Principi base della scelta dei materiali

Oggi andremo a vedere quali sono i principi base nella scelta di materiali per determinati tipi di applicazioni. Buona lettura!

Quali sono i tipi di materiali tra cui è possibile effettuare una scelta?

Prima di parlare di come effettuare una scelta, andiamo a fare una veloce panoramica sui materiali tra i quali è possibile effettuare una scelta. Di seguito sono indicate le categorie di materiali più comuni nelle applicazioni industriali:

• Metalli, tipicamente utilizzati in gran parte delle applicazioni industriali e non. La parola metalli è molto generica ed apre a sua volta un mondo (possiamo parlare di Acciaio, Ghisa, Alluminio, Titanio ecc). Le proprietà di questa categoria di materiali sono molto vaste e diversificate, a seconda del tipo di metalli in questione.
• Vetri, materiali caratterizzati da elevata fragilità e da trasparenza. Tipicamente utilizzati nell’ambito industriale e domestico.
• Ceramici, materiali caratterizzati da fragilità ma resistenza ad alte temperature. Troviamo applicazione domestica di questi materiali in cucina (piatti, pirofile ecc), mentre a livello industriale vengono utilizzati in quelle applicazioni dove si hanno temperature elevate (dischi dei freni, palette delle turbine ecc), in quanto sono ottimi isolanti. In campo industriale è possibile utilizzare anche rivestimenti ceramici (piuttosto che realizzare il pezzo totalmente in ceramica)
• Elastomeri, Ovvero materiali che possiedono grandi proprietà elastiche (si pensi ad elastici, guarnizioni ecc). Vengono usati anch’essi in applicazioni sia domestiche che industriali, in tutti quei casi in cui è richiesta un’alta deformabilità del pezzo, nonchè un’alta capacità di tornare al punto di partenza (elasticità)
• Polimeri, più volgarmente detti plastiche. E’ una tipologia di materiale che sta prendendo sempre più piede nelle nostre vite, in quanto si stanno realizzando polimeri con caratteristiche sempre più simili a quelle di altri materiali (dal punto di vista chimico è possibile sostenere una costante ricerca verso nuove tipologie degli stessi, al fine di sviluppare plastiche con nuove combinazioni di proprietà)
• Compositi, trattasi di materiali composti da più tipi. Anche in questo caso si apre un mondo: si possono raggiungere svariate combinazioni di caratteristiche meccaniche grazie all’unione tra differenti tipi di materiali.

Qual’è il criterio sul quale si effettua una scelta?

Il tipo di scelta che verrà effettuata dipende da diversi fattori, ma il principio base da utilizzarsi è l’individuazione delle principali caratteristiche (meccaniche, termiche, elettriche) necessarie in una certa applicazione e la conseguente individuazione dei materiali che meglio le soddisfano. La scelta potrà essere effettuata secondo una valutazione sia qualitativa che quantitativa, a seconda dei dati a disposizione e del caso in questione.

Solitamente, prima di andare nello specifico del materiale da utilizzare, viene effettuata una pre-scelta sulla tipologia di materiale adatto all’applicazione (utilizziamo una ceramica? un metallo?). Questo non sempre è la scelta migliore, in quanto potremmo alla base avere un incertezza tra 2 o più materiali appartenenti a caratteristiche differenti (ad esempio, meglio un alluminio o un carbonio per una determinata applicazione?)

Facciamo un esempio per chiarire meglio quanto spiegato. Supponiamo di dover scegliere un materiale per un’applicazione in cui sia necessario avere peso ridotto, isolamento termico, un certo grado di resistenza strutturale. In questo caso è possibile valutare quantitativamente le varie alternative considerando i parametri seguenti:

• ρ (densità), che dovrà essere quanto minore possibile
• K (conduttività termica), che dovrà essere quanto maggiore possibile
• Rsn (Resistenza a snervamento), che dovrà essere superiore alla soglia limite calcolata (per il corretto funzionamento)
• Costo, da considerarsi in ogni caso (un materiale perfetto ma con costi eccessivi non ha applicazione industriale)

Immaginiamo di avere 2 o 3 materiali con caratteristiche compatibili alle necessità del caso. Se la scelta fosse di tipo quantitativo, per ciascuno di essi si andrebbe ad individuare il valore numerico corrispondente alla caratteristica in esame. Ciascuna caratteristica avrà un obiettivo, ma la scelta finale sarà dovuta all’interazione tra di esse.

Tornando all’esempio di prima, elenchiamo gli obiettivi per ciascuna caratteristica:

• Nel caso del costo, l’obiettivo sarà raggiungere la quantità minima possibile (a parità di caratteristiche, il pezzo deve costare quanto meno possibile)
• Nel caso della conduttività termica, l’obiettivo sarà restare sotto la soglia minima richiesta dal problema
• Nel caso della Resistenza a snervamento, l’obiettivo sarà restare sopra la soglia minima richiesta dal problema
• Per quanto riguarda infine la densità, essa dovrà essere quanto più bassa possibile (a parità di dimensioni, il pezzo deve essere quanto più leggero possibile)

Supponiamo di avere scelta tra 3 possibili materiali:

• Per il materiale 1, abbiamo le seguenti caratteristiche:
  • Costo: alto
  • ρ: bassa
  • K: molto sotto la soglia
  • Rsn: molto sopra la soglia

• Per il materiale 2, abbiamo le seguenti caratteristiche:
  • Costo: basso
  • ρ: bassa
  • K: sotto la soglia
  • Rsn: sopra la soglia

• Per il materiale 3, abbiamo le seguenti caratteristiche:
  • Costo: alto
  • ρ: molto bassa
  • K: sopra la soglia
  • Rsn: sopra la soglia

Cominciamo l’analisi scartando subito il materiale 3, che ha una caratteristica tecnica (K) non conforme e pertanto non può essere utilizzato. La scelta resta tra materiale 1 e 2, che hanno caratteristiche meccaniche conformi e sono pertanto candidati alla scelta.

Il materiale 1 ha ottime caratteristiche per quanto riguarda K e Rsn, molto maggiori della soglia richiesta: in realtà, essendo l’obiettivo di queste 2 caratteristiche una quantità minima e non il massimo/minimo possibile, questa extra caratteristica non offre un reale valore aggiunto. Per contro, il costo di questo materiale è alto, cosa che lo svantaggia rispetto al materiale 2, che ha K e Rsn non eccessivamente sopra la soglia ma costo e densità bassi. Pertanto, alla fine la sceltà volgerà verso il materiale 2.

Conclusioni

L’articolo di oggi voleva dare una breve infarinatura su quelli che sono i principi base nella scelta dei materiali. Spero che l’articolo sia stato di vostro gradimento: fatemelo sapere nei commenti

Ci risentiamo nel prossimo articolo

Un saluto

Luca