le proprietà fisiche sono proprie della natura del materiale, indipendentemente dalla forma e dalle sollecitazioni esterne. Ogni materiale ha un proprio indice di grandezza fisica.

Massa volumetrica (densità) 3 La densitàl= m/V [Kg/m ] (TABELLA 2) di un materiale è il rapporto tra la massa m e il volume V di un corpo.

Temperatura di fusione (punto di fusione) Il punto di fusione di un metallo (quando inizia a fondere) può essere espresso in °C o in gradi K (TABELLA 3). Rispetto ai metalli, le leghe, come gli acciai e i bronzi, essendo costituite da più di un elemento non hanno un unico punto di fusione, ma un intervallo all’interno del quale la temperatura varia da inizio a fine fusione.

OSSERVAZIONE

Massa vol.

Massa vol.

Materiale metallico

Massa vol.

acciaio comune

7,75

nichel

8,63

alluminio

2,69

niobio

8,60

alluminio (leghe)

2,70

oro

19,30

antimonio

6,70

ottone

8,40

argento

10,49

piombo

11,50

berillio

1,84

platino

21,42

bronzo

8,50

rodio

12,41

cadmio

8,64

rame

8,80

cobalto

8,90

rutenio

12,45

cromo

7,10

silicio

2,42

cuproalluminio

7,70

stagno

7,30

ferro

7,87

tantalio

16,60

ghisa

7,20

tellurio

6,25

magnesio

1,77

titanio

4,50

manganese

7,44

wolframio (o tungsteno)

19,40

molibdeno

10,66

zinco

7,12

TABELLA 2. Valore della massa volumetrica alla temperatura di 20 °C espressa in kg/dm3.

8

1

I materiali


Materiale metallico

temperatura di fusione °C

Materiale metallico

temperatura di fusione °C

1400

ottone

900 ÷ 1000

alluminio

659

oro

1063

argento

960

piombo

327

bronzo

900 ÷ 960

platino

1769

cadmio

321

rame

1083

cobalto

1495

silicio

1412

cromo

1800

selenio

220

ferro

1536

stagno

232

ghisa bianca

1100

titanio

1800

ghisa grigia

1200

uranio

1131

magnesio

650

vanadio

1860

manganese

1224

tungsteno

3370

mercurio

− 39

zinco

419

molibdeno

2625

zirconio

1850

nichel

1453

M

K

M

acciaio

VIBRAZIONI RETICOLARI Gli ioni occupano posizioni regolari nello spazio e compongono la struttura cristallina dei metalli. Questi non sono immobili nelle loro posizioni di equilibrio, ma vibrano armonicamente intorno a esse. I loro moti non sono indipendenti l’uno dall’altro, ma agiscono all’unisono.

K

TABELLA 3. Temperatura di fusione in °C di materiali metallici.

Conduttività elettrica (conducibilità elettrica)

I metalli sono buoni conduttori grazie agli elettroni liberi, i quali non sono vincolati ai loro ioni di origine e formano un flusso di corrente tra gli estremi di due poli ai capi del quale è applicata una differenza di potenziale. La conduttività nei metalli varia però in funzione della temperatura: un aumento di temperatura porta a una diminuzione della conducibilità elettrica perché i portatori di carica (gli elettroni) diminuiscono la propria mobilità (e quindi la conducibilità) a causa dell’aumento delle vibrazioni reticolari all’interno del materiale (per via dell’aumento della temperatura). Quello che ha la più alta conducibilità è l’argento, seguito dal rame e dall’alluminio.

M

Indica la capacità di lasciare passare la corrente elettrica. È l’inverso della resistività elettrica.

La resistività specificalche è la resistenza R in ohm (1) che si oppone al passaggio di corrente in un conduttore lungo 1 m e di sezione 1 m2:l= R S/L = 1 m2/m = 1/m o con un sottomultiplo 1 mm2/m (TABELLA 4). I materiali plastici, i ceramici e il vetro sono isolanti, avendo un’alta resistività elettrica.

1

M

a

K

OSSERVAZIONE

RESISTIVITÀ SPECIFICA La resistività elettrica, anche detta resistenza elettrica specifica, è l’attitudine di un materiale a opporre resistenza al passaggio delle cariche elettriche.

I materiali


9

Materiale metallico acciai

1 · mm2/m 0,10 ÷ 0,25

Materiale metallico

1 · mm2/m

manganina

0,5

alluminio (ricotto)

0,028

metallo Monel

0,42

anticorodal

0,039

molibdeno

0,056

argentana

0,038

nichel

0,072

argento

0,015

oro

0,023

berillio

0,05

ottone

0,07

bronzo fosforoso

0,08

piombo

0,21

cadmio

0,063

platino

0,105

carbone amorfo

0,42

rame

0,0173

cobalto

0,063

silicio

150

costantana

0,50

stagno

0,114

cromo

0,13

tantalio

0,15

ferro

0,098

titanio

0,50

1,2

wolframio (o tungsteno)

0,055

12

ghisa grigia grafite

uranio

0,34

magnesio

0,045

vanadio

0,247

manganese

1,85

zinco

0,06

mercurio

0,96

zirconio

0,43

TABELLA 4. Resistività elettrica dei materiali metallici a 20 °C.

Conduttività termica I metalli, per le stesse ragioni viste per la conduttività termica, conducono bene anche il calore, ossia l’energia termica. Per convincersene, è sufficiente riscaldare un estremo di un filo di ferro e toccare l’altro estremo. Al contrario, i materiali plastici, il vetro e l’aria costituiscono una barriera alla trasmissione del calore.

Allungamento termico (dilatazione lineare) L’allungamento o il ritiro dovuto al riscaldamento o al raffreddamento è caratteristico di ogni metallo e proporzionale alla lunghezza del corpo e alla variazione di temperatura: 6l = l1 _ 6t, dove _ è il coefficiente di dilatazione del materiale (TABELLA 5).

5

Proprietà tecnologiche

Le proprietà tecnologiche caratterizzano il comportamento del materiale durante le sue diverse lavorazioni. La malleabilità, la fusibilità, la saldabilità e la truciolabilità definiscono la capacità del materiale di lasciarsi 10

1

I materiali


Materiale metallico

Dilatazione termica (m/m °C = 1/°C)

acciaio

12

acciaio inossidabile

9

alluminio

24

Conducibilità termica (W/m · °C)

Capacità termica massica Ct (J/kg °C)

C (cal/kg °C)

57

480

114

218

940

224

209

50

230

56

bario

280

68

berillio

1980

475

370

90

cadmio

230

55

cobalto

430

103

510

122

450

108

1022

240

manganese

470

114

molibdeno

260

62

antimonio argento

19

bronzo

419

18

cromo

63

ferro ferro elettrolitico

88

ferro (20 ÷ 768 °C)

13,5

ferro (768 ÷ 910 °C)

11

ferro (910 ÷ 1401 °C)

12

ghisa grigia

10

ghisa sferoidale lega invar

12,5 15

magnesio

155

nichel

13

59

440

106

oro

14

310

120

31

ottone

19

92

370

90

piombo

29

38

120

31

platino

9

71

130

32

rame

16

372

380

91

stagno

23

62

230

56

titanio

570

136

vanadio

500

120

wolframio

140

34

380

92

zinco

26

110

TABELLA 5. Valori del coefficente di dilatazione termica lineare moltiplicato per 106 a tempe-

ratura 20 ÷ 100 °C, del coefficente di conducibilità termica di materiali metallici a 20 °C, del coefficente di capacità termica massica e calore specifico di materiali metallici a 20 °C.

1

I materiali


11

lavorare, rispettivamente, per deformazione plastica, per fusione, per unire insieme due pezzi e per asportazione di truciolo con macchine utensili.

5.1

Malleabilità (plasticità)

La capacità di lasciarsi deformare differisce molto da materiale a materiale e se effettuata a caldo o a freddo. Per esempio, a freddo il piombo si può deformare facilmente, mentre l’acciaio deve prima essere sufficientemente riscaldato. Lo stesso acciaio, se incrudito da precedenti lavorazioni meccaniche o se indurito in seguito a trattamenti termici, perde la sua plasticità o malleabilità e può manifestare screpolature o arrivare alla rottura. Il rame, l’alluminio, l’ottone e l’acciaio possono essere deformati plasticamente dopo riscaldamento per stampaggio, laminazione, pressatura. Il rame, il piombo, lo zinco, lo stagno e l’acciaio possono essere deformati senza riscaldamento, ossia a temperatura ambiente (a freddo) con la laminazione, l’estrusione, la trafilatura, l’imbutitura, eccetera. Gli acciai temprati per lame da taglio o molle si lasciano deformare elasticamente: ciò significa che la lama si può piegare e che poi al cessare della forza di piegamento ritorna alla sua forma originaria. Si parla in questo caso di elasticità del materiale.

OSSERVAZIONE

In particolare, la capacità di lasciarsi trasformare in fili o sottili lamine si definisce duttilità. I fili di rame o di ferro ne sono un esempio.

5.2 GETTO SANO Un prodotto che, ottenuto dal processo di solidificazione (dopo essere stato fuso), non presenta difetti interni ed esterni.

Fusibilità (colabilità)

Un materiale che può essere colato in forme e che può riempirle completamente, senza difetti e inclusioni gassose, è un materiale adatto per dar luogo a getti sani. I metalli con buona fusibilità devono quindi avere, allo stato liquido, una buona fluidità e reagire poco con l’aria. Le ghise e il bronzo hanno un’ottima fusibilità. Facilmente colabili sono pure lo zinco e il piombo.

OSSERVAZIONE

Le leghe leggere da fonderia richiedono invece maggiore cura per evitare la formazione di gas e di ossidi durante la fusione e la colata nella forma. Sono poco colabili l’acciaio dolce e il rame. L’acciaio è meno fusibile per un maggior ritiro durante il raffreddamento.

5.3

Saldabilità

Sia i materiali metallici che le plastiche possono unirsi in un sol pezzo per fusione o pressione.

12

1

I materiali


I materiali metallici saldabili hanno anche una buona capacità di deformarsi plasticamente, come per esempio gli acciai dolci (con una bassa percentuale di carbonio). I materiali rigidi, ritirandosi durante la solidificazione del bagno di saldatura, causerebbero tensioni nella struttura cristallina e pericolose microfessure a causa della variazione di temperatura tra la zona calda dove avviene la saldatura e la zona del pezzo ancora fredda.

BAGNO DI SALDATURA Zona fusa tra i lembi dei due pezzi da saldare.

Alcuni materiali malleabili come l’alluminio hanno però un’elevata conduttività termica. Ciò comporta una rapida diffusione del calore e la difficoltà che la fusione delle parti da unire rimanga localizzata.

OSSERVAZIONE

5.4

Truciolabilità

La facilità di un materiale a lasciarsi tagliare da un utensile è il requisito principale per operazioni di tornitura, fresatura e trapanatura. Una buona truciolabilità richiede: m la formazione di trucioli corti. Trucioli lunghi formerebbero un groviglio attorno all’utensile; m la generazione di una superficie liscia; m una buona conducibilità termica per disperdere il calore della zona di taglio ed evitare alterazioni sulla superficie del pezzo. In genere gli acciai più duri, le leghe di titanio, il rame, la ghisa bianca e i materiali compositi sono più difficilmente lavorabili.

OSSERVAZIONE

6

Proprietà meccaniche

6.1

Resistenza meccanica

La capacità di un materiale di opporre resistenza alle azioni di differenti forze esterne definisce le sue proprietà meccaniche. Se la direzione lungo la quale agiscono due forze esterne sul pezzo è opposta o convergente, allora si hanno sollecitazioni di trazione o di compressione (FIGURA 8). Altre sollecitazioni di flessione, taglio, torsione e carico di punta sono visibili in FIGURA 8.

1

I materiali


13

PROVINO UNIFICATO Il provino (o provetta) unificato (normalizzato) per la prova di trazione può avere forma a sezione circolare, quadrata o rettangolare. Secondo la normativa nazionale italiana (UNI) L0 = 5,65 . s0 , dove L0 è la lunghezza iniziale tra i riferimenti (le lineette segnate sulla provetta) e S0 l’area della sezione prima della prova.

Ogni materiale metallico ha una sua resistenza, che dipende dalla capacità delle sue forze interne (di coesione) di contrastare l’azione deformante delle forze esterne. Per resistenza di un materiale metallico s’intende la capacità del materiale stesso di sopportare sollecitazioni (di trazione, compressione, flessione, taglio, torsione), ossia la capacità delle forze interne di coesione del materiale di contrastare l’azione deformante delle forze esterne. La misura più indicativa della resistenza meccanica di un materiale (Rm) è data dal rapporto tra la forza (carico) massima di trazione (Fm) applicata su un provino unificato e la sezione iniziale del provino stesso (So):

Provino per prova di trazione

Rm = Fm/So (N/mm2).

F So Lo

F

S0

d L0

Provetta a testa semplice per la prova di trazione

Superato questo valore massimo Rm (N/mm2), la resistenza del materiale diminuisce perché in una sezione della provetta avviene una strizione, rapido restringimento, che ne causa la rottura (FIGURA 9). OSSERVAZIONE Il carico unitario di rottura Rm si può esprimere anche in MPa (1MPa = 1N/mm2).

6.2

Durezza

La resistenza di un materiale alla penetrazione da parte di un altro materiale indica la sua durezza.

Sollecitazione

L’acciaio temprato, la ghisa bianca, i metalli duri per utensili, i bronzi, i materiali ceramici e il vetro hanno un’elevata durezza. Il diamante è il materiale più duro. Una buona durezza superficiale è necessaria, oltre che per gli utensili,

Trazione

Compressione Flessione

Taglio

Carico di punta

F

F F F

F

F

F F

Allungamento Accorciamento Piegamento

Funi, catene, viti

F F

F

Esempi

Torsione

Cuscinetti

Alberi, travature, assi

F

Taglio

Torsione

Inflessione

Ribattini, viti, perni, spine

Alberi, punte da trapano

Colonne, aste, chiodi per il legno

FIGURA 8. Sollecitazioni.

14

1

I materiali


anche per tutti i pezzi sottoposti all’usura, come le guide e i cuscinetti di rotolamento e di strisciamento o le ruote dentate. I materiali duri come i ceramici, il vetro, alcuni tipi di ghise e gli acciai temprati non in modo appropriato, sono fragili. Dei materiali metallici che sono sia resilienti che resistenti e sufficientemente duri si dicono tenaci. Lo sono per esempio gli acciai bonificati, ossia gli acciai che sono stati sottoposti a uno speciale trattamento termico. Al contrario, i metalli malleabili come gli acciai dolci hanno un’elevata resilienza o resistenza alle sollecitazioni dinamiche.

7

Proprietà chimiche

Resistenza alla corrosione La resistenza all’alterazione della superficie per l’azione chimica dell’aria, dell’acqua, di acidi e di altri agenti chimici indica la resistenza del materiale alla corrosione. I metalli nobili (l’oro, l’argento e il platino) sono resistentissimi alla corrosione. Gli acciai al nichel e al cromo, denominati inox, sono inossidabili. Il rame, lo zinco, il piombo e le loro leghe hanno una buona resistenza, mentre sono poco resistenti gli acciai meno legati e il ferro.

Rottura lungo i bordi dei grani Struttura interna non sollecitata

Struttura interna disgregata

Struttura interna sollecitata FIGURA 9. Rappresentazione del comportamento della struttura cristallina dei metalli sotto la

sollecitazione a trazione.

1

I materiali


15

Il piombo, però, col tempo può formare ossidi tossici. Per questo non si usa più nelle tubazioni. Particolarmente insidiosa è l’ossidazione a caldo degli acciai non legati o poco legati, durante le fasi delle lavorazioni di deformazione plastica, se questi non sono stati adeguatamente rivestiti di una pellicola protettiva o trattati termicamente in superficie. OSSERVAZIONE

8

Struttura interna dei metalli e delle leghe metalliche

8.1

Legami ionici e metallici

La conoscenza della struttura dei metalli puri e delle loro leghe ha grande importanza perché da essa derivano le proprietà fisiche e meccaniche dei materiali metallici, come per esempio la temperatura di fusione, la resistenza, la durezza o la duttilità. Tutti i materiali metallici sono caratterizzati da una struttura cristallina. Anche altri materiali hanno strutture cristalline, come per esempio il comune sale da cucina (il cloruro di sodio NaCl, FIGURA 10) o il quarzo (FIGURA 11). La sezione A-A in FIGURA 12 mostra come il materiale è formato da tanti cristalli uniti tramite giunti. La FIGURA 13 mostra la sezione di una lega Ag-Cu data dal miscuglio di cristalli di Ag (chiari) e di Cu (scuri). Naturalmente per i metalli è necessario un ingrandimento con il microscopio per poter vedere i loro cristalli, molto più piccoli, detti grani metallici. Ciò che caratterizza la struttura dei materiali metallici da quella, per esempio del sale e del quarzo, è il differente tipo di legame chimico, cioè il tipo di attrazione elettrostatica che tiene uniti gli atomi tra loro.

A

FIGURA 10. Cristalli di cloruro di sodio (NaCl) a

FIGURA 11. Cristalli di quarzo.

perfetta geometria cubica.

16

1

I materiali


A

Il legame metallico è diverso dal legame ionico del NaCl o del LiF del quarzo. Mentre nel legame ionico la forza di attrazione è tra ioni di carica opposta, in quello metallico il legame elettrostatico è tra gli ioni del metallo e gli elettroni liberi che avvolgono il reticolo. Questi materiali hanno ambedue strutture cristalline, formate da una disposizione geometricamente ordinata di atomi (più precisamente di ioni), che forma un reticolo costituito dalla ripetizione di tante celle elementari, tutte uguali come forma e dimensioni (FIGURE 14, 15, 16, 17, 18). Vi sono poi altre sostanze, come il vetro, la lacca ecc., che sono dette amorfe (senza forma) e che non hanno una disposizione regolare degli atomi (FIGURA 19). La maggior parte dei solidi sono cristallini, ma alcuni materiali si trovano allo stato gommoso o vetroso. Non hanno una struttura atomica ordinata e quindi hanno proprietà diverse: il punto di fusione non è ben definito, i legami tra le particelle non hanno tutti la stessa forza di legame, la quale varia nel tempo, e non sono resistenti al calore.

8.2

Differenze tra materiali cristallini

Ma perché c’è tanta differenza di proprietà tra un materiale metallico come il ferro e il sale o il quarzo, anche se questi hanno una stessa struttura atomica di tipo reticolare geometricamente ordinata? La ragione è che questa diversità di comportamento è dovuta proprio al diverso tipo di legame.

PROCESSO DI OSSIDAZIONE L’acciaio può essere aggredito da un processo di deterioramento causato da un fenomeno spontaneo e irreversibile innescato dall’interazione chimico-fisica con l’ambiente. Il fenomeno in questione è la corrosione, e gli agenti corrosivi più comuni sono l’ossigeno e l’acqua. Comunemente si dice che l’oggetto metallico arrugginisce, sfaldandosi in continuazione. La ruggine penetra sempre più fino alla sua distruzione oppure la corrosione può interessare pochi punti specifici (perforazione di un tubo, perdita delle capacità di sostegno di basamenti o supporti). Un caso particolare è l’ossidazione. Nei processi produttivi di deformazione plastica, come laminazioni o stampaggio, per esempio, i materiali ferrosi vengono lavorati a caldo a temperature tra i 900 e 1200 °C. L’ossigeno dell’aria può attaccare la superficie rovente dei metalli con formazione di scaglie di ossido, denominate calamine.

Il legame ionico è la forza elettrostatica tra ioni negativi e ioni positivi.

sezione A-A

FIGURA 12. Sezione di quarzo.

FIGURA 13. Sezione levigata e attaccata chimicamente di una lega Ag-Cu.

1

I materiali


17

Ioni Cl-

Ioni ClIoni Na+

Ioni Na+

FIGURA 14. Schema di un cristallo ionico.

Struttura cristallina ingrandita di 10 000 volte con un microscopio elettronico

FIGURA 15. Struttura del cristallo di cloruro di sodio.

Minerale ridotto ad atomi di metallo (per esempio di ferro)

Aggregato di atomi (ioni) di metallo Ioni di metallo

Concentrazione di ioni e di elettroni liberi

Elettroni liberi

FIGURA 16. Superficie di un metallo ingrandita al microsco-

Nuvola di elettroni

FIGURA 17. Formazione di metallo vincolante (Fe).

pio elettronico.

ATOMI METALLICI

FORZA

FORZA

FIGURA 18. Reticolo atomico di un grano metallico (schematizzato).

18

1

I materiali


Cella elementare

FIGURA 19. Struttura cristallina (sopra) e amorfa (sotto).

Ioni metallici

Elettroni liberi

FIGURA 20. Struttura del legame metallico.

FIGURA 21. Schemi di celle elementari dei cristalli e dei grani metallici.

1

I materiali


19

Cubica facce centrato (CFC)

Esagonale compatta (EC)

FIGURA 22. Schemi di celle elementari dei cristalli e dei grani metallici.

Metallo

Struttura cristallina

alluminio

CFC

cromo

CCC

ferro < 910 °C (Fe-_)

CCC

ferro 910÷1390 °C (Fe-a)

CFC

magnesio

EC

materiali più duttili e deformabili,

nichel

CFC

più conduttori elettrici e termici

materiali

oro

CFC

più duri

piombo

CFC

rame

CFC

titanio

EC

tungsteno

CCC

vanadio

CCC

zinco

EC

TABELLA 6. Strutture cristalline di alcuni metalli.

20

1

I materiali


Il legame del cloruro di sodio avviene tra gli ioni negativi del cloro Cl− e gli ioni positivi del sodio Na+ (FIGURE 14, 15). Il legame metallico avviene tra una massa di ioni metallici tutti dello stesso segno positivo (per esempio ioni di Fe++) e una massa di elettroni di carica negativa, detta nube elettronica (FIGURA 17). Così, per esempio, il metallo ferro è formato da atomi di ferro, che hanno ceduto i due elettroni più esterni: gli atomi sono allora diventati ioni positivi, mentre gli elettroni negativi liberatisi vanno a formare la nube che compatta gli ioni con la forza che si genera tra cariche opposte.

OSSERVAZIONE

È questo particolare legame che conferisce ai metalli solidità, resistenza meccanica e plasticità. Come si vede dalla FIGURA 20 gli elettroni liberi avvolgono tutti gli ioni metallici e si interpongono tra di essi, annullando così la loro reciproca repulsione e bloccandoli nelle loro reciproche posizioni. Tutti i materiali metallici sono quindi costituiti da un aggregato di grani, che a loro volta sono costituiti ciascuno da una struttura reticolare ordinata come quella descritta, il che spiega le proprietà dei materiali metallici (FIGURA 18).

8.3

Tipi di reticoli cristallini

Come già evidenziato, queste strutture atomiche sono costituite dalla ripetizione uniforme della cella elementare (FIGURA 19). Per lo più i metalli hanno tre tipi di celle e quindi tre tipi di reticoli cristallini (FIGURA 21, 22): m cubico a corpo centrato (CCC); Ô m cubico a facce centrate (CFC); Ô m esagonale compatta (EC). Dalla TABELLA 6 si vede che i metalli più plastici e conduttori elettrici sono quelli a reticolo CFC, come l’alluminio, il ferro caldo tra i 910 °C e i 1390 °C, il nichel eccetera.

OSSERVAZIONE

1

I materiali


21

QUESITI 1

Su quali criteri si basa la scelta dei materiali?

2

Che cosa contraddistingue i materiali metallici non ferrosi tra loro? Fare qualche esempio.

3

Che cosa sono i materiali compositi e che cosa li caratterizza?

4

Che cosa si intende per massa volumica e come si determina?

5

Completa lo schema riassuntivo dei materiali.

6

Che cosa si intende per leghe metalliche e quali sono sono le differenze con i metalli?

7

Come si misura la conduttività elettrica?

8

Fai qualche esempio di materiale fusibile e spiega le differenze con uno non fusibile.

metalli

metalli non ferrosi

acciai

ghise

acciai da costruzione acciai da utensili acciai da bonifica

ghisa grigia ghisa malleabile ghisa sferoidale

rame zinco piombo

ESERCIZI 1

Conduttività termica

k = coefficiente di conducibilità termica in W/(m°C); S = superficie in m ;

plastiche vetro ceramica

resine rinforzate metalli duri

Dalle tabelle si ricava che per l’alluminio k = 237 W/(m°C) e dalla relazione (1):

(1)

2

marmo legno

Soluzione

Q=

kS6T 6t [J]; Q= s

materiali artificiali

s = 20 mm ha una parete esposta al sole ad una temperatura di 80°C e l’altra a 60°C. Determinare la quantità di calore che attraversa la parete al minuto.

I materiali metallici sono buoni conduttori di calore. Il calore si propaga attraverso il corpo metallico a contatto con una sorgente di calore. La temperatura passa da T1 sulla parete a contatto fino a T2 in quella opposta e si ha la relazione:

s = spessore in m;

6T = differenza di temperatura in °C (= 1K); 6t = tempo in sec ; La conduttività termica dei metalli varia non solo da metallo a metallo (per esempio, nell’argento e del rame è maggiore, nel nichel molto minore), ma diminuisce tanto maggiori sono le impurezze presenti nella massa metallica.

Esercizio

2

kS6T 6t 237·8·20·60 [J] = = 113 760 000 J = 113760 KJ s 0,02 Densità (massa volumica)

La densità o massa volumica differisce da materiale a materiale, ma non solo. Con l’aumentare della temperatura, la densità diminuisce per la dilatazione, che – specie i metalli – subiscono.

Esercizio Un pezzo metallico ha una massa di 23,25 kg ed un volume di 3dm3. Qual’è la sua densità e di che materiale si potrebbe trattare?

Soluzione

Una parete di alluminio di 8 m2 di superficie e di spessore

22

alluminio magnesio titanio

materiali naturali

1

Dalla relazione: l = m/V

I materiali


Calcoliamo l = m/V = 23,25 kg/3dm3 = 7,75 kg/dm3 Si potrebbe trattare quindi dell’acciaio.

È dunque meno costoso riscaldare il pezzo di acciaio inox piuttosto che quello in alluminio.

Esercizio B 3

Dilatazione termica

I materiali metalli subiscono dilatazioni o contrazioni che se impedite, per esempio con il montaggio di motori e turbine, possono portare a tensioni elevatissime e pertanto pericolose

Se il calore specifico dell’olio è Ctm olio = 1700J/(kg°C) e quello dell’acqua 500J/kg°C, la massa volumica dell’olio lo = 920 kg/m3, calcolare il volume della vasca per temprare dei pezzi di acciaio di massa complessiva 20 kg.

Esercizio Una barra di acciaio lungo 6 m viene riscaldata da 20°C a 400°C. Quant’è la sua lunghezza finale?

La temperatura di tempra è Tt = 900°C ie quella dell’olio Ti = 20°C

Soluzione

non deve superare Tmax = 24°C dopo l’immersione contemporanea dei pezzi.

Dalle tabelle ricaviamo per l’acciaio _ = 12 · 10–6 m/(m°C)

Soluzione

Dalla relazione:

m Dalla relazione lo = olio si ricava Volio e quindi il volume volio della vasca V.

6L = l0 _6T = 6m · 12 · 10–6 m/(m°C) · 380°C = 27 mm Lunghezza finale l = 6,027 mm 4

Calore specifico (capacità termica massica)

Considerare il calore specifico può essere importante per valutare la convenienza nella scelta del materiale.

Esercizio A Sia da portare due pezzi di alluminio e di acciaio inox da 200 °C a 400°C . Per quale dei due materiali è più costoso in termini di spesa energetica? Dalla relazione Q = Ctm 6TM [J] ed essendo il calore specifico (coefficiente): - per l’alluminio Ctm = 900 J/(kg°C) e la temperatura di fusione Tf = 659°C - per l’acciaio inox Ctm = 502 J/(kg°C) e Tf = 1350°C

Conoscendo la densità dell’olio, dobbiamo calcolare la massa dell’olio molio. Posta la condizione che: la quantità di calore iniziale Qi dell’olio + i pezzi alla temperatura iniziale Ti = 20°C deve essere uguale alla quantità di calore Qf raggiunta dal miscuglio (olio + pezzi) alla temperatura Tmax = 24°C si ha molio Ctm olio Ti olio + macc Ctm acc Tt = = (molio Ctm olio + macc Ctm acc) Tmax m C (T – Tt ) = L’incognita molio = acc tm acqua max ctm olio (T i olio – Tmax) =

20 · 500 · (24 − 900) 1700 (20 − 24)

= 1288 kg

Volio = 1288/920 = 1,4 m3. Si considererà pertanto di utilizzare una vasca di volume circa uguale a 1,6 m3.

si calcola : Q = 900 J/(kg°C) · 200 °C · 10 kg = 1800 kJ per l’alluminio Q = 502 J/(kg°C) · 200°C · 10 kg = 1004 kJ per l’acciaio

1

I materiali


23