Introduzione: tipi di punti di forza

La forza di un materiale è semplicemente la sua capacità di sopportare il carico prima che si deformi o si rompa. I metalli hanno diversi tipi di resistenza che devono essere analizzati attentamente per determinarne la resistenza e la durezza e la loro idoneità per applicazioni specifiche. Normalmente usiamo a tester di durezza per testare la durezza di un oggetto.

Alcuni materiali sono più adatti per un tipo specifico di applicazioni rispetto ad altri materiali a causa della loro durezza e resistenza. Comprendere la resistenza dei materiali aiuta a garantire la sicurezza e l'alta qualità del prodotto finale che sarà conforme ai diversi adempimenti normativi. I diversi tipi di resistenza per i metalli sono discussi di seguito:

Resistenza alla compressione

La resistenza alla compressione di un materiale è la quantità massima di forza che può sopportare prima di essere compresso o schiacciato.

La resistenza alla compressione del materiale resiste alla forza applicata per la compressione. Materiali diversi reagiscono in modo diverso al raggiungimento del limite di resistenza alla compressione. Alcuni materiali si fratturano a questo punto mentre altri possono deformarsi in modo irreversibile.

La resistenza alla compressione viene misurata utilizzando una macchina di prova universale e viene calcolata dividendo il carico massimo per l'area della sezione trasversale del provino.

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La resistenza alla compressione è un indicatore popolare e chiave utilizzato per determinare l'idoneità dei materiali nel settore delle costruzioni. La misurazione della resistenza alla compressione può essere influenzata dai metodi di prova e dall'ambiente di prova.

Resistenza alla trazione

La resistenza alla trazione è la quantità massima di sollecitazione o forza che un materiale può sopportare prima che possa essere separato o rotto. Viene calcolato dividendo la forza totale per l'area della sezione trasversale originale del provino.

È generalmente rappresentato come libbre per pollice (psi). L'unità SI per la resistenza alla trazione è Pascal (Pa).

La resistenza alla trazione di un provino viene misurata tirando il provino con un tensometro a una tensione costante finché non si rompe. Alcuni materiali si rompono bruscamente senza alcuna deformazione plastica e questo è noto come rottura fragile.

Altri materiali più duttili subiscono una piccola deformazione plastica e poi si sgretolano prima di rompersi. La resistenza alla trazione è una misura importante della resistenza del metallo per valutarne l'idoneità per un diverso tipo di applicazioni.

Forza d'impatto

La resistenza all'urto di un materiale è la sua capacità di assorbire una forza improvvisa o un impatto prima che si rompa. È espresso in termini di energia: la quantità di energia meccanica assorbita dal materiale nel processo di deformazione e frattura.

La resistenza all'urto di un materiale è un indicatore importante che viene utilizzato per determinare se agirà in modo fragile o duttile. Dà una buona idea della tenacità del materiale.

 

Il test di impatto a flessione è comunemente usato per determinare la resistenza all'urto di un provino. Abbassando la temperatura, un drastico calo della resistenza all'urto del provino indica la temperatura fragile del materiale. Stime affidabili della resistenza all'urto di un provino sono possibili solo a temperature superiori alla temperatura di fragilità.

I fattori che influenzano la resistenza all'urto dei materiali includono il volume, il modulo di elasticità, la resistenza allo snervamento e la distribuzione delle forze attraverso la sezione del materiale.

Resa

La resistenza allo snervamento aiuta a determinare la misura in cui un materiale è ostinato o duttile. Il punto in cui un materiale diventa completamente plastico e cede è noto come punto di snervamento.

La resistenza allo snervamento è la quantità di sollecitazione alla quale si verifica la deformazione permanente del provino. Prima di raggiungere il punto di snervamento, il materiale si deformerà elasticamente e tornerà alla sua forma originale. Tuttavia, una volta raggiunto il punto di snervamento, la deformazione è plastica e irreversibile.

Il carico di snervamento è indicativo del limite di comportamento elastico di un materiale. I metalli duttili come il ferro hanno una resistenza allo snervamento maggiore rispetto alla plastica. La resistenza allo snervamento viene utilizzata dagli ingegneri per determinare l'idoneità all'uso nelle costruzioni e nelle opere civili.

Dettagli dei materiali più resistenti al mondo

I dettagli di alcuni dei materiali più resistenti al mondo sono forniti di seguito:

Acciaio

L'acciaio non è un metallo puro ma una lega costituita dalla combinazione di ferro, carbonio e altri elementi. Il ferro viene riscaldato nella fornace e le sue impurità vengono rimosse e questo è seguito dall'aggiunta di carbonio. L'aggiunta di altri elementi come manganese, niobio e vanadio aggiunge più forza all'acciaio.

 

L'acciaio è uno dei metalli più usati al mondo. Ha diverse applicazioni e viene utilizzato principalmente nei trasporti, nelle infrastrutture, nell'edilizia, ecc.

La maggior parte degli edifici contemporanei e altre strutture fanno un uso massiccio dell'acciaio che aiuta a tenerlo insieme. Esistono diversi tipi di lega di acciaio.

L'acciaio inossidabile è una lega di acciaio antiruggine e anticorrosione prodotta aggiungendo almeno 11% di cromo all'acciaio normale. L'acciaio Maraging si ottiene aggiungendo nichel e altri elementi. Ha un basso contenuto di carbonio ed è molto resistente, il che lo rende ideale per applicazioni avanzate come la produzione di pelli di razzi e missili, lame per scherma, ecc.

Titanio

Il titanio è un metallo color argento che è leggero e ha un'elevata resistenza alla trazione. Si trova abbondantemente sulla Terra principalmente come ossidi in rocce ingegnose. Sebbene sia un metallo duro, non è duro come alcuni acciai trattati termicamente. Inoltre non è forte o duro come un diamante.

Tuttavia, il suo rapporto tra resistenza alla trazione e densità è superiore anche al tungsteno, ma è inferiore nella scala di durezza Mohs rispetto al tungsteno.

 

Uno dei vantaggi distintivi dell'utilizzo del titanio rispetto all'acciaio è che è leggero. Il titanio viene miscelato con diversi altri metalli come ferro, alluminio, vanadio, ecc. Per formare leghe più forti e più dure.

Queste leghe di titanio sono versatili, leggere ed estremamente resistenti e trovano un'ampia varietà di applicazioni nel settore automobilistico, aerospaziale, aeronautico e in altre applicazioni industriali.

È comunemente usato per la produzione di parti di aeromobili. Il titanio è anche altamente resistente alla corrosione e alla ruggine, il che lo rende popolare per diverse applicazioni.

Tungsteno

Il tungsteno è un metallo raro scoperto da Carl Scheele nell'anno 1781. Ha un punto di fusione molto alto e ha una forza massima di 1510 Megapascal, che lo rende uno dei metalli più duri sulla Terra.

È di colore grigio metallizzato e quando viene raffinato nella sua forma più pura, è più forte di molti tipi di acciai. Tra tutti i metalli puri, il tungsteno ha il punto di fusione più alto, il punto di vaporizzazione più basso e la resistenza alla trazione più elevata.

È anche noto per avere il coefficiente di dilatazione termica più basso tra tutti i metalli puri. La maggior parte del tungsteno viene utilizzata commercialmente per la produzione di materiali duri, in particolare il carburo di tungsteno.

È usato per realizzare coltelli, trapani, torni, ecc. È anche comunemente usato in applicazioni elettriche e militari. La tenacità del tungsteno può essere drasticamente migliorata legandolo con l'acciaio.

 

Inconel

L'Inconel è una superlega di nichel-cromo sviluppata per la prima volta negli anni '40. sebbene l'esatta composizione delle leghe Inconel vari considerevolmente, sono tutte nichel combinato con cromo come secondo elemento. È una lega resistente all'ossidazione e alla corrosione ed è ideale per l'utilizzo in ambienti estremi soggetti ad alta pressione ed energia cinetica.

Inconel è caratterizzato da un'elevata resistenza, che non viene influenzata nemmeno alle alte temperature. Questo lo rende perfetto per essere utilizzato in applicazioni che comportano temperature estremamente elevate in cui alluminio e acciaio altrimenti soccomberebbero al calore.

 

Considerando che Inconel è una lega estremamente dura in grado di resistere a condizioni di lavoro estreme, è comunemente utilizzata in settori come quello aerospaziale e automobilistico. È anche comunemente usato nelle pale delle turbine a gas, negli alberi delle pompe per motori dei pozzi, negli impianti di lavorazione chimica, nei reattori ad acqua pressurizzata nucleare, ecc.

Diamante

Il diamante è il minerale più duro trovato sulla Terra. È un allotropo del carbonio ed è il minerale più duro presente in natura. È il meno comprimibile e il miglior conduttore termico tra tutti i materiali naturali.

La durezza di un diamante è il livello più alto della scala 10 di Mohs. È 1000 volte più duro del quarzo e 150 volte più duro del corindone.

Sulla scala Rockwell, la durezza del diamante è 98,07 HRC mentre il titanio misura 36 HRC sulla stessa scala in termini di durezza.

 

Essendo il minerale più duro conosciuto al mondo, il diamante è ampiamente utilizzato nella produzione di punte di perforazione, frese per perforatrici da roccia, inserti per utensili da taglio, matrici per estrusione, strumenti di rettifica ottica, rivestimenti per cuscinetti a sfera, ecc.

Il diamante ha anche eccellenti proprietà di semiconduttore grazie alle quali è anche comunemente usato per la produzione di transistor ad alta potenza, circuiti integrati ad alta temperatura, dispositivi piezoelettrici, ecc. Viene anche utilizzato nei test di durezza come penetratore.

Cromo

Il cromo è il metallo più duro conosciuto sulla Terra e misura 8,5 sulla scala di Mohs. Ha anche un alto punto di fusione. Mostra proprietà antiferromagnetiche a temperatura ambiente, tuttavia, sopra i 30 gradi Celsius, si trasforma in materiale paramagnetico.

Ha un'elevata riflessione speculare grazie alla quale viene utilizzato per il rivestimento per scopi riflettenti.

È anche molto resistente alla corrosione e alla ruggine, il che lo rende popolare come materiale di rivestimento sulle superfici esterne per proteggerlo dalla corrosione. È per questo motivo che viene miscelato con l'acciaio per formare una lega di acciaio inossidabile esente da corrosione e ruggine.

 

Viene anche utilizzato per il rivestimento di parti automobilistiche che le proteggono dalla corrosione e ne migliorano anche l'aspetto estetico. Si stima che quasi 85% di cromo venga utilizzato per la produzione di leghe metalliche e il rimanente sia utilizzato in coloranti e vernici, conservanti del legno, concia, materiale refrattario, catalizzatore per la produzione di idrocarburi, ecc.

Nitruro di boro

Il nitruro di boro è un composto di boro e azoto. Esiste in molte forme cristalline. La forma wurtzite del nitruro di boro è rara ed è considerata persino più dura del diamante. Sulla base dei risultati di una simulazione, questa forma di nitruro di boro dovrebbe essere 18% più dura del diamante.

Tuttavia, poiché esiste solo una quantità molto piccola di questo minerale, non è stato ampiamente testato per verificare sperimentalmente l'affermazione.

Il nitruro di boro rappresenta un grado molto elevato di stabilità chimica e termica. È utilizzato in cosmetici, vernici, cemento dentale, mine per matite, ecc.

 

Grazie alla sua eccezionale stabilità termica e chimica, viene utilizzato anche nella produzione di parti di apparecchiature ad alta temperatura. Può essere aggiunto in diversi metalli, ceramiche, plastiche, gomma, ecc. per conferire loro proprietà autolubrificanti. Questi materiali sono quindi ideali per la costruzione di cuscinetti a sfera e per la lavorazione dell'acciaio.

Lonsdaleite

Lonsdaleite è un allotropo del carbonio con un reticolo esagonale per cui è anche comunemente chiamato diamante esagonale. Si verifica naturalmente quando i meteoriti contenenti grafite colpiscono la Terra.

Il calore estremo e la pressione dell'impatto del meteorite convertono la grafite in diamante ma conserva il reticolo cristallino esagonale che è una caratteristica chiave di Lonsdaleite.

È stato scoperto per la prima volta nel 1967 durante lo sciopero del meteorite del Canyon Diablo. Da allora, è stato anche prodotto in un laboratorio allestito comprimendo e riscaldando la grafite o mediante deposizione chimica da vapore.

La Lonsdaleite è traslucida e di colore giallo-brunastro e la sua durezza è considerata 58% superiore a quella di un diamante. È anche noto per resistere a pressioni di indentazione di 152 Gpa, mentre il diamante dovrebbe rompersi a 97 Gpa. La Lonsdaleite è anche più forte del nitruro di boro poiché i legami carbonio-carbonio in essa contenuti sono molto più forti dei legami boro-azoto nel nitruro di boro.

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Grafene  

Il grafene è un allotropo del carbonio che esiste in una forma reticolare bidimensionale ed esagonale.

Il grafene ha molte proprietà significative ed è noto per essere almeno 100 volte più forte della forma più forte di acciaio. È quasi trasparente e un eccellente conduttore di calore ed elettricità. Il grafene ha una resistenza alla trazione di 130 Gpa che lo rende uno dei materiali più resistenti mai scoperti.

Oltre ad essere estremamente resistente, il grafene è anche notevolmente leggero. Pesa circa 0,77 mg per metro quadrato che è 1000 volte più leggero del peso di 1 metro quadrato di carta.

 

Il grafene è noto per avere alcune proprietà sorprendenti e molte nuove funzionalità sono ancora in fase di scoperta. Viene comunemente utilizzato in domini come l'ingegneria biologica, l'elettronica ottica, lo sviluppo di sistemi di filtrazione dell'acqua, ecc. In futuro, si prevede che il grafene verrà utilizzato per creare materiali compositi che saranno molte volte più resistenti e leggeri di quelli attualmente in uso metalli e leghe.

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