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Densità e tribologia Densità La densità è la massa per unità di volume. La sua unità di misura nel sistema internazionale è Mg/m3. Se un componente in alluminio ha la stessa resistenza dell'acciaio avrà un rapporto resistenza su peso o resistenza su massa 3 volte maggiore. Questa è la ragione per cu...

Densità e tribologia Densità La densità è la massa per unità di volume. La sua unità di misura nel sistema internazionale è Mg/m3. Se un componente in alluminio ha la stessa resistenza dell'acciaio avrà un rapporto resistenza su peso o resistenza su massa 3 volte maggiore. Questa è la ragione per cui gli aerei supersonici sono costruiti soprattutto con leghe di alluminio. Esistono, tuttavia, acciai che sono molto più resistenti di qualsiasi lega di alluminio e le componenti più stressate degli aerei sono perciò realizzate in acciaio o lega di titanio. In altri casi una densità elevata è vista favorevolmente. Per esempio i pesi attaccati al cerchio delle automobili per bilanciare il peso sono in piombo e pareti o protezioni in piombo sono usate dai radiologi per proteggersi contro le radiazioni X. In questo caso la densità elevata sarà uno dei fattori per selezionare il materiale. Tribologia La tribologia è la scienza, la tecnologia e la pratica relative alle superfici in contatto in moto relativo. Comprende vari settori: Adesione. Quando due corpi vengono portati in intimo contatto tale per cui gli atomi si trovano a distanze interatomiche, si possono realizzare legami forti; nel linguaggio della tribologia si verifica una adesione che richiede una forza non trascurabile per separare i due corpi. L'adesione tra due solidi può comportare la formazione di un giunto forte (saldatura a pressione) e il controllo del processo produttivo è finalizzato a controllare la resistenza del giunto. Una resistenza elevata è desiderabile quando lo scopo sia quello di realizzare una struttura composita. Si cerca di evitare l'adesione quando si desidera che l’attrito e l’usura siano bassi, sia nei processi manifatturieri che in servizio, come nel contatto tra uno stampo e il pezzo che deve essere prodotto o nei cuscinetti a sfera. L'adesione può essere ridotta mediante una scelta appropriata dei materiali a contatto. In generale, i materiali più duri mostrano una bassa adesione e alcuni materiali, indipendentemente dalla durezza, sono caratterizzati da adesione bassa (per esempio il piombo a contatto con altri metalli o il teflon a contatto con metalli o plastiche). In alternativa, un film contaminante può essere interposto per impedire la formazione di legami atomici. Alcuni film contaminanti vengono forniti dalla natura; i materiali lavorati nell'atmosfera terrestre usuale hanno un film superficiale formato a contatto con l'aria. Quantomeno si formano film formati dall'assorbimento di gas e vapore acqueo. Su molte superfici si verificano anche reazioni chimiche: la maggior parte dei metalli si ossida a contatto con l'aria e alcuni polimeri e ceramici vanno incontro a modifiche irreversibile a contatto con l’aria umida. Di conseguenza le superfici tecniche non sono mai completamente pulite. Nonostante questo, l'adesione si può verificare ugualmente quando un moto relativo di strisciamento causa la rottura dei film superficiali e quando le temperature sono sufficientemente alte da provocare la migrazione di atomi da un corpo all'altro, detta diffusione. Attrito I componenti meccanici spesso scorrono su un altro corpo. La forza normale P esercita una tensione normale che è spesso chiamata pressione di interfaccia e viene indicata con p, invece di sigma. La forza necessaria per muovere il corpo parallelamente alla superficie è detta forza di taglio F; dividendo F per l’area della superficie A si ottiene la tensione tangenziale i, dove i indica interfaccia. Per definizione, il coefficiente di attrito è dato dalla formula illustrata in figura. A livello microscopico le superfici non sono perfettamente lisce ma sono caratterizzate da asperità e avvallamenti. L'attrito deriva dall'interazione tra queste asperità e dall'adesione. In molte applicazioni è necessario minimizzare il coefficiente di attrito mediante l'uso di un lubrificante o selezionando materiali caratterizzati da attrito basso o entrambe le soluzioni. Le coppie di materiali caratterizzate da adesione bassa spesso, ma non sempre, hanno anche attrito basso. La tessitura superficiale, cioè la rugosità e il suo orientamento, che è determinata dal processo produttivo, è molto importante da questo punto di vista. Usura le perdite economiche dovute all'usura sono enormi. L'usura è la progressiva perdita di materiale dalla superficie dei componenti a contatto. Di solito è la conseguenza dell'azione contemporanea di vari meccanismi, tra i quali uno prevale. I più importanti sono i seguenti: 1. l’usura adesiva si verifica quando un giunto saldato a pressione è più resistente di uno dei due corpi a contatto e sottrae una particella da quel corpo. 2. l’usura abrasiva è causata da particelle dure, siano esse all'interno di uno dei corpi a contatto (usura dei due corpi) o sono interposte tra i due componenti (usura dei tre corpi) 3. L'usura a fatica si verifica quando il passaggio ripetuto di un componente sulla superficie dell'altro porta alla separazione di piccole particelle dalla superficie, come nei cuscinetti a sfera. 4. L'usura chimica è causata da attacco chimico accelerato dalla pressione e dallo strisciamento prevalente nei contatti tribologici. Numerose tecniche di valutazione dell'usura sono disponibili; di solito simulano nel modo più accurato possibile le condizioni che si verificano in servizio. Sono stati messi a punto materiali caratterizzati da elevata resistenza all'usura. In alternativa la resistenza all'usura può essere aumentata rivestendo la superficie o trasformando la superficie in modo che sia caratterizzata da maggiore resistenza. In alcuni processi manifatturieri si induce un'usura controllata e accelerata. Lubrificazione L'obiettivo della lubrificazione è la riduzione o, più correttamente, il controllo sia dell'attrito che dell'usura. Oltre a scegliere coppie di materiali caratterizzate da bassa adesione ed attrito, una sostanza distinta detta lubrificante spesso viene interposta tra le superfici a contatto. I lubrificanti possono essere raggruppati sulla base della loro modalità di azione: 1. fluidi viscosi, come gli oli minerali, introdotti in una fessura convergente tra le superfici in movimento possono realizzare un film sufficientemente spesso da separare le due superfici. Questa lubrificazione idrodinamica virtualmente elimina l'usura e l'attrito è molto basso. 2. I lubrificanti di tipo boundary sono sostanze organiche, come gli acidi grassi, che vengono trattenute sulle superfici dei corpi a contatto e prevengono l'adesione anche quando il film fluido si assottigli al punto che si verifica contatto tra le asperità. Anche oli naturali, grassi, saponi e cere posseggono questa proprietà in qualche misura. 3. I lubrificanti EP (estrema pressione) sono sostanze chimiche (di solito sostanze organiche contenenti zolfo, cloro o fosforo) che reagiscono ad alta temperatura con i metalli per proteggerli dall'adesione e dall'usura rapida; spesso riducono anche l'attrito. Le problematiche ambientali hanno condotto allo sviluppo dei cosiddetti additivi EP passivi. 4. Lubrificanti solidi come la grafite e il bisolfuro di molibdeno (MoS2) separano le due superfici con uno strato con bassa resistenza al taglio. Sono in grado di lubrificare anche quando le velocità di strisciamento sono basse o le temperature alte. La lubrificazione ha un'importanza critica in molte operazioni manifatturiere e nel servizio di organi meccanici. L'operatività di tali organi richiede un controllo molto accurato delle dimensioni e della finitura superficiale. Questo non vuol dire necessariamente che la superficie debba essere molto liscia; per esempio il funzionamento dei motori a combustione interna si basa su una rugosità controllata con tessitura incrociata sulla superficie del cilindro.