Biomateriali
ING. DENNY COFFETTI
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BERGAMODIPARTIMENTO DI INGEGNERIA
E SCIENZE APPLICATE
MAIL: [email protected]
Proprietà meccaniche
Classificazione dei
materiali
MetalliciCeramici
Polimerici
Compositi
Elementi metallici (Fe,Cu,Al,Ni…)
• Prodotti da minerale
• (Reperibili in natura solo Au,
Hg,Ag)
• Conducono bene il calore e
l’elettricità.
• Non sono trasparenti e hanno
aspetto lucente
• Buona resistenza ai carichi
applicati.
• Possono essere deformati
mediante processi meccanici
(es.laminazione)
Neoceramici, terrecotte, vetri,
pietre naturali, cementi…
Elementi metallici e non metallici
(ossidi, carburi, nitruri, silicati…)
•Prodotti da minerale o per
sintesi
•Reperibili in natura
•Solitamente non conducono il
calore e l’elettricità.
•Alta resistenza ai carichi
applicati (anche ad alta
temperatura).
•Poco resistenti agli urti
Plastiche, gomme
Costituiti da grandi molecole di
solito a base di composti
organici (C,H e altri elementi
non metallici)
•Prodotti per sintesi o per
elaborazione di sostanze
naturali
•Reperibili in natura (fibre
naturali,gomme, legno)
•Solitamente non conducono il
calore e l’elettricità.
•Leggeri e molto flessibili
Materiali compositi
MetalliciCeramici
Polimerici
Compositi a
matrice metallicaCemento armato
Murature
Calcestruzzo
Vetroresine
Fibra di carbonioCompensato
Compositi
Costo dei
principali
materiali
metallici(dati 1994)
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000
Oro
Argento
CFRP
Ti
Ni
poliammidi
SiC
Mg
Nylon
Policarbonato
PMMA
Allumina
Acciai da utensile
GFRP
Acciai inossidabili
Rame
Alluminio
Ottone
Epossidiche
Poliesteri
Vetro
Gomma naturale
PP
HDPE
PVC
Legno
Acciaio basso legato
Acciaio laminato a caldo
Ghisa
Cemento armato
Cemento
Costo($/kg)
Mate
riali
di
maggio
r im
pie
go
Proprietà dei materiali
Proprietà
Legame
MicrostrutturaStruttura
•Prorietà meccaniche
carichi applicati
•Proprietà fisiche
temperatura, campi elettrici
•Proprietà chimiche
corrosione
Proprietà meccaniche
Capacità del materiale di resistere alle
azioni provocate da forze esterne che
tendono a deformarlo.
Le proprietà meccaniche sono esclusive
dei solidi; lo stato solido è l’unico in grado
di reagire alle forze esterne grazie ai
legami tra i vari atomi e/o molecole
Tanto maggiori sono le forze di legame in
gioco, più elevate saranno le proprietà
meccaniche
Proprietà meccaniche
Resistenza
Elasticità
Plasticità
Rigidità
Fragilità
Resistenza all’usura
Durezza
Resistenza a fatica
Capacità di resistere ai carichi
Capacità di riprendera forma dopo la
rimozione della sollecitazioneCapacità di modificare la forma in
modo permanente senza rompersiCapacità di mantenere la forma in
presenza di sollecitazione
Tendenza a rompersi in frantumi a seguito
di un urto (inverso della tenacità)
Resistenza all’azione superficiale di un altro
corpo in contatto, in movimento relativo
Resistenza alla scalfitura o alla
penetrazione
Resistenza all’azione di una
sollecitazione ciclica
Tipologie di sollecitazione
trazione compressione taglio
flessione torsione
Sollecitazioni complesse
Torsione Flessione
Effetto di un carico di
trazione/compressione
F
F
trazione
F
F
compressione
Sollecitazione e materialeLampadario da soffitto…
Sollecitazione e materialeTrampolino da piscina…
Sollecitazione e materialeSedie…
Sollecitazione e materialePaiolo per polenta…
Sollecitazione e materialeAlettone anteriore di una formula 1…
Prove meccaniche
(trazione)
estensometro
L
Azioni interne(definizione di sforzo)
F
F
Azioni interne(definizione di sforzo)
Unità di misura dello sforzo: [MPa]1 [MPa] =1 [N/mm2] ≈ 0.1 [kg/mm2]
2][
][
L
F
S
F
SF F
σ
l/2
Definizione di deformazione
L
l
L/2
L/2
l/2
Le deformazioni sono grandezze adimensionali
l
F
F
Comportamento a
compressione
compressione
Le deformazioni sono definite in
modo analogo al caso di trazione
F
F
Effetto di un carico di taglio
ll
Sforzo
Deformazione
)(tgl
l
F
F
Legame costitutivo
Il comportamento del materiale di cui è
costituito il corpo, cioè come questo si
deforma per azione di forze applicate, è
descritto da relazioni costitutive:
legame tra i parametri che descrivono lo
stato di sollecitazione e di deformazione
del corpo
efunzioni di risposta
((e) oppure ee())
Deformazione elastica
IPOTESI: comportamento del materiale isotropo
Il materiale reagisce nelle diverse direzioni in
modo simile (la relazione tra e e è la stessa)
Es.: isotropi -> acciaio, calcestruzzo
anisotropi -> legno, roccia
Moduli di elasticità
Relazioni che legano sforzo e
deformazione in campo elastico
Dette anche costanti elastiche
Tipiche del materiale (e quindi dei
legami coinvolti)
Dipendono dalla temperatura
Modulo di elasticità a trazione
o modulo di Young
definizione di E: costante di proporzionalità tra sforzo e deformazione in campo lineare elastico
Relazione sforzo deformazione lineare elastica
= E · e
Moduli di elasticità
en et
E = modulo di Young o modulo
di elasticità longitudinale
n = modulo di Poissono coefficiente di
contrazione trasversale
Per i materiali isotropi
la deformazione
elastica NON avviene
a volume costante
nE e
nt ene
Modulo di Poisson
nt v ee
Moduli di elasticità
t
t
t G
G = modulo di elasticità tangenziale
I moduli di elasticità sono legati tra loro
E = 2G (1+n)
Deformazione plastica
Deformazione elastica: è reversibile
Se rimuovo la sollecitazione torno alle dimensioni
iniziali
Il legame costitutivo descritto da = E e (lineare) è
valido solo fino ad un determinato valore di sforzo,
dopo il quale il materiale si rompe se è fragile o
subentra una deformazione di tipo plastico,
irreversibile se il materiale è duttile
Deformazione elastica e
plastica
Il legame lineare s-e vale solo fino ad un certo valore di sforzo, per cui si ha (nei materiali duttili) inizio delle deformazioni plastiche
e
=E e lineare (piccole
deformazioni)
def. plastica NON
lineare
Deformazione elastica e
plastica
Deformazione
elastica:
rimuovendo il
carico si torna alle
condizioni iniziali
Deformazione
plastica:
rimuovendo il
carico NON si
torna alle
condizioni iniziali
=
≠
stato iniziale carico rimozione del
carico
Materiali fragili e duttili
Alla luce dei diversi tipi di deformazione ora
descritti, quando posso ritenere un materiale
fragile e quando duttile?
incapacità di deformarsi sotto carico, giungendo così ad
improvvisa rottura
vetro, ceramici, lapidei…
Quasi tutta la deformazione che subiscono prima di
rompersi è di tipo elastico
Materiali fragili
capacità di un materiale di deformarsi plasticamente sotto
carico prima di giungere a rottura
metalli (ferro, alluminio, zinco…)
Prima di rompersi subiscono sia deformazione di tipo
elastico che plastico
Materiali duttili
Morfologia di rottura
Fragile
Duttile
Frattura fragile
Innesco
Rottura fragile a partire
da un difetto superficiale
Frattura duttile
Frattura dei materiali
Clivaggio Frattura duttile
Quasi clivaggio
Principali grandezze
meccaniche (definizione)
Moduli di elasticità (a trazione, a taglio)
Carico di snervamento (solo per materiali che
possono deformarsi plasticamente)
Carico di rottura
Durezza
Tenacità
Resistenza a fatica
Carico di snervamento
La sollecitazione per la quale il materiale inizia a deformarsi
plasticamente prende il nome di LIMITE ELASTICO e non può
essere determinata sperimentalmente
La grandezza sperimentale che indica il valore di sforzo per il
quale il materiale inizia a subire deformazione plastica è il carico
di snervamento
Carico di snervamento: è il carico unitario (sforzo) che lascia sul
provino una deformazione permanente (plastica, residua)
prefissata
In genere si utilizza un valore sufficientemente piccolo da essere
trascurabile in esercizio, ma sufficientemente grande da essere
misurabile con precisione
Caso più generale 0.2% (Rs0.2 o Rp0.2)
Carico di rottura
Sforzo massimo che il materiale può sopportare
senza rompersi
Carico di snervamento e di rottura dipendono dal
materiale, dalla temperatura, dalla sua
microstruttura, dai trattamenti subiti (termici,
termomeccanici)
Duttilità
Misura della deformazione plastica che il materiale può
subire senza rompersi
parametri di misura della duttilità ricavabili dalla prova di
trazione:
allungamento totale a rottura
strizione percentuale
100%0
0
l
llA
f
100%0
0
A
AAZ
f
Durezza
misura della resistenza offerta da un materiale alla
deformazione plastica (ovvero a un penetratore)
Ne esistono di diversi tipi a seconda del materiale
Unica prova meccanica non distruttiva in grado
di stimare la resistenza meccanica del materiale
Dipendono inoltre dalla durezza: la resistenza
all’abrasione e all’usura, la capacità di taglio, et.
Tenacità
Capacità di un materiale di assorbire energia fino al
raggiungimento della rottura
Energia assorbita da un materiale:
deformazione elastica
deformazione plastica
creazione di nuove superfici
(frattura)
altro… (energia cinetica, attrito,
emissione acustica…)
Fatica La fatica è un tipo di rottura che avviene in
strutture sottoposte a sforzi variabili nel tempo
in queste circostanze è possibile che la rottura avvenga a livelli di carico considerevolmente inferiori ai carichi statici di trazione o snervamento in condizioni statiche
la rottura per fatica è catastrofica perché avviene improvvisamente senza alcun preavviso
le rotture per fatica avvengono in modo simile a quello fragile anche in materiali a comportamento normalmente duttile
La fatica esiste per tutti i materiali, ma il comportamento a fatica dipende dal materiale (es. acciaio e alluminio)
Altre proprietà
Elettriche
Termiche
Ottiche
Acustiche
…
Resistenza al degrado
Ogni
classe di
material
e ha i
suoi
problemi
!