materiali - (2h).pdf · classificazione secondo uni eu 27 –acciai designati in base alle...

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI BERGAMO 1

Materiali

Prof. Davide Russo

Dipartimento di Ingegneria

Knowledge

Aided

Engineering

Manufacturing and

Related Technologies

DISEGNO TECNICO INDUSTRIALE



Nella lezione precedente

Introduzione sui collegamenti smontabili non filettati

Chiavette

Linguette



... in questa lezione

Concetti generali

Materiali

– Acciaio, Ghisa, Alluminio, Rame, etc.

Designazione dei materiali



Dal materiale dipendono:

– le caratteristiche di resistenza e di durata del pezzo

– il procedimento tecnologico di produzione

– l’aspetto con cui si presenta all’utilizzatore

– la possibilità di riciclo o l’eliminazione al termine del ciclo di vita

– il costo

Lo studio dei materiali, dei criteri di scelta, dei trattamenti termici e delle lavorazioni non è un obiettivo di un corso di Disegno tecnico industriale

Cenni sui materiali e sulla indicazione nei disegni

Concetti generali (1/5)



Materiali più comunemente utilizzati nelle costruzioni

meccaniche:

– metalli ferrosi (acciai, ghise, super leghe a base Fe)

– metalli non ferrosi (Al, Cu, Ni, … e loro leghe)

– polimeri (materie plastiche, termoplastiche e termoindurenti)

– elastomeri (gomme naturali e sintetiche)

– compositi

– ceramici, vetri, carbonio, …

La scelta dei materiali dipende da numerose esigenze

– disponibilità, peso, possibilità di lavorazione, caratteristiche

elettriche, magnetiche, termiche, resistenza a corrosione, ...




La scelta dei materiali dipende …

– resistenza meccanica capacità di un materiale di non

rompersi sotto l’azione di determinate forze che lo

sottopongono a sollecitazioni:

* di trazione, di compressione, di taglio, di flessione e di torsione

* stabili nel tempo (statiche), variabili istantaneamente (urti) o

ripetutamente nel tempo (sollecitazioni dinamiche, di fatica), a

freddo o a caldo

– resistenza meccanica resistenza a trazione





Resistenza a trazione

Provino

F forza agente in

senso assialeDiagrammi sforzi

deformazioni



Parametri meccanici significativi– sforzo (carico unitario) di rottura R

(sr)

– sforzo (carico unitario) di snervamento S (ss)

– modulo di elasticità o di Young

– allungamento percentuale a rottura A

– resilienza (o resistenza all’urto) K lavoro necessario per spezzare un provino indice della fragilità del materiale

– durezza superficiale valutata mediante l’impronta lasciata da un penetratore di forma diversa (durezza Brinell HB, Rockwell HRC, Vickers HV)




Leghe metalliche costituite essenzialmente da ferro con

carbonio fino al 2% ed eventuali aggiunte di altri elementi in

percentuali variabili a seconda delle caratteristiche che si

vogliono ottenere

Gli acciai sono i principali materiali da costruzione grazie

alle caratteristiche di

– resistenza

– lavorabilità

Hanno caratteristiche variabili in funzione:

– della composizione

– dei trattamenti termici

Acciai



I trattamenti termici modificano la struttura del materiale

Acciai – Trattamenti Termici (1/5)



I principali trattamenti termici sono:

– ricottura (e normalizzazione)

si effettua dopo fusione o fucinatura, prima di lavorazioni

meccaniche, per rendere il materiale omogeneo e lavorabile;

consiste in un riscaldamento a temperatura elevata con

successivo raffreddamento lento, in forno o in aria

– tempra

riscaldamento a temperature fra gli 800° e i 900° C seguito

da raffreddamento rapido in acqua o olio; rende l’acciaio

molto duro e resistente ma piuttosto fragile




– rinvenimento

riscaldamento intorno ai 500°-600 °C, dopo il trattamento di tempra, per eliminare parzialmente gli effetti di questa; migliora resistenza e tenacità, riducendo durezza e fragilità

– bonifica

trattamento di tempra seguito da rinvenimento

– distensione

riscaldamento a temperatura non superiore a 200 °C, per eliminare tensioni interne dovute ai trattamenti precedenti

– termochimici di arricchimento superficiale

trattamenti a determinate temperature in ambienti in grado di cedere elementi allo strato superficiale dei pezzi, in modo da modificarne le caratteristiche, con i sottostanti invariati




trattamenti termochimici di arricchimento superficiale (non

confondere con deposizione superficiale di materiali, es.

cromatura)

– cementazione

arricchimento superficiale di carbonio, seguito da tempra

provoca un indurimento della superficie (e quindi una maggiore

resistenza all’usura)

– carbonitrurazione

arricchimento superficiale di carbonio e azoto

– nitrurazione

arricchimento superficiale di azoto

– sulfinizzazione

diffusione di zolfo e formazione superficiale di solfuri di ferro




Ulteriori trattamenti superficiali di indurimento

– tempra superficiale

riscaldamento degli strati superficiali mediante fiamma od

induzione

– deformazioni a freddo (rullatura, pallinatura)

migliorano la resistenza a fatica

Acciai – Trattamenti Termici 5/5)



Per tipologie che richiedono un trattamento termico è

prevista l’indicazione degli elementi di lega

Quando non sono previsti trattamenti termici è

presente l’indicazione di altri dati quali la resistenza a

trazione, od altre caratteristiche meccaniche

Classificazione secondo UNI EU 27

– acciai designati in base alle caratteristiche meccaniche o

di impiego

– acciai designati in base alla composizione chimica

Acciai – Designazione (1/9)



Acciai designati in base alle caratteristiche meccaniche

Fe valore del carico di

rottura a trazione

minimo garantito in

N/mm2

E + carico di

snervamento (limite

delle deform. elastiche)

G per getti + carico di

rottura

( A B C D) crescente

insensibilità alla

frattura fragile

(crescente idoneità

alla saldatura)

(numero)

per spec. qualità

(simbolo el. chimico)

aggiunto per dare

particolari

caratteristiche

Es. Fe 410 - Fe E 355 - Fe G 360 - Fe 440 Pb - Fe 440 D - Fe G 360-1




Acciai designati in base alle caratteristiche di impiego

Fe lettera numero

(impiego)

Es. Fe B 2

B = acciao per cemento armato




Acciai designati in base alla composizione chimica

– acciai non legati

* per cui è previsto un trattamento termico

* per impieghi particolari

– acciai legati

* debolmente legati (nessun elemento di lega > 5%)

* fortemente legati (almeno un elemento di lega > 5%)




Acciai non legati - trattamento termico

C % carbonio x 100 (simbolo el. chimico per carat. part.)

Es. C 40 C 30 Cr

C % carbonio

x 100

(simbolo el. chimico

per caratt. part.)

lettera indicante

impiego

D per vergella

B per bulloneria

G per getti Es. C G 20


Acciai non legati per usi particolari



Acciai legati

debolmente legati (nessun elemento > 5%)

% carbonio

x 100

simbolo principali

el. di lega

(G )

per getti

tenori percentuali

x 4 x 10 x 100

x 1000

Co, Cr, Mn, Ni,

Si, W

x 4

Al, Be, Cu, Mo,

Nb, Pb, Ta, Ti, V,

Zr

x 10

N, P, S

x 100

B

x 1000

Es. 18 Ni Cr 16




Acciai legati

fortemente legati (almeno un elemento > 5%)

X % carbonio x 100

– gli elementi sono indicati in ordine decrescente di presenza

– i tenori percentuali sono riportati tali quali

– la lettera G precede eventualmente la X

Es. X 200 Cr 13 - G X 15 Cr 13


simbolo principali

el. di lega

tenori percentuali




Per tutti gli acciai:

la sigla può essere seguita da due lettere che indicano:

– un particolare requisito

– una ulteriore specificazione del requisito

R finitura superficie M opaca

R rugosa

L liscia

N lucida




Per tutti gli acciai– la sigla deve necessariamente chiudersi con il riferimento alla

norma

Es. X 200 Cr 13 KU UNI 2955

la sigla KU indica che l’acciaio in questione è adatto alla costruzione di utensili

La designazione degli acciai è in continua rielaborazione per l’armonizzazione delle normative internazionali



Acciai non legati (acciai comuni)

– acciai dolci

C tra 0.1% e 0.2%, R tra 350 e 500 N/mm2, per pezzi poco o

mediamente sollecitati, possibilità di cementazione

– acciai semiduri

C fino a 0.5%, R fino a 800 N/mm2, pezzi mediamente sollecitati,

trattamento di bonifica

– acciai duri

C fino a 0.6%, R fino a 900 N/mm2, pezzi fortemente sollecitati ma

senza urti e flessioni, trattamento di bonifica

– acciai extraduri

C oltre 0.7% e 0.2%, R fino a 1200 N/mm2, per utensili e simili,

durissimi ma fragili

Acciai – Classificazione (1/4)

Classificazione in base alla pratica quotidiana



Acciai legati (o speciali)

– da costruzione

da bonifica, da cementazione, da nitrurazione, per tempra superficiale, per molle, per cuscinetti

Es. C 25 UNI EN 10083 - C 45 UNI 8787/7874 - 41 Cr 4 - 36 Cr Mn 5 50 Cr V 4 - 42 Cr Mo 4 - 39 Ni Cr Mo 3 acciai da bonifica

C 10 UNI 7846/8550 - C 15 - 12 Ni Cr 3 - 16 Cr Ni 4 acciai da cementazione

– per utensili

caratteristica fondamentale è la durezza anche alle alte temperature conferita da elementi quali Cr, W, Mo; Mn migliora la temprabilità; V e Co la stabilità strutturale

Es. C 100 KU UNI 2955 - X 205 Cr 12 KU - 55 Ni Cr Mo V 7 KU X 30 W Cr V 5 3 KU




Acciai legati (speciali)

– inossidabili

non subiscono ossidazioni per la presenza in percentuali elevate di

Cr e Ni; C < 0.2%; Mn, Si, Mo, Ti contribuiscono a resistenza a caldo,

durezza, …

* martensitici temprabili, Cr fino a 13%

* ferritici non temprabili, Cr dal 14% al 30%, stampabili, magnetici

* austenitici Ni dal 6% al 22%, Cr dal 16% al 28%, resistenti agli urti e

alla corrosione, amagnetici

Es.: X 30 Cr 13 UNI 6900 martensitico

X 8 Cr 17 UNI 6900 ferr. - X 10 Cr Ni 1809 UNI 6900 aust.

– per applicazioni particolari

resistenti alle °t elevate, per applicazioni criogeniche, per valvole, al

Pb e/o S per migliorare la lavorabilità, …




Acciai per uso generale (indicati in base alla resistenza)

sono commercializzati

– con svariate forme lamiere, barre, tubi, profilati (a L, a T, …)

– per particolari lavorazioni imbutitura, tranciatura, …

La normativa prevede tabelle non tanto per i materiali quanto

per i semilavorati

Molti produttori indicano i materiali con sigle proprie




Leghe di ferro e carbonio in percentuali tra il 2% e il 6%

Possono essere presenti altri elementi per conferire

particolari caratteristiche (Si, Mn, …)

Carbonio presente non solo combinato ma anche sotto

forma di grafite, come lamelle o noduli

Le ghise sono lavorate prevalentemente per fusione

Ghise (1/9)



Classificazione

(sulla base della ripartizione fra carbonio allo stato di grafite oppure combinato)

– ghise grigie: 3 3,5 % C lamellare, 1,5 % Si

– ghise bianche: C è presente prev. come carburi di ferro

– ghise malleabili

– ghise sferoidali

– ghise meehanite, aciculari, ...

Ghise (2/9)



Caratteristiche meccaniche

– temperatura di fusione

1100 °C per ghisa bianca

1200 °C per ghisa grigia (però è più lavorabile)

– elevata colabilità

– durezza

ghisa grigia: mediocre buona lavorabilità alle m. u.

ghisa bianca: elevata

– resistenza

compressione: elevata

trazione: ridotta (per incrementarla: elementi in lega, trattamenti

termici)

limite di fatica: elevato (rispetto a quello di trazione)

elevata capacità smorzante di vibrazioni

buona resistenza alla corrosione

Ghise (3/9)



Trattamenti termici

agiscono sul carbonio combinato, non hanno effetto su quello grafitico

– ricottura a bassa temperatura per eliminare le tensioni interne che si realizzano durante il raffreddamento per le differenze di spessore

riscaldamento a 500 650 °C, raffreddamento lento

durata 4 6 ore

non incide sulla durezza e sulla lavorabilità

– ricottura ad alta temperatura per migliorare la lavorabilità (anche per malleabilizzazione ghisa bianca)

riscaldamento a 900 1000 °C

altro tipo di ricottura 850 900 °C su ghisa grigia per ottenere la ghisa sferoidale

– bonifica

trattamento utilizzato per la ghisa sferoidale

– nitrurazione

segue la bonifica e conferisce elevata durezza superficiale

Ghise (4/9)



Tipo Denom. Rif.UNI R N/mm2 A % HB

grigia 100 ISO 185 100

“ 150 “ 150

“ 200 “ 200

“ 250 “ 250

“ 300 “ 300

“ 350 “ 350

mall. bianca W 35-04 ISO 5922 350 4 230

mall. nera B 35-10 “ 350 10 150

mall.perlitica P 50-05 “ 500 5 220

sferoidale 400-15 ISO 1083 400 15 265

sferoidale 700-2 “ 700 2 155

Ghise (5/9)



Tipo Denom. R kg/mm2

grigia G 10 UNI 5007-69 10

“ G 15 UNI 5007-69 15

“ G 20 UNI 5007-69 20

“ G 25 UNI 5007-69 25

“ G 30 UNI 5007-69 30

“ G 35 UNI 5007-69 35

Tipo Denom. HB

grigia per usi aut. Gh 130 UNI 5330-69 130 180

“ Gh 190 UNI 5330-69 190 240

“ Gh 230 UNI 5330-69 230 280

Ghise (6/9)



Tipo Denom. R kg/mm2 HB kg/mm2

ghisa malleabile

bianca

GMB 35 UNI 3779-69 34 35 125 200

“ GMB 40 UNI 3779-69 38 40 125 200

“ GMB 45 UNI 3779-69 45 150 210

“ GMB 50 UNI 3779-69 50 170 230

“ GMB 55 UNI 3779-69 55 190 240

“ GMB 65 UNI 3779-69 65 210 250

“ GMB 70 UNI 3779-69 70 240 285

Ghise (7/9)



Tipo Denom. R kg/mm2 HB kg/mm2

ghisa malleabile

nera

GMN 35 UNI 3779-69 35 110 150

“ GMN 37 UNI 3779-69 37 120 160

“ GMB 45 UNI 3779-69 45 150 210

“ GMN 50 UNI 3779-69 50 170 230

“ GMN 55 UNI 3779-69 55 190 240

“ GMN 65 UNI 3779-69 65 210 250

“ GMN 70 UNI 3779-69 70 240 285

La ghisa malleabile ha caratteristiche meccaniche prossime a quelle degli

acciai

Ghise (8/9)



Tipo Denom. R N/mm2 A %

ghisa sferoidale GS 370-17 UNI 4544-74 370 17

“ GS 400-12 UNI 4544-74 400 12

“ GS 500-7 UNI 4544-74 500 7

“ GS 600-2 UNI 4544-74 600 2

“ GS 700-2 UNI 4544-74 700 2

“ GS 800-2 UNI 4544-74 800 2

Le ghise meehanite sono ghise in cui la grafite è dispersa in modo

uniforme e molto fine

Il getto risente meno delle tensioni interne per le differenze di spessori

Ghise (9/9)



Le leghe dell’alluminio sono utilizzate in fonderia e per lavorazioni plastiche nell’industria meccanica ed aeronautica per la leggerezza (g = 3 kg/dm3)

Sono caratterizzate da:

– elevata resistenza meccanica (R fino a 70 kg/mm2)

– elevata resistenza alla corrosione (da agenti atmosferici, fumi)

– elevata conduttività termica

– elevata conduttività elettrica

– amagneticità

– lavorabilità

– valore di recupero

Alluminio (1/3)



Designazione

Elementi di lega:

– Si aumenta la colabilità (silumin, silafont)

– Cu aumenta la resistenza meccanica (duralluminio, avional)

– Zn aumenta resistenza e corrodibilità (ergal)

– Mg resistenza alla corrosione (peraluman, anticorodal)

G lega per getti in sabbia e in conchiglia

GD lega per getti colati a pressione

P lega da lavorazione plastica

Alluminio (2/3)



Designazione UNI Trattamento R N/mm2 A % HB Nome commer.

P-AlCu4MgMn 9002 bonificato 450 12 112 duralluminio

P-AlMn1,2 9003 estruso 125 35 37 aluman

P-AlMg4,5 9005 estruso 280 22 75 peraluman

P-AlMgSi 9006 ricotto 135 25 30 anticorodal

P-AlZn4,5Mg 9007 bonificato 630 7 170 ergal

G-AlSi 13 4514 170 4 50 silumin

G-AlCu10FeMg 3041 180 0,5 75 alcufont

G-AlZn5MgFe 3602 invecchiato 240 4 90 inafond

G-AlSi10CuMgNi 3050 bonificato 300 0,4 110 termafond

Alluminio (3/3)



Il magnesio e le sue leghe sono usati per la grande leggerezza (g = 1,8 kg/dm3)

Sono distinte in:– leghe allo stato di pani

– leghe allo stato di getti

G lega allo stato di pani

Gs lega per getti in sabbia

Gc lega per getti in conchiglia

GD lega per getto colato a pressione

GD – Mg Al 8,5 Zn Mn UNI 6169-68

Magnesio



Il rame puro è tenero e malleabile, facilmente saldabile, ed ha elevata conduttività termica ed elettrica.

Difficoltà di fusione

Leghe del rame:

Cu + Sn Bronzi

Cu + Zn Ottoni

Rame (1/4)



Bronzi

– ordinari

Sn dal 2 al 25% (all’aumentare di Sn aumenta la durezza e diminuisce la malleabilità)

– speciali

con Al (dal 3 al 10%) tenaci e resistenti alla corrosione

fosforosi duri e resistenti all’usura

al Mn elevata resistenza meccanica ed alla corrosione in mare

al Ni inossidabili e fucinabili

al Si elevata conducubilità elettrica

Rame (2/4)



Ottoni

– ordinari (binari)

Zn dal 10 al 35% (all’aumentare di Zn aumenta la durezza e

diminuisce la malleabilità)

– speciali

con Al costruzioni navali

con Pb lavorazioni alle macchine utensili

sono caratterizzati da

– forte resistenza alla corrosione atmosferica

– buona saldabilità

– buona deformabilità a freddo (imbutitura) e a caldo (forgiatura)

– buona lavorabilità alle macchine utensili

Rame (3/4)



Tipo Denom. Rif.UNI R N/mm2 A % HB

bronzo P-CuSn7 2527 450 18 100

ottone P-CuZn40 4891 410 20 110

ottone P-CuZn15 4898 300 15 70

bronzo G-CuSn10 7013 250 12 65

ottone G-CuZn38Pb2 5035 350 20 75

bronzo G-CuSn5Zn5Pb5 7013 210 15 65

Rame (4/4)



Utilizzati per realizzare cuscinetti a strisciamento (bronzine)

Metalli bianchi antifrizione

– Sn Sb 6,5 Cu 3,5 UNI 4515

– Sn Sb 8 Cu 7 UNI 4515

– Sn Sb 11 Cu 6 UNI 4515

– Sn Sb 11 Cu 9 UNI 4515

– Sn Sb 12 Cu 6 Pb 2 UNI 4515

Materiali antifrizione



La gomma è un materiale naturale che si ottiene

vulcanizzando il lattice ottenuto dalla pianta della gomma

Gli elastomeri sono invece materiali sintetici ottenuti

mediante polimerizzazione (isoprene, neoprene, buna, ...)

NBR 50, NBR 70 elastomeri a base nitrilica

Gomma ed elastomeri



Documentazione

E. Chirone, S. Tornincasa, “Disegno Tecnico Industriale”,

Vol. 1, 2, Edizioni Il Capitello, Torino, 1997

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