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PROPRIETA’ DEI MATERIALI E LORO APPLICAZIONE DI DESIGN
SPECIFICA
(indicazione proprietà meccaniche complessive e superficiali,
termiche, elettromagnetiche, caratteristiche di servizio,ecc.)
LINGUAGGIO TECNICO SUI MATERIALI
COMUNICAZIONE EFFICACE DELLE NECESSITA’ DI DESIGN
SISTEMI DI TRAZIONE DEI MATERIALI
PROVINI A TRAZIONE DI ACCIAIO
PRIMA E DOPO LA PROVA
N.B. Dalla misura della forza e dello spostamento (deformazione)
si ottiene l'energia assorbita dal materiale.
I sistemi di trazione dei materiali
(tecnicamente la prova più semplice da effettuare sui metalli ed i polimeri)
si servono di attuatori tipicamente idraulici
(a vite senza fine o martinetto) per consentire il movimento della testa
ATTUATORI
Gli attuatori hanno per scopo la trasformazione
di una pressione di un liquido (att. idraulici) o di
quella dell'aria compressa (att. pneumatici)
in un movimento lineare: oppure possono essere
piezoelettrici (vedi sopra)
Attuatore pneumatico
POLPO (Octopus Vulgaris) COME ESEMPIO DI SISTEMA DI
ATTUAZIONE BIOLOGICO
Movimento finale della zampa in funzione
del rapporto indicato tra la forza ventrale e
quella dorsale del muscolo. .
A Movimento reale del polpo verso un obiettivo
B Movimento neurologico della sola zampa
C Modellizzazione lineare del movimento
D Modellizzazione non lineare del movimento
Il polpo viene intensamente studiato per esempio nella robotica
onde assicurare un'attuazione in tempi molto brevi e con forze
relativamente modeste (anche di pochi newton) che consente minore spreco
di energia e utilizzo di materiali con minori problemi di vibrazioni e rumori
ATTUATORI NATURALI TRA LE PIANTE
Anche nel mondo vegetale ci sono attuatori, che sfruttano la diversa pressione del fluido presente
nelle proprie cellule (principio naturale che è alla base anche. p.es., del movimento dei vermi)
Ci sono piante che aprono e chiudono le foglie
a seconda della temperatura e dell'umidità (per esempio la mimosa,
o l'acacia) per avere sempre la giusta quantità di sole e di acqua
La dionea ha un sistema di serraggio “automatico”
per catturare mosche e piccoli insetti di cui si nutre
INDICAZIONI OTTENUTE DA UNA PROVA DI TRAZIONE
Il caso più semplice è un comportamento
puramente elastico (proporzionalità fino a
rottura dello sforzo) applicato con la
deformazione ottenuta
«Ut tensio, sic vis»
(Hooke, 1678)
Conseguenze:
Fragilità e assenza di avvisaglie di rottura
σ=sigma, Δ=delta, ε=epsilon
FRAGILITÀ: ASSENZA DI STRIZIONE
La rottura fragile è caratterizzata anche dal fatto che la sezione non si riduce
(non c’è STRIZIONE: caso c.)
CAPSULE DENTALI
IN ZIRCONIA
SFERE DI ALLUMINA
(abrasivo)
Curva di trazione di un ceramico innovativo
(es. zirconia, allumina, carburo di silicio) (valori indicativi)
Nei ceramici la deformazione è spesso ai liniti
della misurabilità, specie nel caso di prove di trazione,
nelle quali la propagazione di un solo difetto porta a rottura.
Questo rende preferibili prove di flessione
TEORIA DI GRIFFITH (1920) E GERARCHIZZAZIONE
ROTTURA DI OBLO’ SU AEREO
Griffith studiò l’effetto dei difetti nella rottura
fragile del vetro e dei metalli, conseguentemente
all’allora incomprensibile fenomeno dello scoppio
degli oblò e teorizzò che avvenisse per il
raggiungimento di uno «sforzo critico».
Nel caso generale, studiato da Griffith, i difetti sono ellittici e la propagazione lungo l'apice
della cricca. Inoltre, lo sforzo reale, dato che la cricca è così “orientata” è molto più grande di
quello applicato sulla struttura, dipendendo dall'angolo dell'apice della cricca (più è stretto più
lo sforzo aumenta), e consentendo quindi il superamento del valore critico.
Notare che nelle strutture gerarchizzate, dove si parte dalla cellula, qualunque difetto nella
cellula non diventa mai abbastanza grande da poter superare il valore critico stabilito da
Griffith, per un effetto detto tensegrità.
TENACITÀ (SUSCETTIBILITÀ AI DIFETTI)
Provini per misura di tenacità
con intaglio (difetto artificiale)
MODI DI PROPAGAZIONE DEL DIFETTO
La tenacità è data approssimativamente
dall'area sotto la curva sforzo-deformazione,
nel caso di fessurazione serve a valutare quanto il
materiale si opponga alla crescita della cricca (difetto).
TENSEGRITÀ (termine coniato da Buckminster Fuller)
•
•
Equilibrio statistico tra le parti di una struttura in trazione
e le sue parti in compressione
“Ogni trasformazione lineare di una tensegrità è a sua volta
una tensegrità”
La tensegrità viene applicata in
natura, con sistema gerarchizzato,
fino alla nanoscala.
Consente di neutralizzare i difetti,
scaricando le tensioni nel punto di
crescita e/o di riparazione
dell'oggetto naturale di design.
La tensegrità porta a due importanti caratteristiche delle strutture naturali:
 Auto-assemblaggio (self-assembly)
 Auto-riparazione (self-healing)
RIDURRE L’INFLUENZA DEI DIFETTI: TEMPRA DEL VETRO
FORNO A CONVEZIONE
PER TEMPRA DEL VETRO
Per ridurre gli effetti dei difetti nel vetro su strutture,
si tagliano prima le lastre, poi le si riscalda a 640°C e le
si raffredda rapidamente con getti d’aria.
Questo processo (tempra del vetro) fa sì che il vetro sia
compresso esternamente e tirato all’interno,
producendo un effetto simile alla tensegrità di Fuller, e
quindi sia più resistente.
CRISTALLINO E AMORFO
I materiali ingegnerizzati
sono parzialmente
cristallini e parzialmente
amorfi (semicristallini), per
non essere troppo fragili.
Significative conseguenze del fatto di non essere completamente cristallini sono:
Che la loro temperatura di fusione non è esatta (tipo il ghiaccio puro che fonde
esattamente a 0°C), ma si ha un intervallo di fusione (o per meglio dire di
rammollimento)
Che il loro comportamento meccanico non è elastico fino a rottura
SIMMETRIA, GERARCHIZZAZIONE, CRISTALLINITA’:
LE DIATOMEE (strutture di silice)
Simmetria centrica
Simmetria pinnata
Diatomea con valve radiali Coscinodiscus
walesii e struttura “fotonica” dei pori
Altre simmetrie (per esempio, a stella)
Valve oblunghe con margini ondulati.
Visibili coste di rinforzo
MISURARE LE PROPRIETA’ MECCANICHE DELLE DIATOMEE:
NANO-INDENTAZIONE
Nanoindentazione delle diatomee e curve
forza-deformazione relative
I valori ottenuti sono puntuali e non globali:
per ottenere il valore dello sforzo occorrerebbe
misurare lo spessore e moltiplicarlo
per la dimensione della punta d’indentazione,
ma questo non è sempre facile.
COMPOSITI CERAMICI NATURALI: MOLLUSCHI BIVALVA
Ci sono compositi a matrice polimerica,
ceramica e metallica (alluminio)
Questa struttura, detta lamellare incrociata, con tre strati di spessore uniforme,
ricorda l'allineamento delle fibre nel legno, delle barbule nelle piume o i compositi
cross-ply (con fibre orientate a 0° e 90°), ed è quindi tendente ad una quasi-isotropia
COMPOSITI POLIMERICI FIBRA-MATRICE: CARATTERISTICHE
No sacche di resina
Impregnazione della matrice
(polimero)
No fibre poco impregnate
o scoperte
Reologia del polimero
(scorrimento viscoso)
VETRO
CARBONIO
KEVLAR
BASALTO
VEGETALI
(p.es. lino)
QUASI-ISOTROPIA PER SOVRAPPOSIZIONE DEGLI EFFETTI
ORTOTROPO: Con proprietà costanti lungo ciascuna delle tre direzioni principali (x, y, z)
Considerare i laminati compositi come quasi-isotropi in funzione della direzione delle fibre in
ogni strato trascura il contributo dell'interfaccia fibra-matrice e dell'adesione variabile tra i
diversi strati, ovviamente dipendente anche dal tipo di processo adottato per la laminazione
COMPORTAMENTO A TRAZIONE POLIMERO
SEMI-CRISTALLINO
La parte amorfa consente la deformazione del polimero a partire
da una disposizione di minima superficie esposta ad una di massima
superficie esposta e quindi massimo allungamento
RIEPILOGO SU ALCUNI CONCETTI
•
ELASTICITÀ:
Resistenza alla deformazione. Un materiale elastico ha un basso livello di
deformazione plastica (non recuperabile) quando viene applicata una forza
(per esempio di trazione)
•
DUREZZA:
Resistenza alla penetrazione (superficiale). Si misura «indentando», cioè
premendo con forza il materiale contro uno più duro.
•
TENACITÀ:
Resistenza alla penetrazione della cricca (difetto). Un materiale tenace non si
fessura facilmente (o non lascia facilmente propagare o coalescere i difetti
esistenti) quando è soggetto ad una forza improvvisa (impatto)
•
DUTTILITÀ:
Un materiale duttile fornisce delle indicazioni macroscopiche sulla prossimità a
rottura del materiale (principalmente un’evidente strizione), a differenza di un
materiale fragile che si rompe senza evidenti «segnali» premonitori