Dilatazione termica

Esprime le variazioni di volume di un corpo solido, non soggetto a sollecitazioni meccaniche sensibili, per effetto di variazioni di temperatura.
La dilatazione può essere:

1. lineare (una dimensione prevalente come nei fili e nelle barre)
2. superficiale (due dimensioni prevalenti come nelle lamiere)
3. volumetrica (tre dimensioni prevalenti come nei solidi in genere)

Prendendo in considerazione il caso della dilatazione lineare, un corpo metallico rettilineo di lunghezza L0, in seguito ad un aumento di temperatura ΔT, subisce un allungamento ΔL dato da:

ΔL = αl · L0  · ΔT  [m]

dove αl = ΔL / (L0 · ΔT) [m/m · °C] rappresenta il coefficiente di dilatazione termica lineare (si ricava sperimentalmente).

Il coefficiente di dilatazione termica lineare indica l’allungamento subito da un solido lungo  1 metro per effetto dell’aumento di temperatura di 1 grado centigrado (o di 1 Kelvin).

Valori medi di αl tra 20° ÷ 100° sono: 0,000012 per gli acciai
0,000018 per il bronzo 0,000010 per la ghisa grigia.

Esempio: di quanto si allunga un binario ferroviario d’acciaio lungo inizialmente 18 m se la temperatura passa da 20 a 50 °C?.

ΔL = αl · L0  · ΔT
= 0,000012 · 18 · 30
= 0,00648 = 6,48 [mm]

Nelle costruzioni meccaniche la dilatazione termica si considera negli accoppiamenti soggetti a funzionare a temperature elevate e negli strumenti di misura; in fonderia è importante per la costruzione delle forme.

3)   Capacità termica massica (o Calore specifico)

E’ la quantità di calore che bisogna cedere all’unità di massa di una determinata sostanza per aumentare di un valore unitario la temperatura:

Q = Cm · ΔT · M  [J]

dove Cm = Q / (ΔT · M) [J / (kg · K)] rappresenta il coefficiente di capacità termica massica (che  una volta era detto “calore specifico”).

Il coefficiente di capacità termica massica rappresenta il calore espresso in J necessario per innalzare di 1 °C (o di 1 K) la temperatura di una massa di 1 kg di una determinata sostanza.

Per ciascuna sostanza la capacità termica massica non è costante ma varia sensibilmente al variare della temperatura. Per facilitare i calcoli si assumono valori medi relativi ad ampi campi di temperatura:

Per l’acciaio da 20 a 1150 °C si assume Cm = 685 [J/kg · K] Per la ghisa si assume Cm = 710 [J/kg · K]
Per bronzi ed ottoni si assume Cm = 375 [J/kg · K]

L’interesse pratico è quello di potere determinare la quantità di calore Q che deve essere somministrata ad una sostanza di massa M per riscaldarla (come per esempio nelle operazioni di stampaggio a caldo).

Esempio: Quanto calore occorre fornire ad uno spezzone di barra da stampare avente massa m = 2 [kg] per portarlo alla temperatura di 1100 °C?

Q = Cm · ΔT · M = 685 · 1080 · 2 = 1 479 600 [J] = 1 479,6 [kJ]

Temperatura di fusione

E’ la temperatura alla quale una sostanza passa dallo stato solido allo stato liquido. La trasformazione avviene con assorbimento di calore ed è quindi necessario fornirlo perché essa possa avvenire
Nei metalli puri e nelle leghe eutettiche la fusione (e la solidificazione) avvengono a  temperatura costante.
Le leghe non eutettiche hanno una temperatura di inizio fusione (o di solidificazione) ed una temperatura di fine fusione (o di solidificazione).

Calore massico di fusione

Per fare passare una massa M in kg di materiale dallo stato solido allo stato liquido, occorre fornire la seguente quantità di calore:

Q = Cm · (T2 – T1 ) · M + q · M  [J]

dove q [J] è il calore massico di fusione (o calore latente di fusione), è cioè una quantità di calore supplementare necessario per vincere le azioni molecolari del materiale, già portato alla temperatura di fusione, per trasformarlo definitivamente da solido in liquido.

Es.: qferro = 268 [kJ/kg]

Tale caratteristica è particolarmente importante nella saldatura e nella fonderia.

Esempio: Quanto calore bisogna fornire ad una massa di materiale ferrso m = 10 [kg] che fonde a 1535 [°C] per portarla a fusione?

Q = Cm · (T2 – T1 ) · M + q · M
= 685 · (1535 – 20 ) · 10 + 268 · 10
= 685 · 1515 · 10 + 2680 = 10 380 430 [J] = 10 380,43 [kJ]

Il calore latente verrà integralmente restituito durante la solidificazione (calore latente di solidificazione). Il passaggio liquido solido avviene cioè con sviluppo di calore.

4)   Conducibilità termica

Indica l’attitudine di un materiale a trasmettere il  calore. Ciò si verifica all’interno di un corpo tra punti a diversa temperatura.
Attraverso una lastra di Superficie S e di spessore s, tra le cui facce esiste una differenza di temperatura ΔT, nel tempo t passa una quantità di calore Q dato dalla relazione:

Q = (kt · S · ΔT · t) / s   [J]

dove  kt  =  (Q  ·  s)  /  (S  ·  ΔT ·  t)    [J  /  m  ·  °C  ·  s] é il coefficiente di conducibilità termica.

E’    il    caso    della    “Trasmissione    del    calore    per conduzione” e la legge suddetta è la Legge di Fourier.

Il coefficiente di conducibilità termica rappresenta la quantità di calore, espressa in J, che attraversa in 1 secondo una lastra di 1 m2 di superficie e spessore 1 metro, quando la differenza di temperatura tra le due facce è di 1 °C.

L’acciaio con carbonio 0,20 % ha kt = 83,7 MJ/m · °C Il rame ha kt = 372,2 MJ/m · °C
L’argento ha kt = 418 MJ/m · °C

L’argento ha la maggiore conduttività, il sughero la peggiore.

La conducibilità termica interessa molte costruzioni industriali per la scelta dei materiali buoni conduttori di calore (scambiatori, radiatori) o cattivi conduttori di calore. Questa caratteristica è particolarmente importante anche nella saldatura.

Esempio: calcolare la quantità di calore che attraversa in un’ora una struttura in alluminio (kt     =
218) di spessore 20 [cm] e superficie [1 m2] nota che sia la differenza di temperatura tra l’esterno e l’interno ΔT = 36 [°C] :

Q = (kt · S · ΔT · t) / s = 218 · 1 · 36 · 3600 / 0,2 = 1,41 [J]

in:

A seconda del valore della resistività i materiali per applicazioni elettrotecniche si    distinguono

1. conduttori (ρ limitata)
2. isolanti (ρ molto elevata)
3. semiconduttori (ρ intermedia tra quella dei metalli e quella degli isolanti)
4. superconduttori (ρ praticamente nulla)

PROPRIETÀ CHIMICHE

Riguardano il complesso dei fenomeni che si producono fra un materiale e l’ambiente in cui questo è posto.
Le reazioni, inizialmente superficiali e successivamente penetranti, danno luogo ad un apporto o ad un asporto di sostanza. Il problema è importante perché ha due aspetti, uno utile ed uno dannoso.

Aspetto utile

Studia le reazioni, provocate e controllate, fra il materiale e l’ambiente in cui viene posto allo scopo di ricoprirlo di una pellicola dotata di particolari ed utili proprietà.
Ricordiamo per esempio il decapaggio, la brunitura dell’acciaio ed altri trattamenti come la cromatura, la zincatura ecc.

1. Decapaggio: serve a liberare una superficie metallica dalle scaglie di ossidi che la ricoprono e che si sono formate in seguito ad un riscaldamento a temperatura elevata in presenza di ossigeno atmosferico (come avviene per esempio nella laminazione a caldo, la saldatura, lo stampaggio …).

Nel caso degli acciai, il decapaggio chimico viene compiuto mediante immersione del materiale in una soluzione costituita da acqua e acido cloridrico (10 %) o acqua con una miscela di acido cloridrico (10 %) e acido solforico (10 %) a temperatura di 60 ÷ 80 °C. Dopo il decapaggio si procede ad un lavaggio per eliminare le tracce di acido.

1. Brunitura dell’acciaio: serve a ricoprire l’acciaio con una sottile pellicola di ossido di ferro nero protettiva ed estetica.

E’ un processo di ossidazione anodica controllata, eseguita per semplice immersione del materiale in soluzioni calde di svariata composizione (es: acido nitrico).

1. Cromatura, nichelatura, zincatura: sono rivestimenti protettivi e/o decorativi ottenuti per deposizione elettrolitica su un metallo base (es.: acciaio)

Aspetto dannoso

Studia le reazioni fra l’ambiente ed il materiale, che provocano su quest’ultimo una progressiva distruzione. Da ciò la necessità della difesa del materiale (protezione dalla corrosione).
La corrosione è un’alterazione chimica che l’ambiente esterno può provocare sui materiali metallici. Può essere provocata da:
Reazioni chimiche, originate dall’affinità del metallo con l’agente corrosivo (liquido, aria);
Reazioni elettrochimiche, prodotte da correnti elettrolitiche che si generano tra zone superficiali di pezzi a potenziale più basso.
Il metallo viene corroso perché gli ioni metallici si spostano a causa della differenza di potenziale. In una struttura costituita da due metalli diversi, quello dei due che assume potenziale più basso (il meno “nobile”, che si comporta da anodo), è destinato a corrodersi.
Tra il ferro e lo zinco si corrode lo zinco.
Tra il ferro ed il rame si corrode il ferro.
Tale     tipo     di     corrosione     è     detta “Corrosione galvanica”.
Per   proteggere   i   materiali   ferrosi   è
necessario procedere ad una difesa dalla corrosione. Tra i metodi più diffusi di protezione dalla corrosione ricordiamo la zincatura, sia per immersione a caldo che elettrolitica, la verniciatura ed i rivestimenti con materiale plastico.

PROPRIETÀ TECNOLOGICHE

Indicano la maggiore o minore attitudine di un materiale ad essere lavorato in un dato modo. Ricordiamo:

1. Plasticità: un materiale si dice “plastico” quando, sottoposto a forze esterne, si deforma permanentemente senza rompersi. In particolare, è detto “duttile” quando può essere ridotto in fili, è detto “malleabile” quando può essere ridotto in lamine, è detto “piegabile” quando si lascia piegare a freddo senza screpolarsi o rompersi.

Materiali dotati di plasticità sono oro, argento, rame, ferro, piombo, alluminio, acciaio extra dolce.

1. Fusibilità: è l’attitudine di un materiale ad essere trasformato in un prodotto finito per via di fusione a temperature non eccessivamente elevate. In particolare, un materiale è “colabile” quando fornisce getti sani e compatti (senza soffiature) ed è fluido per costituire spessori anche sottili. Materiali adatti al getto sono le ghise, i bronzi e le leghe leggere (dell’alluminio) da fonderia.

1. Saldabilità: è l’attitudine di un materiale ad unirsi saldamente con un materiale uguale per mezzo di riscaldamento e fusione dei lembi o riscaldamento con rammollimento del materiale e pressione tra i pezzi. Sono maggiormente saldabili gli acciai a basso tenore di carbonio.

1. Truciolabilità: è l’attitudine che ha un materiale ad essere lavorato per asportazione di truciolo (tornitura, fresatura …). Per questo sono maggiormente lavorabili gli acciai a basso tenore di carbonio, gli acciai al piombo ed allo zolfo (acciai automatici).

1. Temprabilità: è l’attitudine di un materiale a subire (per effetto di riscaldamenti e successivi raffreddamenti più o meno rapidi) trasformazioni cristalline tali da ottenere una struttura   diversa   e,   quindi,   caratteristiche   meccaniche e

tecnologiche differenti. Temprabili sono per esempio gli acciai che hanno una percentuale di carbonio superiore allo 0,40 %.

Per “misurare” le proprietà tecnologiche dei materiali si effettuano sugli stessi delle prove tecnologiche. Alcune sono unificate, altre sono diffuse nella pratica di lavoro anche se  ufficialmente non sono riconosciute.
Ricordiamo la prova di imbutitura (UNI 4693), prove di piegamento (previste dalle norme UNI sui tubi), prove di fucinatura, prove di colabilità …

PROPRIETÀ MECCANICHE

Indicano l’attitudine di un materiale a resistere alle sollecitazioni esterne che tendono a deformarlo. Rappresentano, cioè, il comportamento dei materiali quando sono sottoposti alle sollecitazione d’impiego.

Tipi di sollecitazione

Si parla di sollecitazioni statiche quando la forza applicata è gradualmente crescente, da zero fino al suo valore massimo, per un tempo variabile da alcuni secondi a qualche minuto.
Le principali prove secondo questa caratteristica sono:

1. prove di Durezza (Brinell, Rockwell, Vickers)
2. prova di Trazione

Una sollecitazione viene definita dinamica quando la forza applicata alla provetta in esame è applicata per un brevissimo tempo, quasi istantaneo.
La prova dinamica più importante è quella effettuata tramite il pendolo di Charpy, che tende a misurare la resilienza, cioè la resistenza agli urti dei materiali.
Una sollecitazione è detta a fatica quando il materiale è sottoposto ad una successione di sollecitazioni dinamiche, dirette nello stesso senso oppure in senso variabile periodicamente.
A parità di carico applicato, il materiale resiste in modo ed in misura diversa ai vari tipi di sollecitazione esterna:
Rsollecitazione a fatica < Rsollecitazione dinamica   < Rsollecitazione statica

Quando una forza è applicata in una zona ristretta o puntiforme,  si parla di Forza concentrata.
Tra              due
superfici               di contatto di due corpi in
movimento, fra loro striscianti (attrito radente) o rotolanti      (attrito volvente),             si genera una Forza d’attrito.

Se un materiale è sottoposto ad una sola sollecitazione, la sollecitazione è detta semplice.
Quando il materiale è sottoposto a due o più azioni la sollecitazione è detta composta.
Supponendo di considerare il seguente provino, andremo ad analizzare le sollecitazioni semplici applicabili ad esso.

Il corpo subisce uno sforzo di trazione e/o compressione quando le forze esterne applicate sono parallele alle fibre assiali. C’è trazione quando le forze tendono ad allungare le fibre, viceversa se c’è compressione.

Si ha invece sforzo di flessione quando la forza esterna agisce su un piano perpendicolare all’asse del corpo e tende a “flettere” il corpo stesso, cioè a piegarlo.

Con “coppia” indichiamo due forze uguali ed opposte agenti su rette d’azione diverse e parallele, distanti fra loro da una grandezza detta braccio.

Se invece la nostra barra è sollecitata a sforzo di torsione, le sezioni trasversali rispetto l’asse saranno soggette a rotazione.

Infine rimane la sollecitazione a taglio, quando le forze applicate si riducono ad una risultante, il tutto in una sezione trasversale passante per il baricentro del pezzo.

Prova di trazione

La       prova       di trazione consiste nel sottoporre  un’apposita         provetta ad      un     carico    di trazione applicato con una    certa velocità d’incremento fino a provocarne la rottura. Il vero scopo della prova     é      quello    di determinare           le
caratteristiche di resistenza, elasticità e deformabilità.
La prova viene eseguita    con un’apposita macchina
che è in grado di registrare su un grafico l’entità dei carichi e degli allungamenti della provetta   presa in esame.

Prova di resilienza

La prova di resilienza consiste nel rompere con un solo colpo, attraverso una mazza a caduta pendolare, la provetta intagliata        e
opportunamente posizionata sul pendolo di Charpy.
Oltre a determinare l’energia spesa per la rottura  del  provino,  si
possono osservare e studiare le sezioni dei provini lungo l’intaglio per poter trarre delle conclusioni riguardo la duttilità o fragilità del materiale.

Prova di durezza

La durezza può essere definita come una resistenza alle sollecitazioni di piccole porzioni di materia che tendono ad essere spostate localmente.
La durezza è una proprietà del materiale e dipende dalle strutture cristalline e dalla elasticità dello stesso. Nelle leghe metalliche la durezza aumenta ad opera del possibile incrudimento provocato da lavorazioni meccaniche o da trattamenti termici.
Tra le prove di durezza, ricordiamo: durezza Brinell, Rockwell e Vickers.

PROVA DI DUREZZA BRINELL (secondo UNI 560-75 e UNI EN ISO 6506)

La prova di durezza Brinell fu ideata dall’ingegnere svedese J. A. Brinell verso il 1900. Essa risulta attendibile per durezze < 450 HBS.
HBS é il simbolo che caratterizzava tale tipo di prova, eseguita mediante un “penetratore” sferico in acciaio al carbonio temprato.
Nel caso si utilizzi come penetratore una sfera di metallo duro, come oggi previsto dalla normativa, il simbolo della durezza Brinell è HBW. La sfera in metallo duro era prima usata per i materiali con durezza Brinell fino a 650.

La prova viene effettuata mediante un “durometro”, capace di applicare una o più determinate forze, grazie alla predisposizione rapida del carico di prova mediante un selettore a pulsanti posto generalmente nella parte laterale o frontale dell’incastellatura della macchina. Nella parte superiore uno schermo translucido permette la visualizzazione e la misurazione, tramite regolo graduato, dell’impronta ingrandita.

La figura a lato rappresenta il durometro Karl  Frank detto “Francoscopio” che, oltre alla predisposizione rapida mediante pulsanti del carico, permette, grazie ad un dispositivo      a      revolver      che
sostituisce il penetratore con un obiettivo senza alcun spostamento del provino, la proiezione dell’impronta sul vetro smerigliato dello schermo translucido.
Solidale a quest’ultimo é un regolo graduato che consente la misura del diametro dell’impronta, senza dover ricorrere all’uso di microscopi misuratori delle impronte.

I carichi disponibili nel durometro Frank, in kg, sono:

1 – 2 – 3 – 5 10 – 15,625 – 20 – 30 – 31,25 – 40 – 50 62,5  –
100 – 125 – 150 – 187,5 – 250.

Si definiva numero di durezza Brinell (HBS), il rapporto fra il carico di prova P e la superficie dell’impronta della calotta sferica S, lasciata dalla sfera sul pezzo:

P
HBS =
S

[kgf/mm2]

Con l’introduzione del Sistema Internazionale SI, il carico si indica con F e si esprime in [N]. Il Comitato Tecnico dell’ISO ha comunque deciso che l’introduzione del SI non doveva comportare variazioni dei valori esistenti della durezza e, sempre nel 1975, ha abolito l’unità di misura dimensionale della durezza Brinell, i cui valori sono quindi oggi numeri adimensionali (UNI EN

ISO 6506). Per questo, ha introdotto il fattore di conversione 0,102. L’espressione precedente, considerando anche il penetratore sferico in carburo metallico sinterizzato,

Carichi di prova

Il carico da applicare si sceglie in funzione del diametro della sfera e del materiale di prova, come indicato nella seguente tabella:

In mancanza di tabelle può essere utilizzata la seguente formula:

F = K · D2
dove D é il diametro della sfera e K un coefficiente che dipende dal materiale del provino. Per quanto riguardo il coefficiente K, si ha:
K = 30 per i materiali ferrosi
K = 20 per gli acciai extra dolci K = 10 per le leghe leggere
K = 5 per bronzi e ottoni K = 2,5 per metalli teneri
K = 1,25 per metalli tenerissimi (stagno e sue leghe) K = 0,5 per il piombo

Diametro delle sfere: Vengono normalmente usate sfere di diametro 10 - 5 - 2,5 - 2 e, più raramente, 1 mm.

Condotta della prova mediante durometro universale Frank

1. si posiziona il provino del materiale di cui si vuol conoscere la durezza sull’apposito supporto;
2. si seleziona il carico prestabilito premendo il pulsante corrispondente;
3. si abbassano le due leve poste lateralmente, in modo che il penetratore si posizioni perpendicolarmente alla superficie del provino;
4. si avvicina il pezzo da testare al penetratore (per facilitare tale operazione si ha a disposizione un apposito rilevatore   che   assicura,   con   un   minimo   movimento

dell’indicatore, l’avvenuto contatto tra penetratore e pezzo);

1. si rilasciano le leve, finora tenute basse, e dal momento in cui queste raggiungono l’arresto superiore (che stabilisce il raggiungimento in modo graduale del carico applicato in 2 – 8 secondi)  si cronometrano 15 secondi (il tempo in cui deve restare applicato il carico), al termine dei quali velocemente si allontana il pezzo dal penetratore.

Si passa poi alla fase di misurazione dei diametri di ogni impronta. Per ognuna delle impronte si posiziona il provino con l’impronta stessa in corrispondenza del puntino luminoso proveniente da una piccola lampadina posta a fianco del penetratore nella condizione di leve alzate. Un microscopio integrato al durometro ingrandisce l’area dell’impronta proiettandola su un piccolo schermo. Solidale a questo c’é un righello mobile che permette di misurare i diametri ortogonali dell’impronta. E’ bene misurare due volte, in maniera ortogonale, il diametro dell’impronta e, quindi, assumere un valore medio.

Indicando con:

D, d, h, rispettivamente il diametro della sfera, il diametro e la profondità dell’impronta, la superficie della calotta sferica in funzione della profondità, è data da:

S = π · D · h [mm2]

Dal triangolo rettangolo AOB, detto “k” il cateto maggiore e “d/2” il cateto minore, risulta:

h = D/2 – k

dove, con Pitagora, k =

Quindi: h = [D-√(D2-d2)] / 2

Trovato “k” e quindi “h”, sostituita nella formula che dà il valore di S, precedentemente indicata, si ottiene la superficie dell’impronta in funzione del diametro della sfera e della profondità dell’impronta.

Il diametro dell’impronta può essere misurato con il regolo o con un microscopio, che dà una misura più esatta.

Si consiglia di effettuare le prove lungo un diametro del provino e di assumere come diametro dell’impronta il valor medio dei diametri ortogonali di almeno tre impronte.

La temperatura di prova deve essere compresa tra 10 e  35 [°C].

Lo spessore del provino su cui si effettua la prova deve essere:

s ≥ 8 h (con h la profondità dell’impronta).

La superficie su cui vengono effettuate le prove deve essere spianata con cura in modo da non creare riscaldamenti che possano modificare le caratteristiche del materiale. Essa deve essere liscia  e pulita perché le eventuali impurità potrebbero creare difficoltà nella lettura delle impronte e ostacolo alla penetrazione.
La prova, data l’ampiezza dell’impronta, non si può eseguire su superfici cilindriche.

Il carico è applicato gradualmente in modo che raggiunga il valore massimo in un tempo di 2 ÷ 8 secondi e deve rimanere applicato per altri 10 ÷ 15 secondi.

Nella zona intorno ad una impronta il materiale risulta incrudito per cui la sua durezza è aumentata; pertanto eventuali misure in vicinanza di un impronta  darebbero luogo a valori sfalsati di durezza. Anche in vicinanza dei bordi si possono rilevare misurazioni errate a causa del cedimento del materiale. Per evitare queste cause d’errore le norme UNI prescrivono che tra il centro di due impronte e tra il centro di un’impronta e il bordo del pezzo deve  esserci una certa distanza minima  (funzione