Le proprietà dei materiali

Le proprietà dei materiali sono caratteristiche fisiche, chimico-strutturali, meccaniche e tecnologiche proprie. Conoscere ciascuna proprietà ci permette di sapere quale è il materiale più idoneo a qualche tipo di lavorazione; possiamo, inoltre migliorarlo mediante alcuni tipi di trattamenti.

Esistono diversi tipi di materiali che ci permettono di realizzare qualsiasi prodotto sia semplice che più complesso: l’automobile ad esempio è realizzata dalla combinazione di molti materiali.

Come abbiamo già visto, ogni materiale ha delle caratteristiche proprie (dette proprietà) che lo differenziano dagli altri e che lo rendono adatto o non adatto per determinate lavorazioni e funzioni. Queste caratteristiche ne determinano anche il tipo.

In base alla composizione chimica i materiali che interessano l’industria meccanica si dividono in:

  • Metalli: Si trovano, eccetto il mercurio, allo stato solido a temperatura ambiente, sono buoni conduttori di calore e di elettricità e presentano in varia misura plasticità e resistenza meccanica. Tra questi c’è il ferro, l’oro, l’argento e il rame.
  • Non metalli: Si trovano sia allo stato gassoso che solido, sono cattivi conduttori di calore e di elettricità. Tra questi c’è il carbonio, lo zolfo, l’ossigeno, lo zinco e il carbonio.
  • Leghe metalliche: Sono formate da più elementi, dove prevale un elemento metallico rispetto gli altri. Tra questi ci sono l’ottone (formato da rame e zinco) e l’acciaio (formato da ferro e carbonio)

Proprietà fisiche dei materiali

Le proprietà fisiche dei materiali sono:

  • Massa volumica: Chiamata in precedenza peso specifico, è il rapporto tra la massa e il volume di un materiale e viene espressa in kg/dm3. Viene indicata con il simbolo ρ (rho, nell’alfabeto greco).
  • Densità: E’ il rapporto tra la massa volumica di un corpo e 1 kg/dm3 che è anche quella dell’acqua alla temperatura di 4°C. Il rapporto tra la densità di un materiale e quella dell’acqua, usata come riferimento, è definito densità relativa.
  • Capacità termica massica o calore specifico: La quantità di calore che serve per aumentare la temperatura di 1°C della massa di 1 kg di una sostanza.
  • Dilatazione termica: E’ l’aumento di lunghezza del materiale per effetto del cambio di temperatura. Si indica con il simbolo α.
  • Temperatura di fusione : La temperatura alla quale un materiale inizia a passare dallo stato solido a quello liquido.
  • Conduttività termica ed elettrica: La capacità di trasmettere il calore e l’elettricità di un materiale da un suo estremo all’altro. I non metalli sono cattivi conduttori e vengono per questo chiamati isolanti

Proprietà chimico-strutturali dei metalli

Le proprietà chimico-strutturali dei materiali sono la resistenza alla corrosione e la loro struttura.

La struttura del materiale dipende da come sono disposti i suoi atomi il quale condiziona le sue proprietà meccaniche e tecnologiche.

Gli atomi possono essere disposti in modo irregolare e casuale: in questo caso il materiale, come il vetro o la plastica, ha una struttura amorfa.

I metalli, invece, hanno gli atomi disposti in modo regolare e tale da formare una figura geometrica. In questo caso si parla di struttura cristallina e la parte più piccola di questa struttura viene detta cella elementare, che si ripete all’interno del materiale nelle sue tre dimensioni formando, una gabbia tridimensionale, il reticolo cristallino.

Nei metalli le forme della cella cristallina sono soltanto tre:

  • Cubica a corpo centrale: Gli atomi sono disposti ai vertici del cubo, in tutto 8, più 1 al centro.
  • Cubica a facce centrate: Gli atomi sono disposti ai vertici del cubo e al centro di ogni faccia, con un totale di 14 atomi (8 vertici + le 6 facce)
  • Esagonale compatta: Gli atomi sono disposti ai vertici del prima esagonale (12), al centro delle basi (2) e 3 in posizione centrale tra le basi, formando il totale di 17 atomi.
cella elementare cubica ed esagonale dei metalli. Ripetendosi formano il reticolo cristallino.
Cella elementare dei metalli. 1) Cubica a corpo centrale; 2) Cubica a facce centrate; 3) Esagonale compatta. La cella si ripete all’interno del materiale sulle sue tre dimensioni formando il reticolo cristallino.

Alcuni metalli hanno forme di cristallizzazione diverse a seconda della loro temperatura. Questo fenomeno si chiama polimorfismo.

Per approfondire questo argomento si può guardare questo video prodotto da Zanichelli.

Proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche di un materiale riguardano la sua capacità di resistere alle sollecitazioni dovute a forze esterne che tendono a deformarlo.

Nel caso in cui il corpo ritorna alla sua forma iniziale dopo la sollecitazione, si parla di deformazione elastica (proprio come un elastico che ritorna sempre alla situazione iniziale) altrimenti si parla di deformazione plastica.

Ci sono diversi tipi di sollecitazioni:

  • Sollecitazioni statiche quando agiscono in maniera costante o con piccole variazioni nel tempo, ad esempio un corpo poggiato su un altro.
  • Sollecitazioni dinamiche o urti quando crescono bruscamente in meno di un secondo, ad esempio un corpo in caduta libera. La resistenza agli urti viene chiamata resilienza.
  • Sollecitazioni periodiche sono quelle continuamente; le resistenza a queste sollecitazioni viene chiamata resistenza a fatica.

Le sollecitazioni statiche si distinguono in base alla direzione in cui agiscono le forze rispetto l’asse del solido.

Quando un corpo è sottoposto a una sola sollecitazione alla volta si parla di sollecitazione semplice; nel caso che venga interessato da due o più sollecitazioni contemporaneamente si parla di sollecitazioni composte.

La sollecitazione di compressione si ha quando il corpo viene sottoposto alle sue estremità da due forze opposte tra loro e che tendono ad accorciarlo.

La sollecitazione di trazione indica le forze opposte che tendono ad allungarlo.

La sollecitazione di taglio si ha quando il corpo viene sottoposto all’azione di forze opposte che vanno l’uno verso l’altro e su una parte di esso.

La sollecitazione di flessione si ha quando delle forze agiscono su un punto del corpo e lo deformano. Si può anche dire che la sollecitazione è il risultato della somma di una compressione e di una trazione.

La sollecitazione di torsione si verifica quando due forze ruotano in verso opposto su due parti diverse del corpo.

Proprietà tecnologiche dei materiali

Le proprietà tecnologiche dei materiali riguardano la loro attitudine ad essere lavorati per realizzare dei prodotti.

La fusibilità è l’attitudine di un materiale di essere lavorato mediante fusione; viene portato allo stato liquido per essere colato dentro degli stampi per darne la forma che si vuole.

La saldabilità riguarda l’attitudine di un pezzo di materiale a essere unito con un altro mediante fusione e saldatura. I due pezzi raggiungono gradatamente lo stato liquido per poi raffreddarsi rimanendo uniti.

La malleabilità si ha quando un materiale è in grado di deformarsi sotto l’azione di pressioni o urti senza deteriorarsi o rompersi.

La piegabilità riguarda i semilavorati che si possono deformare senza riscaldarli. Tra questi ci sono i tondini, i tubi e le lamiere.

La duttilità riguarda l’attitudine di un materiale a ridursi in fili quando passano in un foro più piccolo. L’estrudibilità, invece, è la sua attitudine ad assumere la forma di un foro sagomato quando viene spinto al suo interno.

Quando un materiale è in grado di deformarsi sotto l’azione di un corpo e di assumerne la forma si parla di imbutitura. Quando un materiale sottoposto alla sollecitazione di un altro corpo (es quando lo si fora con un trapano) lascia dei residui, detti trucioli, si parla di truciolabilità.

Nella tabella che segue vengono riassunti le proprietà dei materiali.

Proprietà Descrizione
FisicheCaratteristiche generali dei materiali come calore, elettricità, gravità.
Chimico-strutturaliRiguardano la composizione chimica dei metalli e la loro struttura interna, come sono disposti gli atomi, come anche le reazioni chimiche, come l’ossidazione e la corrosione.
MeccanicheLa capacità di resistere a forze e sollecitazioni come pressioni, urti, trazioni, torsioni e al taglio
TecnologicheL’attitudine dei materiali ad essere lavorati. Rientrano la malleabilità, la duttilità, la piegabilità, la saldabilità e la fusibilità
Proprietà dei materiali metallici