Appunti di chimica applicata - scienza dei materiali

Scienza dei materiali

Scienza dei materiali studia e applica le relazioni tra sintesi, struttura, proprietà e prestazioni dei materiali per realizzare e ottimizzare i dispositivi e strutture. Il comportamento del materiale determina le prestazioni e dipende dalle sue proprietà. Le proprietà di un materiale sono definite dal tipo di atomi che lo compongono, dalla natura del legame chimico, dall’ordinamento atomico e microstruttura.

Struttura materiali

Materia: aggregato di atomi e molecole che ha massa.

Stati di aggregazione: dipendono da come le unità elementari della materia sono legate. Dipende quindi dall’equilibrio tra energia di coesione (avvicina atomi) e energia termica (allontana).

Stato solido: prevale energia di coesione. Solidi hanno forma propria.

Stato liquido e gassoso: prevale energia termica, non hanno forma propria.

Proprietà meccaniche: descrivono comportamento dei materiali in seguito ad applicazione di forze.

Proprietà fisiche: comportamento del materiale sottoposto ad azione della temperatura.

Proprietà chimiche: interazione del materiale con altre sostanze. Essenziali per valutare capacità di un materiale di conservarsi nell’ambiente (durabilità).

Altre: costo, lavorabilità, disponibilità, riciclabilità.

Materiali metallici

Materiali metallici: solidi monoatomici (metalli puri). Le più utilizzate sono le leghe. Sono buoni conduttori elettrici e termici, opachi, duri e rigidi, possono deformarsi plasticamente, hanno temperature di fusione alte e elevate densità.

Materiali ceramici

Materiali ceramici: inorganici non metallici. Legami ionici, covalenti e misti. Frattura fragile (bassa tenacità) e shock termico. Hanno medie-alte temperature di fusione. Sono a bassa conducibilità termica ed elettrica (isolanti) e hanno durezza elevata (abrasivi).

Materiali polimerici

Materiali polimerici: polimeri organici sono materiali fatti da molecole che formano catene di atomi di carbonio, a cui sono attaccati a lato elementi o gruppi di atomi. Possono essere termoplastici o termoindurenti.

• Elastomeri (pneumatici)
• Vetri organici (plexiglass)
• Termoplastici (bottiglie PET)
• Termoindurenti (interruttori corrente)

Sono isolanti elettrici e termici, leggeri e formabili, bassa rigidità, bassa temperatura di fusione e bassa stabilità termica.

Materiali compositi

Materiali compositi: combinazione tra i tre tipi sopra. Costituiti da due o più materiali diversi che combinano in modo sinergico le loro proprietà. Sono: resine con fibre di vetro, calcestruzzo armato, carmet.

Stato cristallino e stato amorfo, formazione cristalli e difetti

Strutture materiali solidi: è possibile distinguere più fasi, ovvero parti strutturalmente omogenee di un sistema. In un sistema può esistere una sola fase gassosa, ma possono coesistere più fasi liquide e solide. Per lo stato solido, le sostanze cristalline sono costituite da fasi solide con alto grado di ordine sia a corto sia a lungo raggio. In essi è possibile identificare una cella unitaria. Le possibili celle reticolari, la cui ripetizione sistematica e ordinata nello spazio dà luogo a cristalli, sono 14: elementari, dove l'atomo è circondato da un insieme di atomi caratteristico di quella cella, sono geometricamente definibili in base alle lunghezze degli assi e agli angoli tra gli assi.

Il legame metallico ha uguali attrazioni in tutte le direzioni, quindi dà luogo a strutture:

• Cubica a facce centrate
• Cubica a corpo centrato
• Esagonale compatta

Nei solidi amorfi (come vetri minerali) si ha solo ordine a corto raggio. Nel vetro di silice ogni atomo di silicio è coordinato con 4 atomi di ossigeno ad esso contigui formando un tetraedro regolare. La periodicità e la simmetria si esauriscono, poiché gli atomi in seconda e terza posizione non sono specifici. Il passaggio stato liquido-solido inizia con la formazione di nuclei fatti da atomi aggregati secondo disposizione regolare e ordinata. Può succedere che la configurazione molecolare sia tale che il tempo necessario per assumere la struttura sia molto lungo. Se il liquido raffredda velocemente da non concedere il tempo necessario alla cristallizzazione, la viscosità aumenta. Al di sotto di una certa temperatura, la configurazione molecolare è congelata e sono impossibili altri riordinamenti atomici o molecolari.

Crystallizzazione: transizione di un metallo dallo stato liquido a solido.

Metallo liquido: le particelle sono in moto continuo casuale per l’energia termica e non si ha una disposizione ordinata di atomi.

Metallo solido: gli atomi sono disposti in modo ordinato secondo il criterio di massima efficienza e vibrano attorno a posizioni fisse nel cristallo.

Fasi della solidificazione

• Nucleazione: formazione di nuclei stabili.

Nucleazione omogenea: il metallo se sottoraffreddato significativamente, ha molti atomi che si muovono lentamente e si legano per formare nuclei. Un gruppo di atomi legati tra loro al di sotto della dimensione critica è detto embrione. I gruppi di atomi che raggiungono la dimensione critica crescono sotto forma di cristalli, mentre gli altri si dissolvono. I gruppi di atomi di dimensione maggiore della dimensione critica, sono chiamati nuclei.

Energie coinvolte:

• Energia libera di volume Gv: energia emessa nella trasformazione da liquido a solido.
• Energia di superficie Gs: energia richiesta per formare nuova superficie solida.

Il raggio critico è correlato al sottoraffreddamento: un elevato sottoraffreddamento porta a microstruttura fine per il grande numero di nuclei stabili (r* piccolo). Basso sottoraffreddamento: microstruttura grossolana per la piccola quantità di nuclei stabili (r* grande).

Nucleazione eterogenea: avviene a partire da agenti nucleari (impurezze insolubili o imperfezioni sulla superficie del contenitore). Le strutture abbassano l’energia libera richiesta per formare nuclei stabili, quindi gli agenti nucleari abbassano la dimensione critica. Per la solidificazione è richiesta minore quantità di sottoraffreddamento, o a parità, si ottiene una microstruttura a grani più fini.

Per produrre lingotti fusi con dimensione grano fine, sono aggiunti raffinatori di grano. Per alcune applicazioni servono dei monocristalli. Essi hanno particolari prestazioni meccaniche come per esempio una elevata resistenza al creep (scorrimento viscoso) ad alta temperatura. Nella produzione di monocristalli, il calore latente di solidificazione è condotto con cristalli che stanno solidificando per far crescere il monocristallo. La velocità di crescita è mantenuta costante in modo che la temperatura all’interfaccia solido-liquido sia solo poco inferiore al punto di fusione.

Processo Czochralski: usato per produrre silicio monocristallino per uso elettronico. Un seme di cristallizzazione viene messo a contatto con il silicio fuso e in rotazione. Il seme di cristallo viene sollevato piano mentre il silicio solidificato aderisce al cristallo seme e si accresce come un monocristallo.

Difetti cristallini

• Nessun cristallo è perfetto.
• I difetti influenzano le proprietà meccaniche, chimiche e elettriche.
• Possono essere:

• Difetti di punto: localizzati in zona circoscritta del cristallo; coinvolgono numero ridotto di atomi.
• Difetti di linea (dislocazioni): si estendono in una direzione.
• Difetti di superficie (bordi di grano): interessano una superficie.

Difetti di punto:

• Di vacanza: difetto puntuale del cristallo, dato dall’assenza dal reticolo cristallino di uno o più atomi. Questa può avvenire: da disturbi durante solidificazione; creata da deformazioni plastiche, creata da un rapido raffreddamento. Nei cristalli ionici, i difetti di punto coinvolgono sia il catione che l’anione, perché altrimenti si avrebbe squilibrio nelle cariche elettriche. Si distinguono in difetti Schottky (contemporanea assenza di catione e anione) e Frenkel (ione si posta da una posizione regolare a una interstiziale).
• Interstiziale: atomo nello spazio vuoto fra gli atomi che occupano i punti del reticolo cristallino. Esso può essere dello stesso elemento del cristallo ospitante (autointerstiziale) o essere un’impurezza di un altro elemento.
• Sostituzionale: un atomo del reticolo cristallino è sostituito da un’impurezza.

Difetti di linea:

Dislocazioni: le imperfezioni del reticolo cristallino centrate attorno ad una linea. Formate durante la solidificazione, o causate da deformazione plastica o derivate da condensazione di vacanze. Diversi tipi:

• A spigolo: formate dall’inserimento di semipiani di atomi extra.
• A vite: causate da sforzi di taglio.
• Mista

Difetti di superficie: nei solidi policristallini, i cristalli sono separati gli uni dagli altri da zone ad alto disordine atomico chiamate bordi di grano. La loro presenza è dovuta alla crescita simultanea e indipendente dei cristalli. Ampiezza: 2/5 diametri atomici. La presenza di bordi di grano influenza le proprietà meccaniche del materiale. Minore è la dimensione di grano, maggiore è l’estensione dei bordi di grano. Maggiori bordi di grano: maggiore resistenza alla deformazione plastica. Grani più piccoli hanno conseguente incremento delle proprietà meccaniche e discapito della duttilità.

Proprietà meccaniche

Le prove meccaniche possono essere condotte: nelle condizioni effettive di servizio o in condizioni standardizzate. I metalli vanno incontro a deformazione sotto l’azione di una forza assiale (di trazione o compressione).

• Deformazione elastica (ideale): il metallo ritorna alla sua dimensione iniziale quando la forza a trazione viene rimossa.
• Deformazione plastica: il metallo è deformato tanto da non poter recuperare la sua dimensione iniziale.

Deformazione nominale: allungamento provino / lunghezza iniziale.

Sforzo nominale: forza applicata / area iniziale del provino.

Legge di Hooke.

Modulo di taglio.

Modulo di Poisson.

La resistenza meccanica dei materiali può essere testata sollecitando a trazione il metallo fino a portare a rottura. I dati di forza ottenuti dalla cella di carico. I dati di deformazione dall’estensimetro.

Sforzo di snervamento: sforzo a partire dal quale il metallo o lega mostra deformazione plastica. Graficamente si ricava tracciando linea parallela al campo elastico.

Sforzo a rottura (sigma r): è il massimo sforzo in curva sforzo/deformazione. La strizione iniziale quando viene raggiunto sigma r. Più duttile è il metallo, maggiore è la frizione prima della rottura. Lo sforzo aumenta fino a rottura. La diminuzione nella curva è dovuta al calcolo dello sforzo basato sull’area iniziale.

Lo sforzo e deformazione reali si basano sulla superficie resistente e sulla lunghezza istantanea.

Sforzo reale.

Deformazione reale.

Lo sforzo reale è sempre maggiore dello sforzo nominale.

Durezza: una misura della resistenza di un metallo alla deformazione plastica permanente (prove: Brinell, Vickers).

La deformazione plastica di un monocristallo provoca segni di traslazione sulla superficie: bande di scorrimento. Atomi di specifici piani cristallografici (piano di scorrimento) provocano bande di scorrimento. Quindi lo scorrimento avviene su diversi piani di scorrimento all’interno di bande di scorrimento. Durante il taglio gli atomi non scorrono uno sull’altro. Lo scorrimento avviene per il movimento delle dislocazioni. Lo scorrimento avviene in piano densi o molto impaccati. È richiesto un basso sforzo di taglio affinché avvenga lo scorrimento su piani densamente impaccati. Se lo scorrimento è ristretto in piani impaccati, allora i piani meno densi diventano operativi. È richiesta meno energia per muovere gli atomi lungo piani più densi.

Effetto bordi di grano: i bordi di grano bloccano il movimento delle dislocazioni e quindi rafforzano i metalli. Per avere elevato numero di bordi di grano, si vuole avere la dimensione di grani fini.

Rafforzamento per soluzione solida: aggiunta di uno o più metalli può aumentare la resistenza meccanica dei metalli. Gli atomi di soluto (nella soluzione solida sostituzionale) formano campi di sforzo attorno a loro ed impediscono il movimento delle dislocazioni. La distorsione del reticolo e cluster di atomi impediscono il movimento delle dislocazioni.

Proprietà meccaniche 2

La deformazione plastica porta ad uno sforzo di taglio dei grani l’uno con l’altro. I grani si allungano nella direzione della laminazione. Le dislocazioni si riarrangiano.

• La deformazione plastica è prodotta dal movimento delle dislocazioni.
• La deformazione plastica produce nuove dislocazioni.
• Aumento del numero di dislocazioni ostacola ulteriore movimento delle dislocazioni stesse.
• Necessario sforzo maggiore per deformare ulteriormente il materiale (incrudimento).

Recupero e ricristallizzazione: metalli lavorati a freddo diventano più resistenti ma meno duttili e più fragili. Il riscaldamento a temperature adeguate, porta a recupero, ricristallizzazione e crescita di grani. Questo processo è detto ricottura e cambia le proprietà dei materiali aumentandone la duttilità ma riducendone durezza e resistenza. Quindi se arrivo all’incrudimento e mi fermo, prendo il materiale e lo porto ad alta temperatura, la microstruttura interna recupera la struttura semiassi, quindi recupera energia e posso riprendere il processo di laminazione. La ricottura diminuisce la resistenza meccanica a trazione, ma aumenta la duttilità.

I fattori che aumentano la ricristallizzazione:

• Temperatura e durata del trattamento.
• Dimensione iniziale di grano.
• Composizione del metallo.

Tenacità: misura dell’energia assorbita in campo elasto-plastico prima della rottura (frattura duttile).

Resilienza: attitudine di un materiale a resistere ad una sollecitazione d’urto (frattura fragile): ovvero resistere ad eventi impulsivi.

Tenacità: l’area sottostante la curva reale di trazione che rappresenta l’energia per unità di volume richiesta per deformare un campione di materiale fino a rottura.

Prova di impatto: la prova di impatto misura la capacità di un materiale di assorbire un urto. La resilienza è misurata usando un pendolo di Charpy. Si assume che la rottura impulsiva avvenga senza deformazione plastica. L’energia assorbita in joule, vale: K=P*(h-h’) dove P è il peso del pendolo, h e h’ l’altezza del pendolo prima e dopo l’urto, e k è la resilienza espressa in J.

Fatica dei metalli: il metallo sottoposto a carichi ciclici, si rompe a sforzi inferiori rispetto alla sua richiesta teorica. Il cedimento per fatica è la causa di rottura di componenti di esercizio. Il processo di fatica comprende stadi diversi:

• Sollecitazione induce una deformazione plastica localizzata in zona di concentrazione delle sollecitazioni.
• Innesco di una o più microcricche.
• Propagazione di microcricche per formare una o più macrocricche.
• Propagazione di macrocricche che riduce la sezione resistente.
• Rottura di schianto della sezione residua.

Prova a fatica: viene applicato un carico alternato di compressione e trazione su un provino di metallo. Lo sforzo s che provoca la frattura e il numero N di cicli corrispondente vengono riportati in grafico per avere la curva sigma-N.

Tensione limite di fatica: tensione al di sotto della quale non si verificano fenomeni di rottura a fatica anche per un numero di cicli infinito. Per molti acciai il limite di fatica cade nell’intervallo 30/60% della resistenza a trazione. Per le leghe non ferrose (non acciai) non c’è un limite definito.

Campo/sezione: campo elastico.

Creep nei metalli: il creep è la deformazione plastica progressiva a sforzo costante (inferiore al carico di snervamento). È un fenomeno attivato teoricamente...