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Resistenza

tecnologia meccanica




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Resistenza

La resistenza è una proprietà meccanica che tu immagini, ma della quale non sai il significato quando la si riferisce ai polimeri. Primo, esiste più di una resistenza. C'è la resistenza a trazione. Un polimero ha resistenza a trazione se resiste quando lo si sollecita in questo modo:

La resistenza a trazione è importante per un materiale che deve essere messo in tensione. Le fibre  devono avere una buona resistenza a trazione.

Poi, c'è la resistenza alla compressione. Un polimero ha una buona resistenza alla compressione se resiste quando lo si sollecita in questo modo:

Il calcestruzzo è un esempio di materiale con una buona resistenza alla compressione. Qualunque cosa debba sopportare un peso deve possedere una buona resistenza alla compressione.



Esiste anche la resistenza alla flessione. Un polimero ha una buona resistenza alla flessione se resiste ad una sollecitazione come questa:

Esistono altri tipi di resistenza di cui possiamo trattare. Un polimero possiede una buona resistenza alla torsione se resiste quando viene torto. C'è la resistenza all'urto; un polimero ha una buona resistenza all'urto quando resiste ad un urto violento e rapido, come la caduta di un grave (ad esempio un martello).

Cos'è la Resistenza?

Ma cosa significa essere resistenti? C'è una definizione precisa. Riferiamoci alla resistenza a trazione per illustrarla. Per misurare la resistenza a trazione di un provino polimerico, prendiamo il provino e proviamo a tirarlo come nella figura di sopra. Di solito lo si fa con una macchina detta dinamometro (o Instron). Semplicemente, la macchina blocca le due estremita del provino e quando dai il via alla prova, tira una delle due estremità con velocità costante. Mentre tira il provino, misura la forza (F) che sta esercitando per allungarlo. Conoscendo la forza esercitata sul provino, dividiamo il valore per l'area del provino. Il risultato è la soll 212g66c ecitazione esercitata sul provino.

F / A = sollecitazione

Lo strumento, per mantenere costante la velocità, incrementa la quantità di forza, ed ovviamente aumenta la sollecitazione, sul provino fino a quando non si rompe. La sollecitazione necessaria a rompere il provino è la resistenza a trazione del materiale.

Allo stesso modo si possono immaginare prove simili per la compressione e la flessione. In tutti i casi la resistenza è la sollecitazione necessaria  per la rottura del provino.

Poiché la sollecitazione a trazione è la forza applicata ad un campione divisa per l'area del campione stesso, la sollecitazione a trazione e la resistenza a trazione sono entrambe misurate in unità di forza divise per unità di superficie, normalmente N/cm2. La sollecitazione e la resistenza possono anche essere misurate in megapascals (MPa) o in gigapascals (GPa). E' facile convertire le due diverse unità di misura perché 1 MPa = 100 N/cm2, 1 GPa = 100,000 N/cm2 ed ovviamente 1 GPa = 1,000 MPa.

Altre volte la sollecitazione e la resistenza sono misurate nelle vecchie unità di misura inglesi, pounds per square inch (o psi). La conversione tra psi e N/cm2  si effettua tenendo conto che 1 N/cm2 = 1.45 psi.

Allungamento

Ma c'è altro da capire sulle proprietà meccaniche dei polimeri, oltre a sapere quanto sono resistenti. La resistenza massima ci dice quanta forza serve per rompere un provino del materiale che ci interessa. Non ci dice, però, cosa accade al provino quando cerchiamo di romperlo. Questo ce lo dice uno studio sull'allungamento del provino. L'allungamento è un tipo di deformazione. La deformazione è una semplice variazione della forma di qualunque cosa sottoposta ad uno sforzo. Quando parliamo della resistenza a trazione, il provino si deforma quando lo si stira e si allunga.Questo è  ciò che chiamiamo allungamento.

Normalmente si parla di allungamento percentuale che è la lunghezza del provino dopo averlo stirato (L), divisa per la lunghezza iniziale (L ), poi moltiplicata per 100.

(L / L ) x 100  =  allungamento %

Ci sono un altre cose che si possono misurare e che sono correlate all'allungamento. Quale sia la più importante dipende dal materiale che stiamo studiando. Due importanti proprietà che possiamo misurare sono l'allungamento a rottura e l'allungamento elastico.

L'allungamento a rottura è importante per tutti i materiali. Ci da, in pratica, quanto possiamo allungare il provino prima che si rompa. L'allungamento elastico rappresenta la percentuale di allungamento che si può raggiungere prima di avere una deformazione permanente del provino. Cioé fino a quanto puoi allungare il provino riottenendo la forma iniziale dopo averlo rilasciato (come per un elastico). Questo è importante soprattutto se il tuo materiale è un elastomero. Un elastomero deve essere in grado di essere stirato molto e di ritornare nella forma originale. La maggior parte di essi possono subire un allungamento dal 500 al 1000% e tornare alla lunghezza iniziale senza problemi.



Modulo

Gli elastomeri devo possedere un allungamento elastico elevato, ma per altri tipi di materiali, come le  plastiche, è auspicabile che non siano allungabili e deformabili così facilmente. Se vogliamo sapere quanto un materiale resiste alla deformazione, misuriamo qualcosa detta modulo. Per misurare il modulo a trazione, facciamo lo stesso test utilizzato per misurare la resistenza a trazione e l'allungamento a rottura. Questa volta misuriamo lo sforzo che applichiamo al materiale e lo facciamo mentre misuriamo la resistenza a trazione. Lentamente aumentiamo lo sforzo e misuriamo l'allungamento ad ogni aumento dello sforzo stesso. Continuiamo a farlo finché il provino non si rompe. Poi facciamo un diagramma dove riportiamo lo sforzo in relazione alla deformazione, come quello seguente:

Questo grafico è chiamato curva sforzo-deformazione (la deformazione include qualsiasi variazione dimensionale, incluso l'allungamento. Allungamento è la parola usata in specifico per la deformazione a trazione). L'altezza della curva quando il campione si rompe è, ovviamente, la resistenza a trazione ed il modulo a trazione è la pendenza di questa  curva. Se la pendenza è ripida, il campione ha un alto modulo a trazione, cioé resiste alla deformazione. Se la pendenza è bassa, il campione ha un basso modulo e, quindi, si deforma facilmente.

A volte si ottengono curve sforzo-deformazione che non sono facili da interpretare come quella sopra. Per alcuni polimeri, specialmente per le  plastiche  flessibili, si ottengono curve con questa forma:

La pendenza non è costante con l'incremento dello sforzo. La pendenza, che è il modulo, cambia con lo sforzo applicato. In un caso simile la pendenza iniziale è il modulo, come puoi notare nella curva sforzo-deformazione riportata sopra.

In generale, le fibre hanno il più alto modulo a trazione, e gli elastomeri il più basso; le plastiche hanno moduli a volte più vicini a quelli delle fibre, a volte più vicini a quelli degli elastomeri.

Il modulo è misurato calcolando lo sforzo e dividendolo per l'allungamento; è quindi misurato in unità di sforzo divise per unità di allungamento. ma l'allungamento è adimensionale e non ci sono unità di misura da poter usare. Così il modulo è misurato con le stesse unità con cui si misura lo sforzo:  N/cm2.

Tenacità

Il grafico dello sforzo e deformazione ci dà un'altra informazione importante. Se si misura l'area sottesa dalla curva sforzo-deformazione, colorata in rosso nel grafico sottostante, il numero che si ricava è ciò che si definisce tenacità.

La tenacità è, realmente, una misura dell'energia che un provino può assorbire prima di rompersi. Pensa, se l'altezza del triangolo nel grafico è la resistenza e la base del triangolo è la deformazione, l'area, quindi, è proporzionale allo sforzo per la deformazione. Poiché lo sforzo è proporzionale alla forza necessaria a rompere il provino e la deformazione è misurata in unità di distanza (la distanza di cui il provino si è allungato), allora lo sforzo per la deformazione è proporzionale alla forza moltiplicata per la distanza; ma, come ci insegna la fisica, una forza moltiplicata per una distanza è una energia. Ci siamo?

sforzo x deformazione  a    forza x distanza  =  energia

In che modo si diversificano la tenacità dalla resistenza? Da un punto di vista "fisico", la risposta è che la resistenza ci dice quanta forza ci serve per rompere un campione e la tenacità, quanta energia è necessaria per rompere un campione. Ma questo non ti dice qual'è la differenza pratica tra le due proprietà.



Quello che è importante sapere e che affinchè un materiale sia resistente non è necessario che sia anche tenace.Osserviamo qualche altro grafico, per capire meglio. Dai un'occhiata a quello di sotto, quello con le tre curve (una blu, una rossa e una rosa).

La curva blu è la curva sforzo-deformazione per un campione resistente, ma non tenace. Come puoi vedere ci vuole molta forza per romperlo, ma non molta energia, vista la piccola area sotto la curva. Quindi questo campione non si allunga molto prima di rompersi. un materiale come questo è resistente, ma non si deforma molto prima di rompersi ed è chiamato fragile.

D'altra parte la curva rossa è la curva sforzo-deformazione per un campione che sia resistente e tenace. Questo materiale non è resistente quanto quello della curva in blu, ma l'area sotto la curva rossa è maggiore di quella sotto la blu. Cioè assorbe più energia del campione blu.

Ma perché il campione rosso assorbe più energia di quello blu? Guardali. Il campione rosso si allunga molto di più del blu, prima di rompersi.Come vedi, la deformazione permette al campione di dissipare energia. Se un campione non si può deformare, l'energia non viene dissipata e porta alla rottura del campione.

Nella vita di tutti i giorni vogliamo materiali tenaci e resistenti. Idealmente sarebbe bello avere un materiale che non si pieghi e non si rompa, ma questo è il mondo reale. Dai ancora un'occhiata alle curve. Il campione blu ha un modulo più alto di quello rosso. Un modulo alto è valido per diverse applicazioni perché il materiale resiste alla deformazione, ma in generale si preferisce un materiale che si pieghi piuttosto di uno che si rompe e se durante la piegatura, lo stiro o la deformazione si evita la rottura, tanto di guadagnato. Così. quando si progetta un nuovo polimero o un nuovo composito,  di solito si sacrifica la resistenza a favore della tenacità.

Proprietà Meccaniche dei Polimeri Reali

Abbiamo parla a lungo in modo astratto, così ora è meglio parlare di quali polimeri mostrano un tipo di comportamento meccanico piuttosto che un'altro: cioé quali sono resistenti, quali tenaci, ecc.

Questo spiega la presenza del grafico alla tua destra. Paragona delle tipiche curve sforzo-deformazione per diversi tipi di polimeri. Un materiale che ha un comportamento come quello della curva verde è una plastica rigida come il polistirene o il polimetilmetacrilato e può resistere bene allo sforzo, ma poco all'allungamento prima di rompersi. E' piccola l'area sotto la curva sforzo-deformazione in verde. Diciamo che un materiale così è resistente, ma non tenace. Inoltre, la pendenza della curva è molto ripida il che vuol dire che ci vuole molta forza per deformare una plastica rigida (suppongo che questo significhi essere rigido, non è vero?) Così è evidente che una plastica rigida ha un alto modulo. In breve, una plastica rigida tende a essere resistente ed a non deformarsi, ma non tende ad essere molto tenace, nel complesso, cioé, è fragile.

Le plastiche  flessibili come il polietilene ed il polipropilene  differiscono dalle plastiche rigide perché non resistono così bene alla deformazione, ma tendono a non rompersi. Chiaramente il fatto di deformarsi fa si che non si rompano. Il modulo iniziale è alto, cioé resistono per un certo periodo alla deformazione, ma se si applica una forza sufficiente ad una plastica flessibile, essa si deformerà. Puoi provare a casa tua questa esperienza prendendo un sacchetto per la spesa in plastica. Se cerchi di allungarlo, inizialmente farai fatica, ma quando lo avrai allungato a suffiecenza, non opporrà più resistenza e lo allungherai facilmente. In sintesi le plastiche flessibili non sono così resistenti come quelle rigide, ma sono molto più tenaci.

E' possibile modificare il comportamento sforzo-deformazione di una plastica utilizzando degli additivi detti plastificanti. Un plastificante è una piccola molecola che rende le plastiche più flessibili. Senza il plastificante, ad esempio, il polivinilcloruro, o PVC, è una plastica rigida usata per fare i tubi per l'acqua. Ma con il plastificante, il PVC è sufficentemente flessibile da essere usato per fabbricare piscine gonfiabili per bambini.

Le Fibre come il KevlarTM, le fibre di carbonio ed il nylon tendono ad avere curve sforzo-deformazione simili a quella color azzurro acqua nel grafico di sopra. Come le plastiche rigide, esse sono più resistenti che tenaci e non si deformano molto sotto una sollecitazione a trazione. Ma quando hai bisogno di resistenza, le fibre ne hanno in abbondanza. Sono più resistenti che le plastiche, anche delle rigide e alcune fibre come il KevlarTM, le fibre di carbonio ed i polietileni ad altissimo peso molecolare, o UHMWPE, hanno una resistenza a trazione maggiore dell'acciaio.



Gli elastomeri come il poliisoprene, il polibutadiene  ed il poliisobutilene hanno un comportamento meccanico completamente differente da quello degli altri materiali. Osserva la curva in rosa nel grafico sovrastante. Gli elastomeri hanno un modulo molto basso. Lo puoi vedere dalla scarsa pendenza della curva in rosa, ma questo, probabilmente, già lo sapevi. Già sapevi che è facile allungare o piegare un pezzo di gomma. Se gli elastomeri non avessero un basso modulo, non sarebbero dei buoni elastomeri, non è vero?

Ma, un polimero, deve avere qualcosa in più di un modulo basso per essere un elastomero. La possibilità di essere allungato facilmente non è utile se il materiale non ritorna in dietro alla posizione di partenza, quando lo sforzo si interrompe. Gli elastici non sarebbero utili se si allungassero senza tornare indietro. Ovviamente gli elastomeri tornano indietro alla fine dello sforzo e questo è quello che li rende così meravigliosi. essi non hanno solo un elevato allungamento, ma un elevato allungamento reversibile.

Andiamo oltre le Proprietà Tensili

Ok, tutto questo è giusto, ma questa piccola discussione su quali polimeri abbiano un certo tipo di comportamento meccanico è stato incentrato sulle proprietà tensili. Diamo un'occhiata alle altre, quali quelle relative alla compressione o alla flessione che possono essere completamente diverse. Per esempio le fibre hanno una resistenza a trazione molto elevata ed una resistenza alla flessione altrettanto elevata, ma normalmente hanno una scarsissima resistenza alla compressione. Oltretutto hanno una eccellente resistenza a trazione solo nella direzione delle fibre.

Uniamo le Forze

Abbiamo discusso a lungo di come un polimero sia tenace, mentre altri siano resistenti e di come uno debba raggiungere un compromesso quando progetta un nuovo materiale. Deve, per esempio, sacrificare la resistenza a favore della tenacità. Ma a volte possiamo combinare due polimeri con diverse proprietà per creare un nuovo materiale con alcune delle proprietà di tutti e due. Ci sono tre vie principali per fare ciò e sono la copolimerizzazione,la miscelazione (blending) e la produzione di materiali compositi.

Un esempio di un copolimero che combini le proprietà di due polimeri è lo Spandex. E' un copolimero che contiene blocchi di elastomero, il poliossietilene, e blocchi di poliuretano capace di fare fibre rigide. Il risultato è una fibra che si allunga. Lo Spandex è usato per fare gli abiti stretch, come i pantaloncini da ciclista.

Il polistirene antiurto, o HIPS, è una miscela eterofasica di polimeri che combina le proprietà di due polimeri, il polistirene ed il polibutadiene. Il polistirene è una plastica rigida. quando è miscelato con il polibutadiene, un elastomero, forma una miscela a fasi separate che ha la resistenza del polistirene con la tenacità aggiuntiva del polibutadiene. Per questo il HIPS è molto meno fragile del polistirene normale.

Nel caso dei mateiali compositi, si utilizza una  fibra  per rinforzare una resina termoindurente. Le termoindurenti sono materiali reticolati il cui comportamento allo sforzo è spesso simile a quello delle plastiche. La fibra aumenta la resistenza a trazione del composito, mentre la resina termoindurente fornisce la resistenza alla compressione e la tenacità.







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