Scienza e ingegneria dei materiali Esercizi per il secondo esonero

Scienza e ingegneria dei materiali
 Esercizi per il secondo esonero

Antonio Licciulli

Corso di scienza e ingegneria dei materiali

Leganti

❑ Dare la definizione di leganti aerei e idraulici nell’edilizia quindi

descrivere il meccanismo di presa e indurimento del cemento portland

❑

❑Il meccanismo di presa e indurimento della malta di calce

❑

❑ Dare la definizione di legante aereo.

Descrivere il processo di

presa e indurimento

della malta di calce

Il calcestruzzo

❑ Il calcestruzzo, dare la definizione e discutere del ruolo del rapporto acqua/cemento sulla preparazione e le

proprietà dei manufatti.

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Composizione del calcestruzzo

Un calcestruzzo deve avere un dosaggio minimo di cemento di 280Kg/m

. E' prescritto un

rapporto H

O/cemento a/c= 0,6 calcolare la quantità in peso di inerte da aggiungere note le densità dei due componenti:

❑ densità cemento = 3100Kg/m

❑ densità inerte = 2700Kg/m

Ricetta per calcestruzzo

Devono essere prodotti 10m

di calcestruzzo con un rapporto (in peso)

cemento:sabbia:pietrisco= 1:1,8:2,8.

Per ogni sacco di cemento da 50Kg occorrono 25 litri d’acqua. Trascurando l’acqua assorbita dall’inerte calcolare le dosi necessarie esprimendo:

-Cemento in sacchi -Acqua in litri

-Sabbia e pietrisco in Kg

❑ densità cemento = 3100Kg/m

❑ densità inerte = 2700Kg/m

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Proprietà meccaniche

❑ Calcolare la resistenza a

compressione (in Pa) di

un muro in calcestruzzo

sapendo che nei test di

laboratorio i cubetti da

10cm di lato si sono rotti

a compressione ad un

carico di 60 tonnellate

Proprietà meccaniche

❑ Calcolare la resistenza a compressione (in Pa) di un muro in calcestruzzo sapendo che nei test di laboratorio i cubetti da 10cm di lato si sono rotti a compressione ad un carico di 60 tonnellate

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Resistenza della pietra leccese

❑ La resistenza a

compressione della pietra

leccese è 14MPa. Calcolare

il lato di una colonna a

base quadrata di un

edificio in grado di

sostenere un arco e un

solaio del peso complessivo

di 500 tonnellate con un

coefficiente di sicurezza

uguale a 3

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

I silicati

❑ Dare il nome ai silicati

schematizzati nelle figure di sotto associando, se di vostra

conoscenza, una categoria di minerali o materiali inorganici di sintesi

Gli ingredienti del vetro

❑In un vetro sodico calcico dire quali delle seguenti affermazioni è vera:

a) il SiO₂ è stabilizzante, il NaO abbassa la Tg

b) il SiO₂ è vetrificante, il CaO riduce la solubilità in acqua c) il SiO₂ è vetrificante, il NaO

fondente, il CaO stabilizzate d) il NaO è vetrificante, il SiO₂ fondente, il CaO aumenta la refrattarietà

Vetri si vetri no


❑Dare la definizione di

materiali vetrosi secondo la ASTM. Secondo questa definizione i materiali polimerici amorfi possono essere considerati vetri?

Similmente i metalli non ricristallizzati dopo la fusione ricadono nella famiglia dei vetri?

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Il vetro cristallo

❑ Il vetro cristallo (vetro al piombo 30% in peso) si ottiene dalla fusione di Na

CO

, Pb

O

, CaCO

,e SiO

. La composizione desiderata in peso è: di 8% Na

O, 2% Ca0 30% PbO e 60%

SiO

.

❑ Calcolare le dosi in peso necessarie

alla produzione di 1 tonnellata di

vetro. (pesi atomici: Pb 207,2 Si

28,08, Ca 40,07, Na 22,989, O 15,99,

C 12,01)

Proprietà reologiche dei vetri


❑ Viscosità e lavorabilità del vetro:

il lessico (definizione e significato) dei punti di riferimento al variare della temperatura nei processi di produzione e lavorazione.

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Il vetro sodalime

❑ Indicare la composizione del vetro sodico calcico e specificare l’influenza dei diversi ossidi sulle proprietà e sulla lavorazione del vetro

❑

Tecnologia vetraria

❑ Il vetro borosilicato si ottiene dalla fusione di

Na

CO

, AlOOH, B

O

e SiO

. La composizione desiderata è: di 4% Na

O, 13% B

0

3%

Al

O

e 80% SiO

.

❑Calcolare le dosi in peso necessarie alla produzione di 1 tonnellata di vetro.

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Ancora vetro

❑ Il vetro sodalime (silico sodico calcico) si ottiene dalla fusione di Na

CO

, AlOOH, Ca

CO,e SiO

. La composizione

desiderata in peso è: di 13%

Na

O, 10% Ca0 3% Al

O

e 73% SiO

.

❑ Calcolare le dosi in peso

necessarie alla produzione di 1

tonnellata di vetro.

Ricetta per il vetro

Il vetro comune (sodalime) si ottiene dalla fusione di Na

CO

, CaCO

e SiO

. La composizione desiderata è: di 15% Na

O, 10% CaO e 75% SiO

.

I carbonati si decompongono liberando CO

gassosa.

Calcolare le dosi in peso delle materie prime necessarie alla produzione di 1 tonnellata di vetro.

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

La sinterizzazione dei materiali ceramici

❑ Discutere la sinterizzazione dei materiali ceramici.

Focalizzare la discussione

alla sinterizzazione con

fase viscosa

Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali

Resistenza agli shock termici

❑ Quando un materiale ceramico viene scaldato non omogeneamente la parte calda è sottoposta a stress in compressione e quella fredda a trazione

❑ Data la maggiore resistenza in compressione, le fratture avvengono sulla superficie in fase di raffreddamento

❑ Lo stress che si registra sulla superficie di corpi regolari quali cilindri, sfere cave e piene durante il raffreddamento è pari a:

❑ σth = EαΔT/(1-ν)

❑Alla rottura ΔTmax= R

❑ σMOR = EαR/(1-ν)

❑ Da cui discende la differenza massima di temperatura per la resistenza alla frattura

❑ ΔTmax = R = σ_MOR (1-ν)/ α E

T

T

ΔT σ

Calcolo della densità di un green di Al2O3

❑ Stimare la densità di un green di

allumina densamente

impacchettato formato da particelle sferiche di 25micron.

Cosa accadrebbe con un diametro di 10micron? Cosa accadrebbe con l'aggiunta del 20%volume di particelle più piccole adatte ad occupare gli interstizi?

❑Svolgimento


Si calcola la calcola la frazione di volume occupato in una cella unitaria a facce cubiche (massima densità di impacchettamento):

4 X 1,33pr³/16 x 21/2r3 = 0.7405 Si moltiplica la frazione per la

densità dell'allumina 3,96g/cm³ d = 0.7405 x 3,95 = 2,93g/cm³ aggiungendo la frazione degli

interstizi di particelle più fini
 d = (0,20 x 3,96 + 2,93)g/cm³= 3,72g/cm³

Stress termico sui rivestimenti

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Shock termico

❑

Calcolare la resistenza agli shock termici (ΔΤ

=R) del Si

N

sapendo:

- la resistenza meccanica 450Mpa

Il modulo di Young 290GPa

- Il coefficiente di espansione termica 2,92*10

K

Coefficiente di Poisson 0,25

R = σ

(1-ν)/Eα

Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali

Stress termico su smalti ceramici

❑

Indicare se una fritta ceramica da applicare su un biscotto debba avere coefficiente di espansione termica maggiore o minore di quello del biscotto stesso.

❑

In quale caso si ha un aumento della resistenza a flessione?


Espansione termica

❑ Calcolare la densità dell'allumina a 1000°C.

Si assuma nel range 20-1000°C un

coefficiente di

espansione termica α pari a 8*10

K

.

❑ d

= 3,96g/cm

Pentole invetriate

❑Una pentola metallica è stata ricoperta da uno smalto vetroso sottile. Calcolare la massima temperatura alla quale può essere portata la pentola senza che lo smalto si fessuri. Si supponga che la pentola alla temperatura iniziale: T₀=20°C sia priva di tensioni.

Sono dati:

❑coefficiente di dilatazione termica del vetro

❑a_V=8x10^-6 °C^-1

❑coefficiente di dilatazione termica del metallo a_M=15x10^-6 °C^-1

❑sforzo di rottura del vetro s_V=60MPa

❑modulo di Young del vetro E=40GPa

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Monomero mer e polimero

❑ Dal monomero al polimero. Dare la definizione di reazione di polimerizzazione e descrivere uno dei meccanismi di polimerizzazione descritti a lezione

❑

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Tg nei polimeri

❑Discutere l’evoluzione delle proprietà dei polimeri termoplastici facendo riferimento in particolare alla temperatura di transizione vetrosa

Polimeri

❑ Proprietà e applicazioni dei polimeri amorfi sopra e sotto la temperatura di transizione vetrosa.

Polimeri, rigidità, resistenza e temperatura

❑Discutere la resistenza meccanica di un polimero semicristallino in funzione della temperatura correlandola con le variazioni di rigidità riportate di seguito.

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

I polimeri

❑Abbinare le classi dei materiali polimerici alle affermazioni riportate sotto

❑a) Termoplastici

❑b) Termoindurenti

❑c) Elastomeri

❑

❑(___) amorfi, rigidi, non possono essere riformati

❑ (___) cristallini o amorfi, rigidi al di sotto di una temperatura

❑ (___)presentano comportamento elastico in un ampio range di deformazioni possono essere riformati attraverso riscaldamento.

Grado di polimerizzazione e peso molecolare

❑

Calcolare il peso molecolare di una molecola di PVC con un grado di polimerizzazione di 1000

❑ MW_Cl

= 35,45

❑ MW_C

= 12

❑ MW_H

= 1

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Polimerizzazione del polietilene

La polimerizzazione del polietilene per poliaddizione è iniziata dalla dissociazione del perossido di idrogeno:

H

O

➔ 2OH•

Calcolare la quantità in peso percentuale da aggiungere all’etilene per ottenere un grado di polimerizzazione di 750.

Si supponga che tutti i gruppi si trasformino in gruppi terminali delle molecole

OH HO

Peso molecolare e grado di polimerizzazione e

❑

Calcolare il grado di polimerizzazione di una molecola di PVC con peso molecolare di 40.000g/mol

❑ MW_Cl

= 35,45

❑ MW_C

= 12

❑ MW_H

= 1

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Polimerizzazione del prolipropilene

❑La polimerizzazione del polipropilene per poliaddizione è iniziata

dalla dissociazione del perossido di benzoile:

[C

H

C(O)]

O

→ 2C

H

CO

•

❑ Calcolare la quantità in peso percentuale da aggiungere

all’etilene per ottenere un grado di polimerizzazione di 800.

❑ Si supponga che tutti i gruppi si trasformino in gruppi terminali

delle molecole

❑

Lunghezza estesa di una molecola di polietilene

❑ Un campione di polietilene ha un grado di polimerizzazione pari a 750.

Calcolare la lunghezza estesa di una molecola media sapendo che la

lunghezza di un singolo legame C-C è 0,154nm, l’angolo di legame C-C-C è 109,5°

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Rigidità e resistenza dei polimeri

❑ Descrivere la variazione della rigidità e della resistenza dei polimeri semicristallini in funzione della temperatura

Gomma siliconica

❑Calcolare il grado di polimerizzazione e la lunghezza estesa di una gomma siliconica avente peso

molecolare 25.000g/mol. Ricordiamo che la lunghezza di un singolo legame Si-O è 0,163nm, l’angolo di legame Si-O-Si è 130°. (pesi atomici: Si 28,08, O 15,99, C 12,01)

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Composito 1D

❑Calcolare il modulo di Young longitudinale (fasi in parallelo) di un poliestere rinforzato con il 40% di fibre di carbonio.

❑Calcolare il carico tensile massimo applicabile su una barra di tale composito

❑Dati:

Ef = 300GPa Em = 6,9GPa

Resistenza a trazione fibra di carbonio 3500MPa

Resistenza del poliestere 50MPa

Composito a fibre lunghe

❑ Un composito rinforzato con fibre di carbonio continue ed allineate ha il 50% in volume di fibre (modulo 400GPa e

resistenza 5GPa) ed il 50%di resina poliestere (modulo 3,4GPa, resistenza 40MPa).

❑ Calcolare il modulo di elasticità e la resistenza a massima nella direzione longitudinale (fasi in parallelo)

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Materiali compositi In un composito uno

dimensionale a fibre lunghe a matrice duttile il carico è applicato in serie e parallelo alle fibre dire cosa è vero:

a) in serie modulo alto e alta resistenza

b) in parallelo alto modulo e alta resistenza

c) in serie bassa resistenza alta duttilità

d) in parallelo basso modulo alta resistenza

A. Licciulli, A. Maffezzoli, F. Lionetto Compositi e rinforzi

Modulo di Young longitudinale

❑Applicando la condizione di isostrain:

εcl = ε_m = ε_f =Δl/l

Il carico applicato P_c si ripartisce tra fibra e matrice P_c = P_f + P_m

Ossia indicando le sezioni trasverse, del composito A_c, delle fibre A_f e della matrice A_m

σclA_c = σ_fA_f + σ_mA_m = (E_f A_f +E_m A_m)εcl

σcl = E_cl εcl = (E_fA_f/A_c + E_mA_m/A_c) ε_cl = (E_fV_f +E_mV_m)ε_cl

❑Quindi:

E_cl = E_fV_f +E_mV_m σ cl = σ _fV_f + σ _mV_m

Modulo di un polimero fibrorinforzato

❑ Calcolare il modulo di Young longitudinale (fasi in parallelo) di un poliestere rinforzato con il 50% di fibre di carbonio

❑Dati:

E_f = 72,4GPa E_m = 6,9GPa