Appunti Materiali

Applicazioni dei materiali

Classi dei materiali

I materiali sono divisi in classi, definite in base alla struttura chimica del materiale:

• Polimeri
• Metallici
• Ceramici-vetri e leganti
• Lignei

Proprietà dei materiali

Le proprietà dei materiali sono fondamentali per selezionare quello più adatto allo scopo. Dipendono da:

• Natura degli atomi e legami
• Distribuzione e disposizione spaziale di atomi e molecole: struttura
• Difetti nella distribuzione

Atomo

Circa 100 atomi stabili in natura. Gli atomi differiscono per il numero di neutroni (ioni) e protoni ed elettroni. Il modello dell'atomo di Bohr è basato su orbitali stabili con livelli energetici determinati che ospitano un numero definito di elettroni. Gli elettroni possono muoversi da un livello all'altro cedendo o acquisendo energia. Il modello descrive l'atomo e la sua struttura elettronica. Il comportamento fisico-chimico di un atomo dipende soprattutto dai suoi elettroni di valenza (livello energetico più esterno).

Mendeleev aveva avvicinato nella tavola periodica elementi dal comportamento simile, senza essere a conoscenza degli elettroni di valenza; la distribuzione è comunque uguale: gruppi con atomi con lo stesso numero di elettroni di valenza negli stessi (colonne). Gli atomi tendono a formare legami chimici per completare il livello di valenza e raggiungere la stabilità elettronica.

L'elettronegatività (X) è la capacità di attrarre elettroni da un altro atomo per completare la valenza; aumenta nei gruppi vicini ai gas nobili perché acquisiscono elettroni, mentre quelli lontani dai gas nobili con 1 o 2 e- di valenza tendono a cederli, quindi sono meno elettronegativi. Gli elementi sono chimicamente inerti se il livello energetico di valenza è completo con 8 elettroni (2 per l'elio) perché non hanno tendenza a formare nuovi legami.

Legami

Legame covalente

ΔE < 1.5

• Puro: atomi uguali o con uguale X -> coppia elettronica divisa in modo simmetrico
• Molecola polare: X diversa, elettroni spostati verso atomo più elettronegativo o si forma dipolo elettrico: molecola con una parte elettricamente + e altra -
• Molecola apolare: atomi condividono fino a 3 coppie di elettroni. Orbitali degli elettroni condivisi sono sovrapposti

Il legame covalente è forte perché gli atomi completano la valenza, creando una molecola stabile. Per rompere il legame è necessaria molta energia (E legame = 520-1250). È direzionale -> materiale fragile, scarsa conduzione perché gli atomi sono stabili. Composti o elementi (H₂); solidi, liquidi, gas. Esempio: idrogeno H₂, carbonio in catene.

Legame ionico

ΔE > 1.5

Con elevata ΔE si formano due ioni (uno + e uno -) perché l'atomo con X maggiore "strappa" elettroni da quello con X minore. Non c'è condivisione ma attrazione elettrostatica tra cariche opposte. È un legame forte con energia pari a 625-1550kJ/mol. Materiale fragile, scarsa conducibilità (conducono da liquidi). Solo composti solidi con alta T_m.

Legame metallico

Si forma tra atomi di elementi metallici per creare aggregati cristallini. Gli ioni + sono in posizioni fisse e ordinate nello spazio, circondati da una nuvola elettronica mobile di elettroni delocalizzati (non legati a un atomo specifico ma ceduti dagli atomi e condivisi). Gli elettroni si spostano creando e distruggendo legami ogni frazione di secondo, con un'attrazione reciproca tra la nuvola e gli ioni + per cariche opposte. Questo legame è responsabile delle proprietà macroscopiche degli elementi metallici come conducibilità termica ed elettrica, lucentezza, malleabilità e duttilità perché offre movimenti ai nuclei atomici. È un legame forte con E compresa tra 100-800.

Legame debole

Le interazioni elettrostatiche tra molecole o gruppi di atomi con distribuzione elettrica asimmetrica (dipolo elettrico) sono deboli. Ad esempio, nelle macromolecole, i legami deboli danno resistenza a sollecitazioni come nei polimeri. Esistono legami di idrogeno e Van Der Waals per dipoli molto deboli, con E inferiore a 40.

Classi di materiali dipendenti dai legami

• Solidi metallici: Duttili e malleabili, conduttori e lucenti per la nube elettronica metallica
• Solidi covalenti: Uno o pochi tipi di atomi, alte temperature di fusione. Esempio: diamante
• Solidi ionici: Ioni molto uniti, alte temperature di fusione. Duri e fragili, non conducono perché gli elettroni sono tutti occupati nelle valenze (tranne che liquidi). Esempio: NaCl, ceramici
• Solidi molecolari (legami deboli): Basse temperature di fusione. Esempi: legno, zuccheri

Struttura

La distribuzione spaziale degli atomi e i difetti nella distribuzione conferiscono proprietà macroscopiche a un materiale. Esistono tre tipi di struttura:

Struttura cristallina

Gli atomi/gruppi sono disposti in modo ordinato e ripetitivo nello spazio secondo un reticolo. I legami sono forti e i materiali risultano duri e resistenti con T_m alte.

• Reticolo cristallino metallico: Può essere facilmente deformato per la presenza delle dislocazioni (difetti di linea) che consentono gli scorrimenti di parti del reticolo su altre -> deformazione plastica
• Reticolo cristallino dei ceramici: Non può essere deformato plasticamente. Dopo che la forma è stata fissata con trattamento termico non è più alterabile. Gli oggetti risultano resistenti ma fragili: non deformabili.

Struttura amorfa

Gli atomi/gruppi sono disposti in modo disordinato nello spazio. I legami forti sono dentro le molecole, ma deboli tra le molecole lungo le catene, con caratteristiche meccaniche inferiori rispetto ai cristallini. Esempio: vetro e alcuni polimeri.

Struttura semicristallina

Presenta una coesistenza tra una struttura amorfa con T_g e una cristallina con T_m>T_g. Esempio: polimeri.

Polimeri

I polimeri sono costituiti da macromolecole: atomi legati tra loro con legami covalenti (forti) in lunghe catene tenute insieme da legami deboli (elettrostatici).

Caratteristiche

• Proprietà meccaniche deboli
• Inerzia chimica
• Bassa densità -> leggerezza
• Isolanti termici ed elettrici
• Temperature di fusione basse

Metalli

Definizione

I metalli sono materiali inorganici composti da elementi metallici (o non in alcune leghe). Sulla tavola periodica, i metalli puri occupano posizioni definite.

Caratteristiche generali

• Legame metallico: I cationi (ioni+) occupano posizioni fisse e ordinate nello spazio (struttura cristallina metallica compatta); gli elettroni di valenza degli atomi sono messi in comune formando una nube elettronica -> duttilità, malleabilità e conducibilità.
• Legame forte e adirezionale
• La struttura cristallina può assumere i 3 reticoli più compatti tra i 14 del reticolo di Bravais:
• EC: Esagonale compatto (CPH)
• CFC: Cubico a faccia centrata (FCC)
• CCC: Cubico a corpo centrato (BCC)

Con diverse P e T i metalli possono cambiare struttura cristallina -> polimorfismo o allotropia. Esempio: ferro.

Solidificazione

I metalli sono prodotti dal fuso raffreddato in due stadi:

1. Nuclei di solidificazione dispersi
2. Cristalli -> struttura a grani cristallini -> ognuno con reticolo di orientamento diverso, delimitati da bordi di grano (no unico cristallo)

Difetti

• Puntiformi: Vacanze; Atomi interstiziali (stesso metallo o diverso -> lega); Atomi sostituzionali -> lega ma atomi devono avere dimensioni simili (lega è elemento metallico o non, ospitato nel reticolo metallico -> soluzione solida)
• Lineari: Dislocazioni: successioni di atomi in posizioni non reticolari -> piani atomici reticoli possono scorrere gli uni sugli altri -> deformabilità plastica -> duttilità
• Di superficie: Bordi di grano: superficie di confine tra grani cristallini adiacenti. Sono più fragili del cuore a temperature elevate, quindi il materiale si frantuma lungo essi -> frattura intercristallina. Sono più fragili del cuore a temperature non elevate, quindi il materiale si frantuma attraverso i grani stessi -> frattura transcristallina.

Proprietà generali

• Alta densità, circa 2 g/cm³
• Meccaniche: Elevate tra tutti i materiali per legami forti. Duttilità -> deformazione plastica. Malleabilità -> deformazione plastica. Elasto-plastici. Tratto elastico: solo deformazione del reticolo, senza alterazione della struttura del reticolo. Dopo limite elastico (TYS) Yield deformazione permanente: scorrimento parte di cristallo su altra per dislocazioni. E 30-200 GPa. Fragile a rottura a basse temperature. Non resistenti ad agenti atmosferici senza trattamenti -> corrosione.
• Termiche: Conduttori per nuvola elettronica
• Elettriche: Conduttori per nuvola elettronica
• Ottiche: Opachi, lucenti per nuvola elettronica

Rafforzamento dei metalli

• Incrudimento: Deformazione plastica a freddo, scorrimento di dislocazioni e interazione tra loro, ma - movimento-dimensione dei cristalli -> resistenza aumentata, -> sforzo di snervamento aumentato; -> duttilità diminuita.
• Trattamenti termici:
• Ricristallizzazione: A caldo, a temperature elevate per annullare l'incrudimento -> + duttilità. Riarrangiamento della struttura cristallina + grani, alcuni più grandi di altri - dislocazioni.
• Tempra: Riscaldamento ad alte temperature fino a fare convertire la struttura del reticolo cristallino in un'altra con distorsione, successivo rapido raffreddamento per fissare la struttura -> fase non stabile martensite + dura + fragile. Dopo viene eseguito il rinvenimento (riscaldamento) riprendendo un po' di duttilità, diminuendo di poco le caratteristiche meccaniche.
• Precipitazione: Aggiunta a metallo precipitazione di altro elemento solido nel reticolo cristallino -> deformazione.
• Alligazione: Creare con 1 metallo in quantità maggiore; 2 o più elementi metallici o non, come impurità/atomi nel reticolo, leghe sono:
• Soluzioni solide Interstiziali: Acciaio
• Soluzioni solide Sostituzionali: Ottone
• Composti intermetallici: Reticoli diversi da quelli degli elementi puri che lo compongono

Proprietà delle leghe

• Progettate per avere qualità migliori
• Resistenza aumentata perché il soluto si oppone allo scorrimento delle dislocazioni
• Resistenza alla corrosione dei componenti
• Durezza dei componenti
• Conduttori dei puri
• Temperatura di fusione inferiore del componente che fonde di meno
• O molto più o meno tenaci dei puri

Tipi di leghe

• Ferrose
• Non ferrose
• Ferro: Metallico, polimorfo o allotropico -> cambia struttura cristallina con temperatura

Forme allotropiche del ferro

• A temperatura ambiente -> alfa c.c.c.
• A 912°C -> gamma c.f.c.
• A 1394°C -> delta torna a c.c.c.
• A 1539°C -> liquido

Da fase gamma a alfa raffreddamento varia per tempra (velocità di raffreddamento) e per elementi di lega che variano la temperatura di trasformazione.

Leghe sempre in con C + altri

• Acciai: C < 2.06% di solito 0.2-1%
• Ghise: C > 2.06% di solito 1.5-5.5%

Altri elementi:

• Si (Silicio) -> + resistenza, - saldabilità
• Cu (Rame) -> - corrosione
• Mn (Manganese) -> + durezza, - elasticità
• Cr (Cromo) -> - corrosione, + durezza ma NON - elasticità

Acciai

Comuni “acciai al carbonio”.

• Resistente, tenace, economico e facile da lavorare
• <C + deformabili: teneri e plastici -> lamiere, armature, carrozzerie
• >C + duri e fragili -> lame, cuscinetti

Composizione

• Fe
• C
• Tracce di altri componenti

Classificazione per tenore di carbonio e processo di tempra

• Extradolci: lamiere, tubi, bulloni
• Dolci: chiodi, ferri da costruzione
• Semiduri: componenti di macchine
• Duri: rotaie, cavi, tondini
• Extraduri: coltelli, molle

Classificazione per lega

• Non legati
• Legati
• Debolmente legati: elementi in lega < 5%
• Alto legati: elemento in lega > 5%

Classificazione per uso

• Da costruzione di uso comune
• Di base
• Di qualità
• Da costruzione speciali
• Inox
• Austenitico, Ferritico, Martensitico
• Utensili
• Particolari

Acciai da costruzione

• > Sforzo R, saldabilità, stampabilità
• Di base: Fe+Co. Produzione con tecnologia semplice. E ca 300 MPa
• Di qualità: Fe+C+microleganti. Produzione con tecnologie innovative (tempra) per migliorare proprietà, saldabilità. E ca 450 MPa. Qualità permette: < dimensioni, No finitura, < costi. Usare acciai di qualità microlegati al posto di quelli speciali, < costi
• * Acciai Cor-Ten: strato aderente ossido di ferro -> non serve verniciatura o zincatura
• Speciali: Quasi solo C o debolmente legati. Tempre e rinvenimento -> + resistenza e tenacità. X componenti meccanici sotto elevate sollecitazioni

Acciai inox

• Leghe Fe-C-Cr con altri elementi per migliorare Ni e Mo. Cr>12% -> passivabilità -> proprietà materiale di formare autonomamente con contatto con aria strato ossido sottilissimo e invisibile -> no corrosione
• Austenitici: Ferro c.f.c. non magnetico -> migliori resistenza a corrosione, o + costosi
• Ferritici: Ferro c.c.c. magnetico, no nichel
• Duplex (austeno-ferritici)
• Martensitici: reticolo cristallino distorto, no nelle strutture di Bravais, o magnetico -> migliori caratteristiche meccaniche
• Non sono immuni a corrosione, soprattutto con cloruri (acqua e aria mare)

Ghise

• Leghe Fe+C con C 2.5-4%

Classificazione in base a come è presente C:

• Cementite: Fe₃C, + raro
• Ghisa bianca: Particelle di grafite solo C
• Ghisa grigia: Dipende da composizione, velocità di raffreddamento e trattamento termico con laminette di grafite che si formano con Si+ utilizzata, < costo

Pro e contro

• Pros: Fondono bene, < costo, resistenza a corrosione atmosferica
• Cons: Fragili, < caratteristiche meccaniche, non deformabili per deformazione plastica, né freddo né caldo

Metalli non ferrosi

• > Duttilità
• > Lavorabilità
• > Resistenza a corrosione
• > Conducibilità
• < Densità

Alluminio (Al, 13)

• <<<< Densità (1/3 acciaio)
• > Elasticità
• > Estrudibilità
• > Conducibilità
• Resistenza a corrosione atmosferica con film naturale che si riforma a contatto con atmosfera, ma corrosione in contesti molto acidi o molto alcalini
• Riciclabile al 100%
• Esempio: edilizia per serramenti e rivestimenti

Classificazione

• Con Aluminium Association 4 cifre per famiglia, varianti e purezza
• Serie 1000: Al puro, compatibile con alimenti. Riflettività, anti scintilla, non magnetico, saldabile
• Serie 4000 con Si -> durezza, > fluidità, < coefficiente dilatazione termica, > resistenza a usura. Esempio: getti, per alimentari
• Serie 7000 con Zn + Mg -> caratteristiche meccaniche più elevate tra le leghe. Sensibilità a tensocorrosione
• Serie 5000 e 6000 con Mg + <1% Si e Mn -> resistenza a corrosione

Titanio (Ti)

• 224 elemento più abbondante sulla crosta terrestre
• Proprietà: costo elevato sia puro che leghe; rapporto resistenza-peso medio-alto
• < Densità, peso contenuto
• Biocompatibile
• Atossico
• >> Resistenza a corrosione in molti ambienti per formazione spontanea del film ossido protettivo TiO₂

Caratteristiche del film

• Spesso pochi nanometri
• Idrofilo (idrofilico): assorbe, lega e trattiene acqua
• Semiconduttore
• Può assumere proprietà fotocatalitiche (purificare aria riducendo inquinamento)
• Può essere aumentato con tecniche elettrochimiche fino a centinaia di nanometri migliorando biocompatibilità e atossicità

Proprietà del titanio

• >> Resistenza a fatica ma risente di intagli e spigoli vivi
• Bassa espansione termale
• Buona saldabilità
• Effetto colore/arcobaleno dovuto a riflessione e rifrazione del raggio luminoso in spesso film di ossido -> interferenza ottica -> titanio può assumere diverse colorazioni

Struttura

• e.c. fase alpha a T=885°C
• c.c.c. fase beta fino a 1668°C

Usi

• Usato con zirconia in ambito dentistico (proprietà ed espansione termale simile)
• Più leggero di acciaio ma prestazioni meccaniche simili -> ruoli strutturali
• Rivestimenti esterni, esempio: Guggenheim Bilbao
• Articoli sportivi
• Design: lampade, oggetti effetto cangiante

Produzione

• Lavorabilità accettabile, processi complessi -> costo elevato
• Riduzione di tetracloruro di titanio con magnesio

Leghe di titanio

• 4 gradi in relazione a tenore di ossigeno

Proprietà rispetto al puro

• Costo aumentato
• Resistenza meccanica aumentata
• Lavorabilità ridotta
• Resistenza a corrosione ridotta

Struttura

• Fase alpha e.c. Duttile, saldabile -> aerospaziale
• Fase beta