Materiali per il design(2) polimi

C.I. Materiali per il Design

Modulo di scienza e tecnologia dei materiali!

Ú  Mail: "luigi.denardo@polimi.it"

Ú  Telefono: "02-2399-3161 "

Ú  Ricevimento: "su appuntamento via mail"

Proprietà dei materiali"

La importante dozzina"

Ú  Proprietà generali"æ  Densità !æ  Costo!

Ú  Proprietà fisiche e chimiche!

æ  Conducibilità termica!æ  Conducibilità elettrica!æ  Magnetismo!æ  Massima temperatura di

esercizio !æ  Durabilità"

Ú  Proprietà ottiche "æ  Trasparenza"

Ú  Proprietà meccaniche "æ  Rigidità!æ  Resistenza!æ  Tenacità!æ  Duttilità!

Ú  Definizione: Massa per unità di volume"

Ú  Unità di misura !æ  Convenzionale kg/dm3"

æ  SI kg/m3"

Ú  La densità di un materiale è strettamente legata:"æ  Alla massa atomica degli atomi che lo compongono"æ  Alla struttura del materiale"

VMρ=

Densità"

Ú  I metalli presentano una elevata densità"æ  Sono costituiti da atomi ad Alto numero atomico "æ  Sono materiali a struttura cristallina: gli atomi sono ordinati e

presentano pertanto alti fattori di compattazione"

Ú  Densità di alcuni metalli"æ  1,8 g/cm3 " "magnesio"æ  2,7 g/cm3 " "alluminio"æ  7,8 g/cm3 " "ferro (acciai)"æ  11,3 g/cm3 " "piombo"æ  13,5 g/cm3 " "mercurio"æ  18,9 g/cm3 " "uranio impoverito"æ  19,3 g/cm3 " "oro"

Densità dei materiali"

Ú  I materiali polimerici hanno bassa densità "æ  Sono costituiti principalmente da elementi a basso numero atomico

(carbonio, idrogeno, ossigeno)"æ  Presentano basso fattore di compattazione atomica"

æ  ρ = 0,9 ÷ 2,0 g/cm3 "

Densità dei polimeri"

Ú  La densità dei materiali ceramici è molto diversificata"æ  calcestruzzo, vetro, terracotta, porcellana, allumina, diamante"

Ú  Presentano struttura amorfa o cristallina"æ  possono inoltre avere alte porosità"

Densità dei ceramici"

Ú  Il costo non può essere definito a rigore una proprietà di un materiale"

Ú  Fattore da tenere nella massima considerazione"

Ú  Varia da meno di 0,10 euro/kg (calcestruzzo), a più di 10.000 euro/kg (oro)"

Costo"

Ú  i più usati sono i materiali per costruzioni civili (calcestruzzo, mattoni e legno) che hanno il prezzo più basso"

Ú  Polimero più usato è il polietilene (il più economico)"

Ú  Correlazione tra alto volume di produzione e minor costo"

Costo"

Ú  Definizione: prezzo per unità di massa"

Ú  Unità di misura: €/kg "

MPrezzopeso  in  Costo =

Costo in peso"

Ú  Definizione: prezzo per unità di volume"

Ú  Unità di misura: €/dm3"

VPrezzovolume  in  Costo =

Costo in volume"

Ú  Il costo in peso e il costo in volume sono tra loro ovviamente correlati"

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∗⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

kg€peso  in  Costo

dmkg

dm€  volume  in  Costo 33 ρ

Costo e densità"

Ú  Il costo in peso e il costo in volume sono tra loro ovviamente correlati

Coato e densità"

Ú  Per caratterizzare il comportamento meccanico di un materiale, è necessario conoscere la sua curva sforzo-deformazione"

Ú  La curva sforzo deformazione è caratteristica della risposta di un materiale ottenuta eseguendo una prova di trazione "

Ú  Una barra sottoposta a forze modifica le sue dimensioni"æ  Se trazione si allunga e l’allungamento è tanto più elevato quanto

maggiore è la forza applicata"æ  Durante tale operazione si prelevano per punti i valori di sforzo e di

deformazione che vengono diagrammati"

Curva sforzo-deformazione"

Ú F "= forza applicata"

Ú L0 "= lunghezza iniziale"

Ú A0 "= sezione iniziale"

Ú L "= lunghezza finale"

definiamo"

Ú sforzo (σ)"

Ú deformazione (ε)"0AF

=σ

0

0

LLL −

=ε

L0

F F

A0

Curva sforzo-deformazione"

Ú  Forza espressa in N (Newton)"

Ú  Dimensioni in mm (millimetri)"

Ú  Sforzo σ è espresso in N/mm2 o MPa (MegaPascal)"

Ú  Deformazione ε è adimensionale"

Curva sforzo-deformazione"

Comportamento meccanico dei materiali"

Ú  In funzione del materiale si hanno due diversi tipi di andamenti: "

æ  Comportamento elastico "æ  Comportamento elasto-plastico"

Comportamento elastico lineare"

Ú  La curva sforzo-deformazione presenta andamento lineare"

æ  lo sforzo è proporzionale alla deformazione"

Ú  Dopo rottura, o nel caso si annulli lo sforzo applicato prima di giungere a rottura, il materiale torna praticamente alle dimensioni iniziali"

Ú  Il materiale segue la legge di Hooke "

æ  σ=E ε"

Eεσ =Ú  Proporzionalità diretta tra sforzo applicato e deformazione

secondo una grandezza, E, detta modulo di elasticità o modulo di Young"

Ú  Ogni materiale ha un preciso valore di E"

Ú  Maggiore è il valore del modulo di elasticità, maggiore è la pendenza della curva sforzo-deformazione"

Legge di Hooke"

Materiali a comportamento elastico"

Ú  Hanno comportamento elastico i materiali la cui microstruttura non consente loro di deformarsi plasticamente"

Ú  ceramici e vetri (che hanno alto valore del modulo di elasticità e mostrano pertanto deformazioni elastiche molto piccole)"

Ú  elastomeri (che avendo bassissimo valore del modulo di elasticità, sono fortemente deformabili ma tornano comunque alla dimensione iniziale quando scaricati)"

Comportamento elasto-plastico"

Ú  La curva sforzo-deformazione può essere suddivisa in due tratti"æ  Nel primo tratto il materiale presenta comportamento elastico"æ  Nel secondo tratto comportamento plastico "

ε

σ

Tratto Elastico

Tratto Plastico

Comportamento elasto-plastico: tratto elastico"

Ú  Nel tratto a comportamento elastico, il materiale presenta il comportamento precedentemente descritto (si ha sostanziale proporzionalità tra sforzo e deformazione e, annullando lo sforzo, il provino ritorna alle dimensioni iniziali)"

ε

σ

Tratto Elastico

Tratto Plastico

Comportamento elasto-plastico: tratto plastico"

Ú  Quando si supera un valore di sforzo critico, detto sforzo di snervamento (o limite elastico), si entra nel tratto a comportamento plastico (la legge di Hooke non viene più rispettata)"æ  Giungendo a rottura o annullando lo sforzo, nel provino rimane

una deformazione residua"æ  Nel materiale si verifica uno spostamento non reversibile degli

atomi della struttura, causando deformazione (plastica) permanente. "

Materiali a comportamento elasto-plastico"

Ú  La possibilità o meno di deformarsi in modo plastico è strettamente legata alla struttura atomica o molecolare del materiale"

Ú  Mostrano comportamento elasto-plastico quasi tutti i metalli (tranne ghise e bronzi), molti polimeri, praticamente nessun ceramico"

Grandezze ottenibili dalle curve σ-ε"

Ú  Modulo di elasticità (E, in inglese Young Modulus)"

Ú  Unità di misura GPa (gigapascal)!

ε

σ

E = σ/ε

Grandezze ottenibili dalle curve σ-ε"

Ú  sforzo di snervamento o limite elastico (σsn o σy) in MPa"

Ú  in inglese Tensile Yield Strength (TYS)"

ε

σ

σsn

Grandezze ottenibili dalle curve σ-ε"

Ú  sforzo di rottura (σR o R) in MPa "

Ú  " "in inglese Ultimate Tensile Strength (UTS)"

ε

σ

σR

Grandezze ottenibili dalle curve σ-ε"

Ú  allungamento a rottura (A%) pari a ε%"

Ú  " "in inglese Elongation (E%)"

ε

σ

A%

Grandezze ottenibili dalle curve σ-ε"

Rigidità"

Ú  Definizione: la rigidità è la proprietà del materiale correlata alla capacità di subire deformazione in campo elastico!

æ  (rigidità quando si parla di un materiale, rigidezza quando si parla di una struttura)!

Ú  Grandezza caratteristica: modulo di elasticità (o modulo di Young)!

Ú  Simbolo: E!

Ú  Unità di misura: GPa (1000 MPa)!

Ú  Contrario: il contrario di rigido è flessibile (o cedevole)"

Rigidità"

Ú  La rigidità aumenta passando dal materiale 1 al materiale 3 pur in presenza di resistenza e duttilità molto simile"

ε

σ

1 2

3 E

Rigidità: materiali "

Ú  Valori di E metalli sono molto più elevati di quelli dei polimeri (anche 100 volte)

Ú  Di particolare interesse è il valore del modulo di elasticità dei compositi a base di fibra di carbonio

Resistenza"

Ú  Definizione: capacità di sopportare forze applicate senza rompersi e senza deformarsi in modo permanente"

æ  (è ovvio che se la gamba di una sedia sottoposta a carico si piega anche senza rompersi la sedia perde comunque la sua funzione) !

Ú  Grandezza caratteristica: "æ  se elasto-plastico sforzo di snervamento o limite elastico σSN"æ  se elastico sforzo di rottura σR !

Ú  Unità di misura: MPa "

Resistenza"

Ú  La resistenza aumenta passando dal materiale 1 al materiale 3 pur in presenza di rigidità e duttilità molto simili"

ε

σ

1

2

3 σsn

ε

σ 3

1

2

σR

Resistenza"

Ú  Confrontando le proprietà dei vari materiali, si nota che i metalli hanno resistenza un ordine di grandezza superiore a quella dei polimeri "

Duttilità"

Ú  Definizione: capacità di essere deformato plasticamente, consentendo di assumere le forme più varie!

æ  proprietà fondamentale non tanto in fase di utilizzo di un materiale, quanto in fase di lavorazione!

Ú  Grandezza caratteristica: allungamento percentuale a rottura !

Ú  Simbolo: A% !

Ú  Unità di misura: adimensionale!

Ú  Contrario: il contrario di duttile è indeformabile (plasticamente)!

Duttilità"

Ú  La duttilità aumenta passando dal materiale 1 al materiale 3, pur in presenza di rigidità molto simile "

ε

σ A%

1

2

3

Duttilità"

Ú  Sono duttili solo i materiali a comportamento elasto-plastico, mentre i materiali a comportamento solo elastico (non deformabili plasticamente) hanno duttilità praticamente nulla"

Ú  Oggetti in ceramica o in metallo con bassissima duttilità (come la ghisa o il bronzo) non possono essere prodotti per stampaggio o comunque deformazione plastica, ma devono essere prodotti con tecniche quali la sinterizzazione (ceramici) o la colata e solidificazione (bronzo, ghisa), che fanno acquisire loro direttamente la forma finale "

Duttilità"

Ú  Anche i vetri, materiali con tenacità quasi nulla a temperatura ambiente, possono essere sagomati solo dopo riscaldamento a temperature elevate"

Ú  La gomma naturale, che ha comportamento puramente elastico, si allunga molto in campo elastico perché ha un basso modulo di elasticità, ma quando viene scaricato torna comunque alla sua lunghezza iniziale perché la sua duttilità è praticamente nulla "

Duttilità"

Ú  I polimeri hanno in genere elevata duttilità, decisamente superiore a quella di metalli come gli acciai"

Ú  Hanno viceversa duttilità molto bassa i ceramici, i vetri e anche i compositi"

Tenacità"

Ú  Definizione: Capacità di un materiale di assorbire energia di deformazione"

Misura della tenacità"

Ú  Area sottesa dalla curva sforzo-deformazione"

Ú  Un materiale può aumentare la sua tenacità per aumento della:"

æ  rigidità"æ  resistenza"æ  duttilità"

Ú  Curva sforzo-deformazione:"æ  primo tratto a comportamento elastico"æ  secondo tratto a comportamento plastico rottura"

Ú  Nel tratto a comportamento elastico, il materiale assorbe energia di deformazione elastica, che è reversibile e può essere rilasciata"

Ú  Nel tratto a comportamento plastico il materiale assorbe energia di deformazione plastica, che non è reversibile e non può essere rilasciata"

Ú  Durante la rottura finale il materiale assorbe energia per formare nuove superfici, anch’essa non reversibile "

Capacità di assorbire energia di deformazione"

Ú  Caso studio: i nastri isolanti e da imballaggio"

Facilità di propagazione di una cricca"

Ú  Caso studio: i nastri isolanti e da imballaggio"

Facilità di propagazione di una cricca"

Ú  L’obiettivo è valutare la capacità di un materiale di sopportare la presenza di difetti (o cricche) al suo interno, senza rompersi quando sollecitato"

Ú  Si utilizza la misura sperimentale di un parametro della meccanica della frattura, il cosiddetto fattore di intensità dello sforzo, con sigla KIc e unità di misura MPa√m"

Ú  Tanto più è basso il KIc tanto maggiore è la tendenza di una cricca a propagare e viceversa"

Facilità di propagazione di una cricca"

Ú  Se all’apice di un difetto (o di una cricca) un materiale è in grado di deformarsi plasticamente (plasticizzarsi), l’energia che tende a far propagare il difetto (cricca) viene in buona parte assorbita; il materiale si comporta in modo tenace (elevato KIc)"

Ú  Se all’apice di un difetto (o di una cricca) un materiale non è in grado di deformarsi plasticamente, l’energia che tende a far propagare il difetto (cricca) non può essere assorbita e il difetto (cricca) propaga formando nuovi superfici; il materiale si comporta in modo fragile (basso KIc)"

Facilità di propagazione di una cricca"

Ú  Caso studio: i nastri isolanti e da imballaggio"

Ú  nastro da pacchi: σR elevato, A% basso, KIc molto basso"

Ú  nastro isolante: σR basso, A% elevato, KIc elevato"

Ú  non esiste una correlazione diretta tra resistenza (σR), duttilità (A%) e tenacità (KIc)"

Ú  alcuni materiali di grande resistenza possono diventare estremamente fragili in presenza di piccoli difetti"

Facilità di propagazione di una cricca"

Ú  I metalli hanno in genere tenacità a frattura (KIc) più elevata dei polimeri"

Ú  I ceramici e il vetro hanno tenacità a frattura molto bassa (fragili)"

Tenacità"

Ú  Definizione: velocità con la quale il calore è trasmesso attraverso un solido in condizioni stazionarie"

Ú  Flusso di calore J (W/m2) che fluisce da una superficie a temperatura T1 a una a temperatura T2 (T1 > T2) separate da una distanza X!

Ú  Grandezza caratteristica: conducibilità termica !

Ú  Unità di misura: Watt al metro al grado Kelvin (W/m.K)"

Conducibilità termica"

Ú  I materiali si distinguono in quattro livelli qualitativi:"

Ú  buon conduttore"

Ú  scarso conduttore"

Ú  scarso isolante"

Ú  buon isolante!

Conducibilità termica: materiali"

Ú  I polimeri sono isolanti termici"

Ú  I metalli sono conduttori termici"

Ú  I ceramici hanno conducibilità termica molto differenziata (diamante e grafite sono paragonabili ai metalli, vetro e calcestruzzo sono paragonabili ai polimeri"

Conducibilità termica: materiali"

Ú  Definizione: capacità di un materiale di condurre la corrente elettrica!

Ú  Grandezza caratteristica: resistività (inverso della conducibilità) !

Ú  Unità di misura: microOhm per centimetro (μΩ.cm)"

Conducibilità elettrica"

Ú  I materiali si distinguono in quattro livelli qualitativi:"

Ú  buono/ottimo conduttore"

Ú  scarso conduttore"

Ú  scarso isolante"

Ú  buon isolante!

Conducibilità elettrica: materiali"

Ú  I metalli sono ottimi/buoni conduttori elettrici"

Ú  I polimeri e i ceramici sono isolanti elettrici"

Ú  Questo comportamento è legato alla diversa mobilità degli elettroni"

Conducibilità elettrica: materiali"

Ú  Si distinguono tre tipi di materiali:"

Ú  materiali non magnetici (banalmente parlando che non vengono attratti da una calamita)"

Ú  materiali ferromagnetici (che vengono attratti da una calamita)"

Ú  magneti permanenti (con cui vengono fatte le calamite)"

Magnetismo"

Ú  La stragrande maggioranza dei materiali sono non magnetici"

Ú  Sono ferromagnetici solo ferro, nichel e cobalto e alcune ferriti ceramiche"

Ú  In pratica sono magnetici gli acciai e le ghise (entrambe quasi solo ferro) e alcuni tipi di acciai inossidabili (gli acciai inossidabili ferritici e martensitici, mentre gli austenitici sono non magnetici)"

Magnetismo"

Magnetismo: materiali"

Ú  Definizione: temperatura massima alla quale un materiale può essere utilizzato per impieghi strutturali"

Ú  Per metalli e ceramici questa temperatura è molto elevata (legata T fusione)"

Ú  Per i polimeri dipende dalle temperature di transizione (Tg e Tm) "

Ú  Per alcuni polimeri la massima temperatura di esercizio può essere di poche decine di gradi oltre la temperatura ambiente"

Massima temperatura di esercizio"

Ú  Definizione: resistenza agli ambienti d’uso in funzione del tempo"

Ú  Possiamo individuare almeno cinque differenti condizioni ambientali:!

æ  corrosione in acque naturali; !æ  corrosione in acqua di mare (ove la resistenza dei materiali è

notoriamente inferiore rispetto a quella in acqua naturale); !æ  corrosione atmosferica, che rappresenta un problema quando

l’umidità relativa supera l’80% o in presenza di forte inquinamento ambientale (soprattutto da anidride solforica);!

æ  irraggiamento solare, che determina problemi di infragilimento, decolorazione e ingiallimento;"

æ  uso di detergenti e solventi non idonei"

Durabilità"

Ú  Acque naturali, acque di mare e atmosfera sono gravose per gli acciai, minori problemi hanno rame, alluminio e acciai inossidabili"

Ú  Per resistere gli acciai (non inossidabili) devono essere sottoposti, a trattamenti protettivi (verniciatura, zincatura, fosfatazione, nichelatura e cromatura, rivestimenti polimerici, protezione catodica ecc.)"

Ú  L’irraggiamento solare e l’uso di detergenti e solventi sono particolarmente critici per alcuni materiali polimerici"

Ú  I ceramici, essendo già ossidi, hanno in genere ottima durabilità"

Durabilità dei materiali"

Opaco

Trasparenza"

Ú  Si individuano quattro categorie qualitative

Opaco Traslucido

Ú  Si individuano quattro categorie qualitative

Trasparenza"

Opaco Traslucido Trasparente

Ú  Si individuano quattro categorie qualitative

Trasparenza"

Ú  Si individuano quattro categorie qualitative :!æ  Qualità ottica: corrisponde a eccezionale trasparenza (adatta per

applicazioni come lenti per occhiali)!æ  Trasparente: trasparenza molto buona (anche in caso di materiali

colorati)!æ  Traslucido: la luce diffusa è trasmessa attraverso il materiale, ma le

immagini non possono essere distinte in modo chiaro!æ  Opaco: completamente non trasparente, la luce non passa attraverso

il materiale"

Trasparenza"

Ú  In linea generale si può affermare che i materiali cristallini sono opachi, mentre i materiali amorfi possono essere trasparenti:"

æ  Tutti i metalli sono opachi"æ  La maggior parte dei ceramici sono opachi (trasparenti i vetri, ceramici

amorfi)"æ  Più complessa è la situazione dei polimeri, che come si è visto,

possono essere amorfi o semicristallini"

Ú  Pur ribadendo l’indicazione generale (amorfo sinonimo di trasparente): "

æ  Le dimensioni e i trattamenti dei materiali polimerici possono influenzare la trasparenza"

æ  La porosità dei materiali influenza la trasparenza"

Trasparenza"