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29/04/2016
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SISTEMI DI PRODUZIONE
Dario Antonelli – Lezione A3
Introduzione alla 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
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Moduli del corso
A: I materiali
B: Formatura
C: Deformazione
D: Taglio e Controllo Numerico
E: Altri Processi
Introduzione al corso
Tecnologia di produzione
I materiali
La misura della durezza
Le prove meccaniche distruttive
Prove non distruttive
La meccanica dei materiali
Lezioni del Modulo A
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I metalli
Legame metallico
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
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
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Legame metallico
Ioni positivi
Nuvola elettronica negativa
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
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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
Cella elementare
• ferro-a (forma allotropica stabile <770°C)
• vanadio (V), molibdeno (Mo)
• tungsteno (W)
• cromo (Cr)
Cubica a corpo centrato (CCC)
• ferro-g (forma allotropica 910 - 1410°C)
• alluminio (Al)
• nichel (Ni), argento (Ag), piombo (Pb)
• cobalto-β (Co- β), rame (Cu)
Cubica a facce centrate (CFC)
• magnesio (Mg)
• zinco (Zn), cadmio (Cd), berillio (Be)
• cobalto- a (Co- a )
• titanio- a (Ti- a)
Struttura cristallina esagonale compatta
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Cristallo cubico a corpo centrato
Struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC): cella
elementare; modello teorico; cristallo con più celle elementari
Grano cristallino
Insieme di reticoli con medesimo orientamento
Prevalenza strutture policristalline
Dimensioni grano incidono su proprietà meccaniche
Esempio: dimensioni maggiori deformabilità
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Miscela
Un miscuglio è detto omogeneo se i suoi componenti non sono più distinguibili all'osservazione diretta e si presenta in un'unica fase
Un miscuglio omogeneo in cui una sostanza è in netta prevalenza rispetto alle altre prende il nome di soluzione
I miscugli omogenei possono essere separati solo attraverso passaggi di stato che coinvolgano i componenti in maniera differente
Un miscuglio è eterogeneo (o meccanico) se è costituito da due o più fasi
La sospensione è un esempio di miscuglio eterogeneo.
I miscugli eterogenei possono essere separati più facilmente dei miscugli omogenei, anche attraverso metodi meccanici
Soluzione solida
Sostanza costituita da una miscela solida omogenea
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
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Lega
Una lega è una combinazione, sia in soluzione o in miscela, di due o di più elementi, di cui almeno uno è un metallo
Una lega con due componenti è denominata una lega binaria; con tre è una lega ternaria; con quattro è una lega quaternaria
Le leghe hanno solitamente proprietà più desiderabili di quelle dei loro componenti
Per esempio l'acciaio (lega ferro-carbonio) ha una resistenza meccanica maggiore del ferro, l'ottone (lega rame-zinco) è più duro del rame
La temperatura in cui comincia la fusione è denominata solidus e quella in cui la fusione è completa è denominata liquidus.
Leghe con un singolo punto di fusione sono definite eutettiche.
I trattamenti termici
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Effetto del carbonio sulle proprietà
meccaniche
Diagramma Fe-C
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Diagramma Fe-C
GHISAACCIAIO
Diagramma Fe-C
Il diagramma Fe-C esprime le combinazioni (leghe) tra i due elementi Fe e C
Le leghe che hanno una percentuale di C fino al 2% sono acciai
Leghe oltre il 2% fino al 5% circa sono ghise
Leghe oltre il 5% di C non possono essere utilizzate come materiale da costruzione
Gli acciai sono arricchiti da altri elementi in lega che conferiscono caratteristiche particolari.
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Proprietà acciaio e ghisa
• Ottima plasticità → buona resilienza, buona malleabilità e duttilità
• Elevata resistenza a trazione, flessione e torsione
• Buona lavorabilità per asportazione di truciolo
• Buona colabilità
• Buona saldabilità
Acciaio
• Elevata durezza → ottima resistenza compressione e usura
• Ottima colabilità → molto adatta per getti
• Elevata fragilità → bassa resistenza flessione e torsione, bassa reilienza
• Ottima lavorabilità per asportazione di truciolo
• Non adatta a deformazione plastica
Ghisa
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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 riscaldamento senza
arrivare alla sua fusione e successivo raffreddamento
Alla base di molti trattamenti termici sta il diverso
comportamento di austenite e martensite
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Austenite
L'austenite è una soluzione solida primaria di tipo interstiziale di carbonio nel
ferro γ (il quale presenta un reticolo cubico a facce centrate o "CFC").
L'austenite è generalmente stabile solo ad alta temperatura (sopra i 723 °C)
Può contenere al massimo il 2,06% di carbonio alla temperatura di 1148 °C
La presenza nella soluzione solida, oltre al ferro e al carbonio, di altri metalli in
lega modifica la temperatura minima per ottenere l'austenite
Il molibdeno, il cromo e il silicio tendono a innalzarla, mentre il manganese e il
nichel tendono ad abbassarla.
Nel caso di acciai inossidabili austenitici, l'austenite è stabile a temperatura
ambiente.
Martensite
La martensite è una forma allotropica metastabile dell'acciaio, sovrassatura
di carbonio, nel reticolo del ferro α.
È una fase che non sussiste in equilibrio, ma può essere ottenuta mediante
congelamento strutturale dell'austenite per brusco raffreddamento
A temperatura ambiente sarebbe stabile la struttura perlitica, una miscela
etereogenea di ferro alfa e cementite (Fe3C)
il raffreddamento troppo rapido fa sì che la massa metallica "non riesca"
ad arrangiarsi nella struttura stabile ferritica
Le sue notevoli deformazioni reticolari, che ostacolano il movimento delle
dislocazioni, sono la causa prima dell'indurimento.
La martensite è una fase che presenta alta durezza e resistenza meccanica
ma elevata fragilità
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Principali trattamenti termici
Ricottura Tempra Rinvenimento
Bonifica Cementazione, nitrurazione
Normalizzazione
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I trattamenti termici
Tempo
° C
A3
A1
Temperatura di fine trasformazione in
austenite
Temperatura di inizio formazione
austenite
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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
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Tempo
° C
A3
A1
La ricottura
Raffreddamento lento in forno
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Tempo
° C
A3
A1
La ricottura
Raffreddamento veloce fino a temperatura
ambiente
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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
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Tempo
° C
A3
A1
La tempra
Raffreddamento veloce per ottenere
martensite
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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
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Tempo
° C
A3
A1
Il rinvenimento
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Tempo
° C
A3
A1
La bonifica
TEMPRA RINVENIMENTO
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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
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Tempo
° C
A3
A1
La normalizzazione
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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)
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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)
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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’alluminio
ossidazione controllata della superficie dell’alluminio
per immersione in soluzione acquosa
collegamento di un generatore di tensione all’anodo
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Trattamenti termici superficiali
Comprendono:
trattamenti di tempra superficiale
trattamenti di diffusione di un elemento nello strato
superficiale
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Trattamenti termici superficiali
Comprendono:
trattamenti di tempra superficiale
trattamenti 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
Proprietà tecnologiche
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Proprietà tecnologiche dei metalli
Deformazione plastica
Tribologia
Ricristallizzazione
Anisotropia
Lavoro di deformazione
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Scorrimento plastico nei metalli
Variazione della tensione tangenziale nello
scorrimento di un piano atomico sull’altro
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Modello ideale scorrimento plastico
La deformazione avviene sotto l’azione di
forze di taglio lungo i piani di scorrimento
Difetti puntuali in un reticolo cristallino46
Autointerstiziale, vacanza, interstiziale, sostituzione
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Difetti lineari: dislocazioni47
Modello reale scorrimento plastico48
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Modello di attrito
Superficie nominale (Sn) e superficie reale (Sr) di contatto
Meccanismi di attrito nei processi di
produzione
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Tribologia
Definizione di tensione tangenziale di attrito:
Modello di Coulomb (coefficiente di attrito):
Modello dell’adesione (fattore d’attrito):
n
attritoa
S
F
pa
3
Yma
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Tribologia
p
a
3
Ym
3
mY
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Ricristallizazione
Formazione di una nuova struttura cristallina senza
tensioni residue
Avviene solo a temperature elevate
Il tempo di ricristallizazione diminuisce al crescere
della temperatura
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Ricristallizazione
Ricristallizazione statica e dinamica
Più il materiale è stato deformato più piccolo
diventa il grano con la ricristallizazione
L’anisotropia rimane dopo la ricristallizazione
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Recrystallization and Grain Growth
Schematic illustration of the
effects of recovery,
recrystallization, and grain
growth on mechanical
properties and on the shape
and size of grains.
Note the formation of small
new grains during
recrystallization
Deformazione plastica dei grani
I grani si allineano lungo la direzione normale alla deformazione.
Orientamento preferenziale dei grani
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Anisotropia
La deformazione plastica allunga il grano in una sola direzione
La resistenza meccanica ora dipende dalla direzione
Il materiale è detto anisotropo
Anche le proprietà fisiche vengono cambiate (permeabilità magnetica, resistenza elettrica)
Due tipi di anisotropia: cristallografica e orientazione delle fibre
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Il lavoro di deformazione
Il lavoro generato durante il processo di
deformazione può essere scomposto in:
lavoro di deformazione uniforme
lavoro ridondante
lavoro di attrito
cSpLVYL
LLLL
attrunif
attrridunif
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Generazione di energia termica
Il lavoro di deformazione plastica è irreversibile
Il lavoro di deformazione plastica viene
trasformato in:
calore per il 90%
energia di legame per il 10%
In condizioni adiabatiche il calore generato
provoca un aumento di temperatura del corpo,
altrimenti viene scambiato con utensili e macchina
utensile
I polimeri
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Polimeri
Il primo polimero sintetico fu la fenol-formaldeide,
un termoindurente sviluppato nel 1906 e chiamato
Bakelite.
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Proprietà dei polimeri
I polimeri sono caratterizzati da:
• bassi valori di densità;
• resistenza;
• rigidezza;
• bassa conducibilità elettrica;
• elevata resistenza agli agenti chimici;
• elevata versatilità d’impiego;
• facilità di lavorazione.
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Monomero
Il monomerocostituisce l’elemento
costruttivo di base dei polimeri
La maggior parte dei monomeri sono
materiali organici nei quali gli atomi di
carbonio sono legati con altri atomi quali idrogeno, ossigeno, azoto attraverso legami covalenti
Etilene
Un esempio di monomero è l’etilene (C2H4).
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Polimerizzazione
I processi di polimerizzazione sono molto complessi e
sebbene esistano numerose varianti, i due processi
fondamentali sono:
Polimerizzazione per condensazione
Polimerizzazione per addizione
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Polimerizzazione per condensazione
I polimeri vengono ottenuti attraverso la formazione di legami tra
due tipi di monomeri reagenti. Si ha la condensazione di acqua
come sottoprodotto della reazione.
Un esempio di polimerizzazione per condensazione è data dalla
formazione della bachelite.
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Polimerizzazione per addizione
I legami hanno luogo senza sottoprodotti di reazione. Perché
la reazione avvenga, è necessario introdurre un iniziatore per
aprire il doppio legame tra gli atomi di carbonio.
I monomeri di etilene si legano mediante una polimerizzazione
per addizione per formare il polietilene.
Catene polimeriche
Nel corso della polimerizzazione, i monomeri vengono uniti
attraverso un legame covalente formando così una catena
polimerica.
Le catene polimeriche possono avere strutture differenti.
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I polimeri
• materiali termoplastici
• materiali termoindurenti
• elastomeri
Si possono distinguere 3 categorie di polimeri:
Struttura dei polimeri
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Materiali termoplastici
Per essere portati allo stato di plastificazione e modellati, richiedono
calore. Il polimero ritorna alla sua originale durezza se viene
successivamente raffreddato; in altre parole, gli effetti del processo
sono reversibili.
Cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento dei termoplastici
possono causarne la degradazione (invecchiamento termico).
Un esempio di polimero termoplastico è il polistirene:
Materiali termoindurenti
Quando le lunghe catene di un polimero vengono reticolate nelle tre
dimensioni, la struttura diventa un’unica molecola gigante con forti
legami covalenti (polimeri termoindurenti). Reazione di reticolazione
irreversibile: un successivo riscaldamento non modifica la forma.
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Elastomeri
Gli elastomeri sono materiali in grado di
recuperare in modo sostanziale le dimensioni e la
forma originaria dopo che un carico, ad esso
applicato, è stato rimosso.
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La vulcanizzazione
Lo zolfo crea un legame di saldatura forte fra le
macromolecole della gomma naturale
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Il processo di solidificazione
Volu
me s
peci
fico
Tg Tm
T °C
Solido vetroso
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Il processo di solidificazione
Volu
me s
peci
fico
Tg Tm
T °C
Liquido visco-elastico
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Il processo di solidificazione
Volu
me s
peci
fico
Tg Tm
Liquido viscoso
T °C
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Il processo di solidificazione
Volu
me s
peci
fico
Tg Tm
T °C
Termoplasticiamorfi
Termoplasticicristallini
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• Tg < T esercizio
Un polimero termoplastico
amorfo
• T esercizio < Tg rigidezza
• T esercizio > Tg deformabilitàUn polimero
termoindurente
Requisiti di un materiale polimerico
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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)
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Sommario della lezione
La struttura metallica
Il reticolo cristallino
I metalli: tipologie
I metalli: i trattamenti termici
I materiali polimerici