Corso di Tecnologia e Disegno per il biennio degli ITI

Corso di Tecnologia e Disegno per il biennio degli ITI

Michele MontaltoMichele Montalto Tecnologia e disegno per il biennio degli ITI

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I materiali

I materiali a disposizione per ottenere manufatti utili alle attività umane si possono suddividere genericamente in:

• materiali metallici

• materiali non metallici

• materiali compositi


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I materiali metallici

Tra gli svariati materiali disponibili per la produzione di prodotti finiti, ci occuperemo soprattutto dello studio dei materiali metallici, in quanto occupano ancora un ruolo preminente nelle costruzioni meccaniche.


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Nell’industria meccanica, la generica definizione di “materiali metallici” coinvolge più tipologie di materiali che, dal punto di vista chimico, sono così definiti:

Metalli

Non metalli

Leghe metalliche

I materiali metallici


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Misura delle proprietàTutti i materiali metallici hanno caratteristiche o proprietà specifiche.

La conoscenza di queste proprietà ne determina la scelta nelle applicazioni.

Ogni proprietà è posseduta da un materiale qualitativamente e/o quantitativamente in modo differente da ogni altro materiale.

Ciò è verificabile da opportune scale che indicano il grado o la misura di quella determinata proprietà per il materiale in esame.

Il grado o la misura di una determinata proprietà è espresso per mezzo di un numero e di una unità di misura (diversa per ogni proprietà)

L’insieme delle proprietà e le rispettive misure riferite al medesimo materiale, costituiscono una sorta di “carta d’identità” per il materiale stesso.


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Scelta di un materiale

In altri termini si può affermare che la scelta di un materiale dipende in larga misura dalle sue proprietà chimico-strutturali, fisiche, meccaniche e tecnologiche.

La scelta di un materiale dipende:

• dalla sua capacità di resistere alle sollecitazioni• dalla esigenze inerenti all’impiego• dalla facilità ed economicità della sua lavorazione• dal costo


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Le proprietà dei materiali metallici

Proprietà chimico strutturali

tecnologiche

meccaniche

fisiche

riguardano la composizione chimica dei metalli e la loro struttura interna (distribuzione atomica, struttura cristallina), dalle quali dipendono le proprietà meccaniche e tecnologiche e le interazioni con l’ambiente (ossidazione, corrosione).

sono le proprietà verificabili in relazione agli agenti esterni (massa volumica, punto di fusione, conducibilità termica e conducibilità elettrica, dilatazione, ecc.).

riguardano il comportamento dei materiali quando sollecitati da forze esterne. Le principali proprietà meccaniche sono: la resistenza meccanica, la resistenza alla fatica, la resistenza all’usura e la resistenza a forze concentrate (durezza).

riguardano l’attitudine dei materiali a subire diversi tipi di lavorazioni meccaniche. Sono proprietà tecnologiche la malleabilità, la duttilità, la colabilità, la saldabilità, la truciolabilità, ecc.).

proprietà

FINE


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Durante una normale solidificazione i reticoli dei grani si orientano in tutte le direzioni.

E’ questa la ragione per cui i metalli resistono in modo uguale in ogni direzione.

Orientamento dei grani cristallini

L’orientamento dei grani può essere cambiato attraverso determinate lavorazioni. Questo fenomeno modifica sostanzialmente la resistenza del metallo secondo le direzioni di sollecitazione.


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Dimensioni dei grani cristallini

Durante il raffreddamento, raggiunta la temperatura di solidificazione, si ha la formazione dei centri di cristallizzazione. Il loro numero dipende dalla velocità di raffreddamentoIn generale si può affermare che:

un raffreddamento veloce porta alla formazione di grani piccoli un raffreddamento lento porta alla formazione di grani grossi

I metalli con grani piccoli hanno generalmente caratteristiche migliori di quelli a grani grossi.


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La struttura cristallina dei metalli

Un metallo è costituito da grani cristallini (o cristalli), aderenti gli uni agli altri, ma separati da linee sottili e irregolari (giunti cristallini).

E’ il giunto cristallino che, come una colla, tiene uniti in un tutt’uno i grani cristallini.

I cristalli a loro volta sono formati da piccolissime particelle (atomi), non visibili neppure al microscopio, che si dispongono in modo geometricamente regolare a formare <celle elementari>.

Le celle elementari si dispongono con regolarità geometrica in modo da formare il <reticolo cristallino>, che si interrompe solo ai bordi del cristallo.


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La cella elementareLa cella elementare è il più piccolo solido che possiede la completa simmetria del cristallo ottenuta congiungendo i centri degli atomi contigui.La cella elementare è definita dalla sua forma e dalle sue dimensioni.


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Le celle elementari dei metalli

In natura le celle elementari possono essere di 14 forme diverse.

La maggioranza dei metalli cristallizza secondo tre tipi di celle elementari:

cubica a corpo centrato (c.c.c.)

cubica a facce centrate (c.f.c.)

esagonale compatta (e.c.)


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1 2

65

34

8 7

9

5

8 7

69

4

1 2

3

Gli atomi sono a contatto lungo le diagonali secondo il seguente schema:

1-9-7 3-9-5 4-9-6 2-9-8

Cella elementare C.C.C.

Questo tipo di cella è caratteristica dei materiali più duri con resistenza alle deformazioni e duttilità medie, come il tungsteno, il molibdeno e il ferro (alfa)

Cella Cubica a Corpo Centrato (c.c.c.) 9 atomi


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913

10

811

14 6

12

7

Cella elementare C.F.C.

3

4 1

2

51213

14

11

10

5

14

69

2

78

3

La cella cubica a facce centrate è caratteristica dei materiali più duttili, malleabili, buoni conduttori di elettricità e calore come il rame, il nickel, l’alluminio, il piombo, l’oro, l’argento e il ferro (gamma)

Cella Cubica a Facce Centrate (c.f.c.) 14 atomi


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15 1716

Cella Esagonale Compatta (e.c.) 17 atomi

7

45

6

1

3

2

Cella elementare E.C.

1112

13

8

14 10

9

La cella esagonale compatta è caratteristica dei materiali fragili, come il magnesio, il cadmio e lo zinco


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Le proprietà meccaniche di un metallo e, conseguentemente quelle tecnologiche, sono influenzate dalle dimensioni dei grani cristallini.

A parità di dimensioni del grano cristallino e delle dimensioni dell’atomo, le celle c.c.c. sono in numero superiore, rispettivamente, delle celle c.f.c e delle celle e.c.


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Grano cristallino


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Struttura cristallina delle leghe metalliche

Le leghe metalliche sono formate da cristalli costituiti da atomi di due o più metalli diversi oppure da atomi di metalli e atomi di non metalli


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I cristalli che si formano nelle leghe metalliche sono di tre tipi fondamentali:

• Cristalli puri• Cristalli di soluzioni solide o misti• Cristalli di composti intermetallici


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Tipi di leghe metallicheA B C CSolvente Soluto

Lega di cristalli puri Lega di cristalli di soluzione solide o misti

Lega di cristalli di composti intermetallici

Indietro


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Proprietà fisiche dei materiali

avantiindietro


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Proprietà fisiche dei materiali

• Massa volumica (peso specifico) • Capacità termica massica (calore specifico)• Dilatazione termica• Temperatura di fusione • Calore latente di fusione• Conduttività termica• Conduttività elettrica• Magnetismo

Svariate sono le proprietà fisiche dei materiali. Qui ne vengono indicate alcune tra le più importanti :


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indietro avanti


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Proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche esprimono la capacità di un materiale a resistere alle sollecitazioni dovute all’azione di forze esterne che tendono a deformarlo.

L’azione delle forze esterne può avvenire secondo modalità diverse e altrettanto diverse sono le capacità di resistenza dei materiali sollecitati.


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Ricordiamo che le caratteristiche fondamentali con cui viene espressa una forza sono:• l’intensità• la direzione • il verso

verso

intensità

direzione

La forze così rappresentate possono variare:

• per il tempo di applicazione

• per il punto o la superficie di applicazione

• per la direzione rispetto al corpo, ecc..


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Secondo il tempo di applicazione si avranno:

• forze statiche

• forze dinamiche

• forze periodiche

Secondo la superficie di applicazione si avranno:

• forze concentrate

• forze di attrito


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Forze staticheLe forze applicate con gradualità e continuità nel tempo sono dette

statiche; si parla anche di sollecitazioni statiche.

Una sollecitazione statica è l’insieme delle forze esterne (carichi) che agiscono su un corpo. I vari tipi di sollecitazione si distinguono secondo la direzione di applicazione delle forze rispetto all’asse geometrico principale del solido.

Se la forza statica agisce lungo un’unica direzione essa è definita: sollecitazione statica semplice.

Più sollecitazioni semplici agenti su un corpo definiscono una sollecitazione statica composta.


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Resistenza meccanicaLa capacità che i materiali hanno di resistere a sollecitazioni statiche è detta resistenza meccanica.

Secondo la direzione di applicazione della sollecitazione semplice si distinguono :

• sollecitazione a trazione

• sollecitazione a compressione

• sollecitazione a flessione

• sollecitazione a torsione

• sollecitazione a taglio


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Proprietà meccaniche (Resistenza meccanica) Sollecitazione semplice a

Un corpo si dice sollecitato a trazione quando due forze di uguale

intensità sono dirette lungo l’asse geometrico del corpo e tendono tendono ad allungarload allungarlo

traziontrazionee

Alcuni esempi: catene, funi,

organi di sollevamento,

le viti.


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Proprietà meccaniche (Resistenza meccanica)

Sollecitazione semplice acompressioncompressioneeUn corpo si dice sollecitato a compressione quando due forze di

uguale intensità sono dirette lungo l’asse geometrico del corpo e

tendono ad accorciarlotendono ad accorciarlo

Alcuni esempi: i pilastri e i muri

degli edifici


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Proprietà meccaniche (Resistenza meccanica)Sollecitazione semplice a flessioflessio

neneUn corpo si dice sollecitato a flessione quando la forza applicata

tende a piegarlo o a fletterlo. tende a piegarlo o a fletterlo. La direzione della forza è perpendicolare all’asse del pezzo e giace nel piano passante per l’asse geometrico stesso.

Alcuni esempi: travi, alberi motori, balestre, ecc.


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Proprietà meccaniche (Resistenza meccanica) Sollecitazione semplice atorsiontorsion

eeUn corpo si dice sollecitato a flessione quando è sottoposto a una

forza che tende a far ruotare una sezione del pezzo tende a far ruotare una sezione del pezzo rispetto alla sezione immediatamente adiacente. rispetto alla sezione immediatamente adiacente. Le forze giacciono sul piano perpendicolare all’asse del pezzo e tendono a torcerlo.

Alcuni esempi: maniglie delle porte, alberi di trasmissione,

morse, ecc..


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Proprietà meccaniche (Resistenza meccanica) Sollecitazione semplice ataglitagli

ooUn corpo si dice sollecitato a tagli quando è sottoposto a una forza

applicata soltanto su una parte del corpo stesso, che tende, di che tende, di conseguenza, a scorrere rispetto all’altra parte, conseguenza, a scorrere rispetto all’altra parte, mantenuta fissa da una forza contraria.mantenuta fissa da una forza contraria.

Alcuni esempi: chiodature, cesoie, spine, ecc..


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indietro avanti


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Proprietà Tecnologiche

Le proprietà tecnologiche riguardano l’attitudine dei materiali a subire diversi tipi di lavorazioni meccaniche.

La misura delle proprietà tecnologiche è realizzata, con procedure non sempre unificate, utilizzando provette o campioni del materiale in esame.


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Proprietà TecnologicheSvariate sono le proprietà tecnologiche. Tra le più importanti possiamo annoverare:

• la malleabilità

• la duttilità

• la fusibilità e colabilità

• la saldabilità

• la piegabilità

• la truciolabilità


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