Biomateriali

ING. DENNY COFFETTI

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BERGAMODIPARTIMENTO DI INGEGNERIA

E SCIENZE APPLICATE

MAIL: DENNY.COFFETTI@UNIBG.IT

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

!