Proprietà dei Materiali: Caratteristiche, Comportamento e Metodi di Test

1. Proprietà dei Materiali

Le proprietà di un materiale dipendono dalla sua struttura interna e ne determinano il comportamento durante il processo produttivo, oltre a essere utili per trovare applicazioni specifiche. Certo, noi li modifichiamo per differenziare la loro struttura interna, nel caso dei metalli legandoli tra di loro o sottoponendoli a trattamenti termici. Nella scelta del materiale si devono considerare le loro proprietà chimiche, fisiche, meccaniche, economiche ed estetiche. Mediante uno studio dettagliato delle proprietà fisiche e chimiche di atomi, molecole e composti, e utilizzando strumenti di progettazione assistita dal computer, è possibile progettare materiali con proprietà sorprendenti.

1.1 Caratteristiche Chimiche

L'interazione tra la materia e l'ambiente provoca la perdita o il danno delle proprietà. Gli effetti saranno diversi a seconda del materiale: metalli, ceramiche o polimeri.

a) Ossidazione

(Spostamento degli atomi dallo stato elementare per formare cationi)
Il materiale si combina con l'ossigeno. Reazione di ossidazione. Ag, Au o Pt non si ossidano, ma sono costosi per un utilizzo a livello industriale. L'alluminio si autoprotège. Legando il ferro con Cr o Ni, l'acciaio diventa inossidabile. Si possono utilizzare rivestimenti protettivi, zincatura o cromatura.

b) Corrosione

(Ossidazione in ambiente umido: lo strato di ossido viene sciolto e rimosso.)
Si verifica un lento deterioramento del materiale a causa dell'azione di un agente (O2) in presenza di acqua. Non si rivela essere un processo uniforme. Appaiono punti di corrosione in diverse parti del materiale.

1.2 Proprietà Fisiche

Sono dovute all'ordinamento spaziale degli atomi nei materiali.

a) Densità

Se d < 1 kg/m³ galleggia in acqua distillata. Peso specifico: rapporto tra il peso di una quantità di materiale e il volume che occupa.

b) Proprietà Elettriche

(Indicano la resistenza al passaggio della corrente elettrica quando i materiali sono esposti a una differenza di potenziale).
La resistenza elettrica di un materiale conduttivo dipende, tra gli altri fattori, dalla sua natura, ovvero dalla presenza di elettroni mobili e dal loro grado di mobilità sotto l'azione di un campo elettrico. Questa proprietà specifica di una sostanza è chiamata resistività.

• Isolanti
• Conduttori
• Semiconduttori
• Superconduttori

Nei Superconduttori, la resistività va a zero e la corrente passa senza opposizione per un periodo indeterminato (hanno molte applicazioni mediche). Il passaggio dallo stato normale a quello superconduttore avviene alla Tc (temperatura critica), che è correlata alle proprietà magnetiche del materiale.

c) Proprietà Termiche

Effetti del riscaldamento sui solidi: assorbimento, scambio di calore ed espansione o dilatazione.

• Coefficiente di dilatazione termica lineare: il materiale si espande aumentando la sua temperatura (se non vi sono cambiamenti di fase) a causa della maggiore vibrazione degli atomi e della conseguente maggiore separazione tra di loro. ΔL = L₀ (1 + αΔT), dove α è il coefficiente di dilatazione lineare.
• Calore specifico: energia assorbita per aumentare di 1 °C la temperatura di un materiale senza introdurre cambiamenti di fase.
• Temperatura di fusione: Quando si riscaldano i solidi, la vibrazione delle particelle aumenta e si verifica dilatazione. Se si continua ad aumentare la temperatura, l'entità della vibrazione è tale che la struttura del materiale si rompe, causando la fusione. Il punto di fusione è la temperatura alla quale avviene la fusione ed è accompagnato da un aumento di volume. Un punto di fusione più alto indica forze interatomiche più elevate che tengono insieme le particelle.
• Conducibilità termica: La trasmissione del calore per conduzione avviene attraverso i corpi dai punti a temperatura più alta verso quelli a temperatura più bassa ed è dovuta a collisioni di atomi e particelle tra di loro. La conducibilità termica indica il comportamento di ciascun corpo nel trasferimento di calore per conduzione.

d) Proprietà Magnetiche

Le proprietà magnetiche di un materiale rappresentano l'interazione con un campo magnetico. La magnetizzazione (M) è la risposta di una struttura atomica quando i dipoli permanenti o indotti si orientano con il campo magnetico (B). La suscettività magnetica (χm) è data da M/H. Il ciclo di isteresi descrive la relazione B-H.

• Diamagnetismo: Il campo magnetico applicato (B) induce un campo dipolare che si oppone a B, in modo che il campo magnetico all'interno del materiale sia più debole. χm < 0.
• Paramagnetismo: Il campo magnetico all'interno del materiale è leggermente più grande di quello applicato. I dipoli si allineano con B. χm > 0.
• Ferromagnetismo: χm >> 0. Presenza di domini magnetici. I dipoli permanenti si allineano con il campo B applicato.

e) Proprietà Ottiche

(Interazione di un materiale con la radiazione luminosa visibile). Quando la luce incide sulla superficie di un corpo: una parte viene riflessa, una parte viene trasmessa e una parte viene assorbita (aumentando la sua energia interna). Il colore di un corpo dipende dalla luce riflessa se il corpo è opaco, o dalla luce trasmessa se è traslucido o trasparente.

• Opaco: assorbe o riflette tutta la luce.
• Trasparente: trasmette la luce, è possibile vedere attraverso.
• Traslucido: lascia passare la luce ma non permette di vedere chiaramente attraverso.

Gli oggetti sono caratterizzati dal loro indice di rifrazione (n), che determina le proprietà ottiche di un materiale. n = c₀ / c (dove c₀ è la velocità della luce nel vuoto e c è la velocità della luce nel materiale).

2. Proprietà Meccaniche

Descrivono come un materiale sopporta le forze applicate, incluse le forze di trazione, compressione, impatto, fatica ciclica o ad alte temperature. Molti materiali, quando in servizio, sono soggetti a forze o carichi. In tali condizioni, è necessario conoscere le proprietà del materiale per la progettazione dello strumento che sarà utilizzato, in modo che le sollecitazioni a cui sarà sottoposto non siano eccessive e il materiale non si fratturi. Il comportamento meccanico di un materiale è un riflesso del rapporto tra la sua risposta o deformazione e una forza o un carico applicato.

a) Comportamento Elasto-Plastico

La capacità di un materiale di recuperare la sua forma una volta che la forza che lo deformava è scomparsa. In ogni solido, gli atomi occupano una posizione di equilibrio a causa della presenza di forze interne di coesione. Se si applica una forza esterna (FEXT), si verifica una deformazione. Se il materiale ritorna alla sua forma originale, la deformazione è considerata elastica; in caso contrario, è plastica. Nel caso della trazione: deformazione elastica immediata e reversibile per sforzo assiale. Per determinare l'elasticità e la plasticità di un materiale, si eseguono prove di trazione e compressione. In molti materiali, inclusi metalli e minerali, la deformazione è direttamente proporzionale allo sforzo.

b) Plasticità

Capacità di un materiale di conservare la sua nuova forma, una volta deformato. È fondamentale nei processi di formatura (soprattutto per i metalli), come la laminazione a caldo dell'acciaio o la formatura a freddo di lamiere per automobili.

c) Duttilità

(Capacità di un materiale di allungarsi in fili sottili).

d) Malleabilità

(Capacità di un materiale di essere deformato in lamine sottili senza rompersi).

e) Durezza

(Opposizione di un corpo a essere graffiato o penetrato = resistenza all'usura).

f) Tenacità

(Resistenza di un corpo che si oppone alla propagazione di cricche quando è sottoposto a deformazione lenta).

g) Fragilità

(Tendenza di un materiale a rompersi quando è sottoposto a un carico d'impatto). Nota: La resilienza è l'opposto della fragilità, indicando la capacità di assorbire energia prima della rottura.

h) Fatica

(Deformazione di un materiale in presenza di carichi variabili, al di sotto del carico di rottura statico, quando agiscono per un certo tempo o un numero di cicli).

i) Altre Proprietà Meccaniche

• Lavorabilità per asportazione di truciolo (facilità di essere lavorato per rasatura/taglio).
• Infragilimento (aumento di durezza e fragilità in alcuni metalli come conseguenza della deformazione a freddo).
• Colabilità (attitudine di un materiale a riempire uno stampo per fusione).

3. Tecniche di Misura e Test delle Proprietà

Esistono due tipi principali di test: distruttivi e non distruttivi (NDT). Esempi di prove non distruttive includono: raggi X, raggi gamma, ultrasuoni, particelle magnetiche, liquidi penetranti, correnti parassite, test magnetici e sonici. Secondo il metodo:

• Prove Chimiche: (composizione chimica e comportamento agli agenti chimici);
• Prove Metallografiche: (studio della struttura interna per valutare i trattamenti termici e meccanici: omogeneità, cricche, dimensione del grano in laminati, forgiati...);
• Prove Fisiche: (densità, punto di fusione, conducibilità elettrica e termica);
• Prove Meccaniche.

3.1 Prova di Durezza

3.1.1 Prova di Durezza per Graffio

• Test Martens: per misurare la larghezza della linea prodotta dalla punta di diamante piramidale.
• Test con la lima: (per l'acciaio dolce).

3.1.2 Prova di Durezza per Penetrazione

Tecniche quantitative basate sull'applicazione di un carico su una superficie, in condizioni controllate, e sulla misurazione della profondità o della dimensione dell'impronta.

• Prova Brinell: Sfera di acciaio temprato.
• Prova Vickers: Piramide a base quadrata.
• Prova Rockwell.

3.2 Test Dinamici: Resilienza o Prova d'Impatto

Obiettivo: Determinare l'energia assorbita dal campione per causare la rottura in un singolo colpo. Esempio: Pendolo di Charpy.

3.3 Prova di Fatica

Le parti sottoposte a sollecitazioni variabili (rotazione, piegamento o vibrazione), la cui grandezza e direzione si ripetono, possono rompersi con carichi inferiori al carico di rottura statico.

3.4 Prova di Scorrimento Viscoso (Creep Test)

Scorrimento viscoso (Creep): deformazione di un materiale che avviene nel tempo, a seconda della temperatura e della tensione costante o del carico a cui è sottoposto (es. pale di turbine).