Appunti di Tecnologia dei materiali

1.1 PROPRIETA' DEI MATERIALI

PROPRIETA' MECCANICHE

Descrivono il comportamento dei materiali in seguito all'applicazione di un sistema di forze,

queste servono per la valutazione della resistenza e della stabilità delle costruzioni.

PROPRIETA' FISICHE

Descrivono il comportamento di un materiale sottoposto all'azione della temperatura, dei

campi elettrici o magnetici, della luce o del fuoco. Possono essere suddivise, a seconda

dell'azione, in proprietà termiche, elettriche, magnetiche, ottiche, acustiche…

PROPRIETA' CHIMICHE

Descrivono l'interazione del materiale con sostanze, in genere gassose o liquide, con le

quali viene a contatto nelle condizioni di utilizzo. Permettono al materiale di conservarsi

(durabilità).

La scelta dei materiali viene fatta in base alla durabilità, il costo, la lavorabilità (facilità con

cui si impartisce una forma), disponibilità (oneri di trasporto non eccessivi), sostenibilità

(impegno energetico), riciclabilità o recuperabilità.

1.2 STUDIO DELLA STRUTTURA DEI MATERIALI

Aggregati di atomi costituiscono la materia, termine con cui si indica tutto ciò che ha la

proprietà intrinseca di avere massa. Si può presentare in vari stati, i quali sono determinati

dall'equilibrio tra l'energia di coesione (che tende ad avvicinare gli atomi) e l'energia termica

(che tende ad allontanarli). Nei fluidi prevale l'agitazione termica, nei solidi la coesione.

I solidi possono essere di tipo cristallino (cioè con una struttura ordinata a livello atomico),

possono avere una struttura disordinata (amorfa) o semicristallina (materiali polimerici).

Ci sono anche strutture che hanno in contemporanea una fase liquida e una solida (gel).

1.2.1 STRUTTURA A LIVELLO MACROSCOPIO

A questo livello il materiale è visto nel suo insieme (come continuo e omogeneo).

Si considerano proprietà medie su tutto il volume, se queste proprietà sono le medesime in

tutte le direzioni allora il materiale è isotropo, viceversa se le proprietà dipendono dalla

direzione lungo cui vengono valutate è anisotropo.

Prove sperimentali servono per determinare le proprietà, ad esempio: curva sforzo-

deformazione, durezza, conducibilità elettrica, temperatura di transizione, dilatazione

termica. Alcune proprietà dipendono solo dal materiale (es. densità), altre dipendono anche

da forma e condizioni di prova.

1.2.2 STRUTTURA SU SCALA ATOMICA

L'atomo è composto dal nucleo (portoni + neutroni) e elettroni (che orbitano). Numero

atomico → numero di protoni. Massa atomica → protoni + neutroni. Gli elettroni si

dispongono in livelli energetici (orbitali).

Gli atomi sono stabili quando hanno strato esterno completo (come gas nobili). Per

raggiungere stabilità: cedono elettroni, acquistano elettroni, condividono elettroni.

Legami chimici: ionici, covalenti e metallici (si forma tra metalli). I legami ionici hanno forte

differenza di elettronegatività. L'elemento meno elettronegativo (catione → ione positivo)

trasferisce uno o più elettroni a un elemento più elettronegativo che si trasforma nel relativo

anione (ione negativo). Quando ci sono atomi con modeste differenze di elettronegatività si

forma un legame covalente nel quale gli atomi mettono in comune uno o più elettroni. Gli

elementi metallici mettono gli elettroni di valenza in condivisione in una nuvola di carica

elettronica.

Si possono creare dei dipoli che possono essere deboli. I dipoli si possono formare a causa

di una distribuzione asimmetrica.

RETICOLI DI BRAVAIS → modi diversi per costruire reticoli di

punti nello spazio, ottenuti ripetendo periodicamente delle celle

elementari. Il ripetersi secondo celle cristalline individua dei

reticoli ordinati.

Altre proprietà che dipendono dalla struttura del materiale a livello

atomico sono:

Stabilità chimica e la temperatura di fusione: legate ai

 legami chimici e alla loro forza

Rigidità: tendenza del materiale a deformarsi all'applicazione di una forza

 Proprietà elettriche: ad esempio i materiali metallici hanno elevata conducibilità



1.2.3 STRUTTURA A LIVELLO MICROSCOPICO

Gli aspetti più importanti riguardano la geometria, le proprietà chimiche, fisiche e

meccaniche delle singole fasi, le caratteristiche dell'interfaccia (zona di transizione). Molti

materiali (ceramici argillosi, il legno o il calcestruzzo) hanno una struttura porosa. I pori

sono assimilati ad una fase. Un'implicazione immediata è di tipo meccanico: visto che i pori

sono una fase a resistenza nulla si osserva una diminuzione della resistenza meccanica

all'aumentare della porosità.

1.3 CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI

Vengono identificate tre grandi classi: metalli, polimeri, ceramici

I materiali metallici sono composti da uno (metallo puro) o più elementi metallici miscelati

tra loro (leghe). A temperatura ambiente la maggior parte sono allo stato di solidi cristallini.

I metalli si dividono in due classi: metalli e leghe ferrose (comprendono acciai e ghise) e

metalli e leghe non ferrose (rame, alluminio).

I materiali polimerici sono composti da lunghe catene molecolari a base di atomi di

carbonio, alle catene sono legati altri elementi. Hanno una struttura amorfa o semicristallina.

Sono caratterizzati da una bassa resistenza meccanica, elevata deformabilità, bassa

conducibilità termica e elettrica e bassa densità.

I ceramici sono materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati

chimicamente. Possono essere cristallini o amorfi o parzialmente cristallini. La maggior

parte si distingue per il carattere refrattario (sopportare alte temperature senza fondere e

conservare caratteristiche meccaniche elevate a tali temperature).

I tre tipi di materiali sopra citati possono essere combinati per ottenere un materiale

composito. 1.4 MICROSTRUTTURE DI EQUILIBRIO

1.4.1 SISTEMI ETEROGENEI

FASE → una porzione omogenea di un sistema chimico fisico eterogeneo, identificabile in

base al suo stato fisico (solido, liquido, gassoso) e alla sua struttura interna. Ad esempio si

scoglie sale in acqua e si ottiene un'unica fase liquida (soluzione salina omogenea).

VARIANZA → si definisce varianza di un sistema eterogeneo in equilibrio il numero dei

parametri di equilibrio che si possono far variare senza che cambi il numero delle fasi.

In condizioni di equilibrio, vale la seguente relazione tra la varianza (v) del sistema, il numero

dei suoi componenti chimici indipendenti (C pari al numero di elementi miscelati), il numero

i

delle variabili fisiche che agiscono sul sistema (pari a 2: la temperatura e la pressione) e il

numero delle fasi presenti (f): v = C + 2 - f

i

Questa è detta regola delle fasi. In genere si opera a pressione costante (p = 1 atm), per

cui la temperatura diviene l’unica variabile fisica efficace. Per una miscela binaria quindi la

regola delle fasi si può scrivere:

v = 2 + 1 - f (Ci = 2, p cost)

Infine in presenza di tre fasi il sistema è invariante (v = 0): né la temperatura né la

composizione potranno variare finché non scomparirà una delle tre fasi.

1.4.2 DIAGRAMMI DI STATO BINARI

Consideriamo un sistema binario A-B, dove A e B possono essere due

elementi chimici. I diagrammi di stato dei sistemi binari sono tracciati a

pressione costante, riportando sull'asse delle ascisse la composizione

della miscela e sull'asse delle ordinate la temperatura.

Fissata la composizione della miscela e la temperatura, la lettura di questi

diagrammi consente di valutare: a) quante sono le fasi presenti, b) quali

sono tali fasi, c) la loro composizione, d) la quantità relativa di ogni fase.

A tale scopo è necessario rappresentare la lega considerata sul

diagramma di stato.

Per descrivere i sistemi di stato, si farà riferimento alle leghe metalliche, ipotizzando che A

e B siano due metalli puri.

1.4.3 MISCIBILITA' COMPLETA ALLO STATO SOLIDO

La figura mostra il diagramma di stato di un sistema

binario A-B i cui componenti sono completamente

miscibili allo stato liquido e allo stato solido. I due assi

verticali rappresentano i metalli puri A e B, e consentono

di individuare le loro temperature di fusione T e T . Da

fA fB

questi punti partono due linee, una di liquidus che

delimita inferiormente il campo di esistenza della sola

fase liquida e una di solidus che delimita superiormente

il campo di esistenza della sola fase solida α (in genere le soluzioni solide sono indicate con

lettere greche minuscole). Nella zona compresa, fra le due curve coesistono la fase solida

e quella liquida.

Quando sono presenti due fasi il sistema è invariante, pertanto la temperatura non può

variare finché non è di nuovo presente una sola fase e, quindi, finché tutto il metallo non è

solidificato.

A differenza del caso di un metallo puro, la solidificazione non avviene più ad una fissata

temperatura, ma in un intervallo di temperature (T - T ).

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Nel campo di presenza di due fasi il sistema è

monovariante: v = Ci + 1 - f = 2 + 1 - 2 = 1,

per cui una sola variabile può essere variata senza

modificare la configurazione del sistema.

Analogamente, se si fissa la composizione di una delle

due fasi, ad esempio della fase solida α, è determinato

il punto corrispondente sulla linea di solidus ed è fissata

anche la temperatura, indipendentemente dalla composizione media della lega.

Se si raffredda la lega da T a T la fase liquida si trasforma progressivamente nella fase

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solida ed entrambe cambiano la loro composizione seguendo rispettivamente le linee di

liquidus e di solidus. Nella curva di raffreddamento si osserva un cambiamento di pendenza

in questo intervallo.

Dal diagramma di stato è possibile anche calcolare le quantità delle fasi

presenti, in genere espresse come rapporti in peso fra la fase liquida L e la

fase solida α. La regola della leva dice che ad ogni temperatura le quantità

delle fasi sono inversamente proporzionali ai segmenti che uniscono i punti

pieni, rappresentativi delle singole fasi, con il cerchietto vuoto,

rappresentativo della composizione chimica media della lega. In pratica, la

percentuale in peso di una certa fase è pari al rapporto fra il braccio di leva

opposto al punto rappresentativo di tale fase e la lunghezza totale della leva.

Riassumendo, per la lega X alla temperatura T3, il diagramma di stato fornisce:

le fasi presenti in condizioni di equilibrio: α e L;

 la composizione chimica delle fasi: α contiene una percentuale di B data dalla ascissa

 del punto 1 e la percentuale di B in L è data dall'ascissa del punto 2;

la quantità relativa delle fasi, cioè le percentuali %α e %L ottenute con la regola della

 leva.

1.4.4 TRASFORMAZIONE EUTETTICA

La figura mostra un diagramma di stato di due metalli

completamente miscibili allo stato liquido e

parzialmente miscibili allo stato solido con presenza di

una trasformazione eutettica. In questo caso si

possono formare due soluzioni solide: la fase α ricca

nel componente A, e la fase β, ricca in B. Entrambe le

fasi presentano un limite di solubilità, funzione della

temperatura; i punti 1 e 2 rappresentano le due

soluzioni solide limite, cioè rispettivamente la

massima solubilità di B nella fase α e la massima

solubilità di A nella fase β. Le due linee di liquidus si

incontrano nel punto E, corrispondente alla lega che fonde alla minima temperatura (lega di

composizione eutettica).

Le due linee di solidus terminano in due punti 1 e 2 su una linea orizzontale per E. La retta

1-E-2 rappresenta il luogo dei punti di invarianza del sistema; infatti in corrispondenza ai

punti di tale retta sono presenti tre fasi. Il diagramma si completa con le linee di solvus

(linea di solubilità) 1-3 e 2-4, che rappresentano rispettivamente la massima solubilità di B

in α e di A in β, in funzione della temperatura.

Al termine della trasformazione eutettica la lega di composizione E è quindi formata da un

unico costituente strutturale (l'eutettico) costituito da due fasi. Si indica con costituente

strutturale ogni porzione, omogenea o eterogenea, di una lega metallica che, dopo

opportuno attacco metallografico, si individua a un esame microscopico di non elevato

potere risolvente.

La figura mostra un diagramma di stato di due metalli completamente

miscibili allo stato liquido e completamente immiscibili allo stato solido. Le

linee di solidus e di solvus coincidono cosi con le verticali passanti per A

puro e per B puro.

Una trasformazione analoga a quella eutettica può avvenire anche partendo da una fase

solida invece che da un liquido. Questa reazione viene chiamata eutettoidica. In questo

caso la fase solida preformata si trasforma in due nuove fasi solide che formano un unico

costituente strutturale, detto eutettoide.

1.4.5 TRASFORMAZIONE PERITETTICA

La figura mostra un diagramma di stato binario con trasformazione

peritettica. La retta P-1-2 prende il nome di peritettico: lungo questa

retta, qualsiasi sia la composizione chimica della lega, sono sempre

presenti tre fasi; il liquido di composizione peritettica (rappresentato

dal punto P), la fase solida α (con la composizione data dal punto

1) e la fase solida β (con la composizione data dal punto 2).

A seconda della composizione media della lega, al termine della

trasformazione peritettica potrà restare un eccesso di fase liquida L o di fase solida β.

Durante la trasformazione peritettica sono presenti 3 fasi: il sistema è quindi invariante.

A volte nei diagrammi di stato si trovano delle trasformazioni del tutto analoghe a quella

peritettica, con la sola differenza che invece di partire dalla fase liquida si parte da una fase

solida (solidificata in precedenza, a temperatura più elevata). In questo caso si parla di

trasformazione peritettoidica. In cui le due fasi solide interagiscono tra loro per formare

una nuova fase solida, con eventuale eccesso di una delle due fasi solide preformate.

Approfondimento 1.2 Diagrammi di stato ternari

I diagrammi di stato ternari vengono utilizzati per rappresentare leghe composte da tre

elementi, poiché la loro composizione non può essere descritta con un solo numero e i

diagrammi di stato non possono più essere rappresentati nel piano come i diagrammi binari.

La composizione è rappresentata all'interno di un triangolo equilatero, con

i tre elementi puri ai vertici e le leghe binarie sui lati. La composizione di

una lega si determina individuando un punto (punto P) nel triangolo e

tracciando linee parallele ai lati.

Indicando con L il lato del triangolo:

%A = Cb/L * 100 = Bc’/L * 100

%B = Ac/L * 100 = Ca’/L * 100

%C = Ba/L * 100 = Ab’/L * 100

Per rappresentare anche la temperatura, si potrebbe costruire un diagramma

tridimensionale, ma questo risulta difficile da leggere. Per questo motivo si preferisce usare

sezioni isoterme, che mostrano il diagramma a una temperatura fissa, oppure curve

isoterme, simili alle curve di livello usate in cartografia, che evidenziano le trasformazioni.

CAPITOLO 2 - PROPRIETA’ MECCANICHE

PROVE MECCANICHE :

gli stati di deformazione sono : trazione, compressione, flessione, taglio, torsione ;

dipendono da proprietà materiale , intensità sollecitazione, geometria elemento.

il comportamento meccanico è valutato con prove meccaniche sperimentali

standardizzate su provini, divise in : statiche : carico costante applicato ; cicliche :

carico varia tra un min e un max per molte volte ; ad urto : si valuta assorbimento

energia di impatto.

COMPORTAMENTO ELASTICO E MODULO YOUNG (1.) :

un corpo oppone forze contrastanti ad altre forze che cercano di deformarlo. Le

deformazioni dipendono dalla forza applicata e si distinguono : (1.) deformazione

elastica : il corpo può riprendere la forma iniziale ; (2.) deformazione plastica : il

corpo riprende forma diversa da quella iniziale.

Nel campo elastico, lineare e indipendente dal tempo, il comportamento elastico

ΔL = L - L₀ = k F L₀ / A₀ , (dove k dipende

(nella prova di trazione) segue la legge

dall’ampiezza della sezione iniziale A₀ e dalla lunghezza iniziale L₀) da cui si

ΔL

definisce sforzo nominale σ = F / A₀ e deformazione nominale ε = / L₀ .

La correlazione sforzo-deformazione è ε = σ / E dove E è il modulo elastico o di

young ed è calcolato in base alla pendenza della curva sforzo-deformazione, in

particolare è la pendenza della retta tangente alla curva passante per l’origine. il

comportamento elastico è la manifestazione macroscopica della variazione della

distanza degli atomi del materiale. Più elevato E minore deformazione elastica da

uno sforzo.

COMPORTAMENTO VISCOELASTICO :

se il comportamento elastico non è lineare e dipende dal tempo è detto

viscoelastico, con curve di carico-scarico diverse, dove il legame

sforzo-deformazione dipende anche dalla velocità di deformazione, infatti

all’aumentare della velocità il materiale diventa più rigido. La dipendenza dal tempo

è legata a spostamenti atomici che scompaiono dopo aver rimosso il carico. Inoltre :

A sforzo costante la deformazione aumenta nel tempo e si ha il creep ; a

deformazione costante lo sforzo contrastante diminuisce nel tempo e si ha il

rilassamento.

DEFORMAZIONE PLASTICA (2.) :

si ha quando lo sforzo applicato supera un valore soglia e causa una deformazione

permanente, legata allo spostamento degli atomi del materiale. Il valore soglia è il

carico di snervamento, ovvero lo sforzo che provoca una deformazione plastica del

0,2% del materiale. il carico unitario di rottura è invece lo sforzo massimo

sopportabile nella curva sforzo-deformazione.

L’attitudine di un materiale ad essere d