Appunti completi inerenti tutto il corso di Scienze e tecnologia dei materiali

Scienza e tecnologia dei materiali 2020/21

Attenzione: questi appunti sono opera di studenti, non sono stati visionati dal docente. Il nome del professore serve solo per identificare il corso. Corso tenuto dalla Prof. L. Montanaro.

Capitolo 1

Introduzione ai materiali

1. Si elenchino le quattro famiglie nelle quali si suddividono i materiali e si faccia almeno un esempio di materiale per ognuna di queste famiglie, con riferimento ai materiali da costruzione.

I materiali si suddividono in quattro famiglie: metalli (es. rame, alluminio, acciaio), ceramiche (es. mattone forato, mattone pieno, vetro, granito), materie plastiche o polimeri (es. polietilene espanso PE, polivinilcloruro PVC) e materiali compositi (es. legno, composito rinforzato con fibre di vetro).

Conoscere i materiali per operare scelte corrette  per un loro corretto impiego; quindi, per una corretta messa in  opera al fine di non mettere a rischio la stabilità dell’edificio per progettare (tailoring) nuovi materiali; creare nuovi materiali  che siano in grado di rispondere a una specifica esigenza. Tailoring sartoriale; il tecnologo come un sarto.  Sono disponibili commercialmente più di 160000 materiali. Come operare la migliore selezione in un catalogo così vasto?

Non è possibile conoscere tutti i materiali. Linee-guida per la conoscenza e la scelta.

La scelta dei materiali è un aspetto particolarmente rilevante che influenza e dà corpo al progetto. L’edificio è come un sistema nel quale i vari materiali interagiscono e collaborano tra di loro.

Come si può definire un materiale? Qualsiasi solido in grado di svolgere almeno una determinata funzione (meccanica, termica, ottica, magnetica, elettrica, ...).

Il materiale con una specifica funzione soddisfa un’esigenza  svolge. Vari materiali possono svolgere la stessa funzione: occorre saper operare la scelta migliore.

In alcuni casi la scelta del materiale non è influenzata da aspetti di tipo funzionale ma anche da aspetti economici/di reperibilità del materiale/estetici.

In questa immagine abbiamo una materia metallica – una materia ceramica – una materia plastica. Tutte svolgono la stessa funzione di contenitori per liquidi alimentari.

Pilastro in diversi materiali.. *cls = è un composito ceramico ceramico n.b. guarda appunti quaderno.

Unità di misura

• Metro, m
• Millimetro, mm 1mm = 0,001 m = 10^-3 m
• Micrometro (MICRON), μm 1μm = 10^-6 m
• Nanometro, nm 1 nm = 10^-9 m

Struttura e densità dei materiali

Una proprietà dei materiali è la densità = massa / volume (g/cm³; kg/dm³; t/m³ ...). La densità dipende dalla macrostruttura, microstruttura, struttura atomica (cioè da come gli atomi sono organizzati nello spazio), o addirittura dalla singola natura degli atomi quindi dalla composizione.

Macrostruttura

Confrontiamo adesso due oggetti macroscopici, fatti dello stesso materiale ma con un design differente: Il mattone pieno ha delle dimensioni leggermente più piccole, questo porta di conseguenza anche a una massa inferiore, tuttavia la densità è maggiore di quella del mattone forato, poiché questo non è stato alleggerito dai pori che presenta l’altro!

Microstruttura

Guardiamo adesso invece come la densità influenza la microstruttura. La differenza di densità è data da come si presenta il materiale a livello microscopico! Prendendo sempre i nostri mattoni di poco fa, a livello microscopico il materiale presenta dei fori/ delle porosità  dei micropori; chiaramente questo porta a un alleggerimento  della struttura.

Densità = 0,67 – 1,76 g/cm³

Se prendiamo invece un materiale come un granito (che in realtà ha la stessa composizione del mattone) vediamo che a livello microscopico non ci sono pori, non ci sono cavità, ma è tutto pieno, compatto, denso!  Questo vuol dire che avrò una densità maggiore:

Densità = 2,75 g/cm³

Struttura atomica

Guardiamo adesso invece come la densità influenza la struttura atomica. La differenza di densità deriva dall’organizzazione degli atomi che è differente!

Solido amorfo / vetroso: Gli atomi non hanno un’organizzazione regolare e geometrica ma confusa e caotica.

Solido cristallino: Gli atomi sono regolari geometricamente definiti. A parità di volume:

(ci sono – atomi e quindi occupano – volume).

Infatti, se prendiamo il granito e il vetro, questi sono due materiali fatti entrambi di silice ed entrambi sono perfettamente densi senza porosità. Eppure la loro densità cambia proprio in virtù della loro organizzazione atomica.

• Granito solido cristallino  Densità = 2,75 g/cm³
• Vetro solido amorfo  Densità = 2,5 g/cm³

Calcestruzzo (* in realtà è un composito ceramico-ceramico)

• Densità = 2,4 g/cm³ = 2,4 kg/dm³ = 2,4 t/m³

Materiali metallici

I materiali metallici sono quasi sempre dei solidi cristallini. Per ottenere dei materiali metallici allo stato amorfo è indispensabile partire dal metallo allo stato liquido e raffreddarlo a delle velocità di raffreddamento velocissime e brusche, ma sono dei materiali, quelli che si ottengono, di alta tecnologia e di alto costo.

Rame: Come mai ha una densità così alta?

Densità = 8,96 g/cm³

È un materiale privo di porosità, allo stato cristallino ed inoltre gli atomi di rame associano a sé un peso abbastanza rilevante.

Alluminio: Come mai ha una densità così estremamente bassa rispetto a quella del rame?

Densità = 2,75 g/cm³

Entrambe le strutture sono metalliche, compatte, senza porosità. Entrambe sono solidi cristallini. Perché questa differenza di densità?

Questa differenza deriva dalla composizione! Gli atomi di rame pesano molto di più di quelli di alluminio. Infatti, l’alluminio fa parte delle leghe leggere/dei metalli leggeri insieme al Titanio e al Magnesio.

Acciaio

La densità varia in funzione della sua composizione. Infatti, per gli acciai, il metallo base è il Ferro al quale si accoppia sempre il Carbonio. Ma questi possono contenere anche tenori differenti di Carbonio e tenori differenti di anche altri elementi in lega (come appunto il carbonio) che vengono detti alliganti.

Densità = 7,8 – 8 g/cm³

Materie plastiche

Polietilene: commercializzato secondo due forme: Polietilene ad alta densità e a bassa densità LDPE – HDPE. In ogni caso sia che sia di bassa che di alta densità esso è sempre molto meno denso dei materiali commentati poco fa. Ha una densità inferiore anche a quella dell'acqua motivo per il quale questo materiale galleggia!

Densità = 0,92-0,96 g/cm³

Dobbiamo ancora dire che all’interno della famiglia delle materie plastiche è possibile ottenere dei materiali espansi nei quali viene catturato un rilevante quantitativo di porosità/di vuoti che pertanto facendo crescere la leggerezza del materiale ne diminuiscono la densità! Oltretutto diventano fondamentali anche per l’isolamento termico e acustico.

PE espanso: Densità = 0,2-0,02 g/cm³

Materiali compositi

Legno: Anche in questo caso i valori di densità possono variare in funzione della tipologia di legno ma anche del trattamento che il legno ha subito.

Densità = 0,3 - 0,7 g/cm³

Il legno ha una densità inferiore a quella dell’acqua, per questo motivo galleggia.

Vetroresina

I materiali sono costituiti da atomi (li assimileremo a sfere rigide) o da molecole (insieme di atomi). Il modello di Bohr vede ogni singolo atomo costituito da una sfera rigida in cui la gran parte della massa è concentrata al centro nel nucleo dove ci sono particelle neutre dette neutroni e delle particelle cariche positivamente, i protoni. Il resto del volume della sfera è occupato da piccolissime particelle di massa trascurabile e di carica negativa che sono i neutroni. Questi restano vincolati nella sfera proprio per attrazione elettrostatica (la carica positiva dei protoni attrae i neutroni).

Alluminio

Se voglio produrre dell’alluminio puro mi basta estrarre dalla tavola tanti atomi di alluminio con il numero 13, li unisco e così otterrò una struttura regolare, densa e cristallina di alluminio puro.

Difficilmente però l’alluminio viene usato puro perché troppo tenero. Invece se prendo delle sfere di Alluminio e aggiungo con opportune quantità (anche variabili in percentuale) delle sfere di Rame (alligante) ottengo una lega di alluminio – Rame il duralluminio + resistente dell’alluminio puro.

Oppure posso anche ottenere delle leghe alluminio – Zinco, le due leghe più usate in assoluto con le migliori proprietà meccaniche.

Rame

Come puro mi basta estrarre le sfere di numero 29. Ma se volessi ottenere delle leghe potrei usare come alliganti:

• Stagno: lega rame – stagno = bronzi
• Zinco: lega rame – zinco = ottoni

Acciai

Sono delle leghe in cui il metallo base è il Ferro addizionato sempre al Carbonio (elemento non metallico)... stessa cosa vale anche per le ghise.

Posso inoltre decidere di creare anche diversi tipi di acciai come gli acciai inossidabili, leghe ferro carbonio + Cromo + Nichel, resistenti alla corrosione.

Materie ceramiche

Vetro: a base di Silice (la Silice è data dal Silicio + Ossigeno; il Silicio si comporta da metallo se combinato con l’Ossigeno) quindi un metallo + non metallo. Tutte le ceramiche saranno date dalla combinazione di un metallo + un non metallo.

Ma quindi adesso come faccio a distinguere un materiale metallico (come l’acciaio) fatto da un metallo + un non metallo e da uno ceramico fatto anch’esso da un metallo + un non metallo? Perché in questo caso non posso aggiungere delle quantità a mio piacere del secondo elemento dentro le sfere del primo! Debbo rispettare dei rapporti numerici precisi e costanti in tutto il materiale. Ad ogni sfera rigida di Silicio devo aggiungere due atomi di ossigeno. Quindi ogni atomo di silicio si accompagna con due atomi di ossigeno SiO₂.

Materie plastiche

Polietilene: Per costruire il polietilene mi bastano solo due atomi: Idrogeno + Carbonio. Ma questi atomi si combineranno tra di loro in un modo assolutamente differente rispetto come visto in precedenza nei metalli e nelle ceramiche. Perché?

Perché le materie plastiche hanno delle strutture simili al materiale organico. Si crea, infatti, attraverso la generazione di una concatenazione di lunghe catene di atomi di carbonio (perché ogni atomo di carbonio può dare 4 possibilità di legami: a destra e a sinistra si lega con altri atomi di carbonio mentre sopra e sotto con due atomi di idrogeno che però hanno una sola possibilità di legame). Queste concatenazioni possono contenere centinaia di migliaia di milioni di atomi di carbonio  sono quindi delle molecole poiché sono un insieme di atomi ma visto che contengono un numero elevatissimo di atomi vengono chiamate macromolecole o polimeri.

Da ricordare che nel singolo oggetto di plastica (es. la bottiglia) non c’è una singola catena (macromolecola) ma bensì migliaia di macromolecole che, lavorando insieme, daranno vita al componente macroscopico.

Organizzazione nei solidi: struttura cristallina e struttura amorfa

La Silice la possiamo trovare in natura sotto forma di:

• Struttura cristallina: Cristalli di quarzo. Gli atomi sono tutti perfettamente allineati ed ordinati dando vita a una struttura geometricamente ordinata.
• Struttura amorfa: Vetri comuni e da finestra. Gli atomi sono sistemati in modo caotico e disordinato. Non vi è alcuna struttura geometrica o allineamento.

Questi materiali con organizzazione cristallina e amorfa avranno poi anche caratteristiche e proprietà nettamente differenti!

Un solido costituito da un singolo cristallo: monocristallo (come il Diamante o il Quarzo).

Un solido costituito da tanti cristalli: policristallo cioè formato dall’assemblaggio da una miriade di tantissimi piccoli cristalli che si uniscono tra loro per dar vita al solido macroscopico. Questi piccoli cristalli sono legati tra loro ma anche separati attraverso delle linee di demarcazione che sono i bordi di grano.

Oltre che a una struttura totalmente cristallina e a una totalmente amorfa, vedremo nelle materie plastiche che è possibile che si presenti anche una situazione intermedia. Si tratta dei solidi semi-cristallini: ovvero situazioni in cui localmente sono presenti porzioni regolari e quindi cristalline e porzioni caotiche quindi amorfe che convivono insieme.

Le celle elementari: il caso dei metalli

Se prendessimo i materiali metallici (che cristallizzano sempre)... quali sono le celle elementari che ci permettono di descrivere i cristalli che li caratterizzano? Ebbene tutti i materiali metallici per cristallizzare decidono di farlo secondo 3 tipi di celle elementari.

• Cubica a facce centrate (c.f.c.): troviamo un atomo in ogni vertice del cubo (8) + un atomo al centro di ogni faccia del cubo (6) in tot. 14 atomi che descrivono questa cella elementare.
• Cubica corpo centrato (c.c.c.): troviamo un atomo in ogni vertice del cubo (8) + un atomo al centro del cubo (1) in tot. 9 atomi che descrivono questa cella elementare.
• Esagonale compatta (e.c.): le facce di questa cella elementare sono proprio ad esagono.

In tutto però noi possiamo ricondurre i nostri cristalli (di qualunque natura essi siano) a 14 reticoli cristallini (celle elementari) che furono identificati da Bravais. È importante ricordare che se abbiamo la nostra cella elementare, possiamo idealmente tagliare questo reticolo cristallino con dei piani ideali che lo intersecano (come i piani in azzurro). Grazie a questi piani possiamo giustificare il fatto che i materiali metallici possono essere trasformarti, piegati e ridotti anche in geometrie molto complesse.

Isotropia e anisotropia

Isotropia e anisotropia hanno importanti implicazioni in fase di progetto.

Materiale isotropo: L’isotropia è quella proprietà di un materiale tale per cui il valore della proprietà è indipendente dalla direzione lungo la quale la si misura. Se vado a valutare una generica proprietà del materiale stesso (es. densità, rigidezza, conduzione elettrica o termica) il valore di quella proprietà è indipendente dalla direzione lungo la quale la misuro. Cioè se misuro una qualsiasi proprietà lungo l’asse x, y, z, quello che mi risulta è un valore assolutamente uguale in tutte le direzioni spaziali. Sono isotropi tutti i solidi amorfi (vetro) e i solidi policristallini. Progettare con un materiale isotropo è estremamente semplice poiché non abbiamo nessun problema riguardo alla direzione lungo alla quale il componente viene messo in opera all’interno della struttura.

Materiale anisotropo: Non isotropo. L’anisotropia è quella proprietà di un materiale tale per cui il valore della proprietà è dipendente dalla direzione lungo la quale la si misura. Misurando una sua generica proprietà il valore che ne deriva è funzione della direzione lungo la quale la sto misurando. Quindi non è più assolutamente indifferente il fatto che io misuri quella proprietà lungo l’asse x, piuttosto che y o z. Caratteristica tipica dei monocristalli (diamante) e di molti compositi rinforzati con fibre come il legno (spiccata anisotropia).

Esempio: se vado a misurare una generica proprietà del legno nella direzione che corre parallelamente alla direzione delle fibre e poi invece la misuro nelle altre due direzioni che corrono perpendicolarmente alla direzione delle fibre, quello che avrò saranno due valori anche nettamente differenti riguardo a quella specifica proprietà.

La risposta meccanica dei materiali

Perché non sprofondiamo nel pavimento? Effettivamente la materia sembra essere costituita da dei mattoni da costruzione (gli atomi) che sono più vuoto che pieno! E allora perché la materia non si compenetra?

Perché in realtà la capacità dei materiali di non farsi penetrare e di resistere a delle sollecitazioni esterne di sforzo/di sollecitazione non dipende da una risposta meccanica dovuta alla massa/ alla materia!

Ma risponde meccanicamente in virtù dell’energia che tiene uniti tutti gli atomi che costituiscono i componenti. L’energia è il collante che tiene uniti gli atomi nella materia, e questo collante ha delle caratteristiche differenti in funzione del tipo di legame che si instaura da atomi ad atomi. Quasi la totalità della massa di un atomo si trova nel nucleo! Tutto il resto con gli elettroni è solo un vuoto con pochissima percentuale di massa.

Legami chimici

Abbiamo 2 tipologie di legami chimici:

• Legami forti (con energie di unione molto forti)
• Covalente (materiali ceramici)