Chimica - parte 2 Materiali

Materiali, introduzione, classificazione

Introduzione ai materiali: dagli atomi alla struttura dei materiali

Cosa sono?

Definizione filosofica: sostanza della quale ogni cosa è composta o fatta in modo più scientifico …

Definizione più appropriata: un aggregato di atomi o molecole in grado di opporre un’adeguata reazione a stimoli chimici, fisici e a sollecitazioni meccaniche per consentirne l'impiego per la realizzazione di oggetti, componenti e strutture.

Quali sono?

Diverse classi, in base alla struttura chimica:

• Metalli.
• Ceramici e vetri.
• Polimeri e materiali naturali.
• Materiali compositi.
• Per scegliere e usare consapevolmente i materiali è fondamentale comprendere che esiste una relazione tra proprietà/struttura del materiale.

Le proprietà

Livelli di studio delle proprietà: dal macro al nano.

Proprietà macroscopiche

Lo studio delle proprietà macroscopiche considera il comportamento del materiale nel suo insieme.

• Il materiale è isotropo se le sue proprietà sono le medesime in tutte le direzioni, altrimenti è anisotropo.
• Le proprietà vengono studiate con prove sperimentali su appositi campioni, rappresentativi dell’insieme del materiale.

Microstruttura

• Proprietà micro-strutturali del materiale:
  • Osservate mediante microscopio.
  • Individuare singole fasi o parti che costituiscono il materiale e che interagiscono.

Atomico o molecolare

Materiale = aggregato di atomi o molecole.

Correlare le proprietà dei materiali a:

• Natura dei legami tra gli atomi e le molecole e la mobilità degli elettroni.
• Dimensione delle molecole.
• Disposizione spaziale di atomi o molecole.
• Presenza di difetti.

N.B.: molecola = aggregato di atomi uniti da legami covalenti, altrimenti si parla di aggregato di atomi.

Legami chimici

• Legami forti:
  • Legame ionico.
  • Legame covalente.
  • Legame metallico.
• Legami deboli:
  • Idrogeno.
  • Van der Waals.

Struttura dei materiali

Gli atomi o le molecole che costituiscono un materiale possono disporsi in modo più o meno ordinato.

• La materia può assumere diverse forme strutturali, che dipendono dalla disposizione degli atomi o delle molecole nello spazio.

I materiali possono presentare, a seconda del grado di ordine degli elementi che li compongono, struttura:

1. Cristallina.
2. Semicristallina.
3. Amorfa.

Tali strutture possono presentare dei difetti che sono molto importanti nel determinarne le caratteristiche finali.

Struttura dei materiali

La materia può assumere diverse forme strutturali, che dipendono dalla disposizione degli atomi o delle molecole nello spazio.

Remind:

• Struttura cristallina → disposizione ordinata e ripetitiva, tridimensionale.
• Struttura ordinata e ripetitiva a livello atomico o molecolare, es. metalli, ceramici.
• I legami che tengono insieme i cristalli sono legami forti elevate con elevate caratteristiche meccaniche.
• Cella elementare: unità strutturale minima la cui ripetizione nelle tre dimensioni dello spazio può generare l’intero reticolo.

1. Amorfa

I gruppi di atomi o di molecole si dispongono in modo disordinato nello spazio:

• Struttura disordinata simile a quella dei liquidi.
• I legami all’interno delle molecole sono forti.
• I legami tra le molecole sono deboli.

Caratteristiche meccaniche inferiori rispetto a quelle di strutture cristalline.

• Strutture amorfe: vetri, alcuni polimeri.
• La materia può assumere diverse forme strutturali, che dipendono dalla disposizione degli atomi o delle molecole nello spazio.
• Struttura cristallina → disposizione ordinata e ripetitiva, tridimensionale.
• Struttura amorfa → disposizione spaziale disordinata.
• La struttura cristallina e la struttura amorfa possono coesistere, come nella maggior parte dei materiali polimerici: struttura semicristallina.

2. Struttura semicristallina

Struttura con zone cristalline frammiste a zone amorfe, es. polimeri semicristallini.

• Caratteristiche meccaniche intermedie tra struttura cristallina e struttura amorfa.
• Struttura della maggior parte dei materiali polimerici.

Generalmente, i materiali polimerici hanno parte delle molecole disposte in modo ordinato e parte delle molecole disposte in modo disordinato.

Proprietà dei materiali: influenza della struttura

Legami e classi di materiali

La classificazione dei solidi è correlata ai legami:

• Solidi metallici, legame metallico.
• Solidi covalenti, legame covalente.
• Solidi ionici, legame ionico.
• Solidi molecolari, legami deboli.

Classificazione generale, legata alle classi di materiali:

• Metalli.
• Ceramici.
• Polimeri.

+ un numero elevato di classificazioni essenzialmente su basi funzionale, ma non solo….

Materiali metallici

• Materiali inorganici composti da un elemento metallico o da più elementi metallici o non metallici.
• A temperatura ambiente sono allo stato di solidi cristallini.
• Dall’atomo al legame al materiale metallico.
• Il legame metallico prevede una nuvola di elettroni che per natura sono “mobili”.
  • Quali sono le proprietà termiche ed elettriche dei metalli?
  • Da cosa sono originate?
  • Quali altre proprietà dei metalli viene giustificata dal tipo di legame che unisce gli atomi metallici?

Materiali polimerici

• Materiali organici composti da lunghe catene molecolari, macromolecole, a base di atomi di carbonio legati ad altri elementi, H, O, N, Cl, S.
• Gli elettroni di legame sono impegnati nei legami, quindi generalmente ottimi isolanti elettrici e termici.

Materiali ceramici

• Materiali inorganici costituiti da elementi metallici, Mg, Al, Fe, …, e non metallici, ad es. O, legati chimicamente fra loro.
  • Caratterizzati da legami ionici e covalenti.
• Gli elettroni di legame sono impegnati a riempire orbitali e non sono propensi ad andarsene in giro.
  • Ceramici → generalmente ottimi isolanti elettrici e termici.

Materiali compositi

• Sistema di materiali composto da una miscela o combinazione di due o più macro-costituenti che:
  • Differiscono nella forma e nella composizione chimica.
  • Sono insolubili l’uno nell’altro.
• Le tre classi di materiali prima descritte possono essere combinate per ottenere un effetto sinergico delle proprietà.

Classificazione dei materiali

Un modo per classificare gli oggetti è raggrupparli in base ai materiali di cui sono fatti.

Classificazione funzionale dei materiali:

• Aerospaziali.
• Biomedici.
• Elettronici.
• Tecnologia energetica e ambientale.
• Magnetici.
• Fotonici e ottici.
• Materiali intelligenti, smart.
• Strutturali.

Materiali metallici

I difetti di struttura

Dalla lezione svolta sullo stato solido, potrebbe sembrare che i reticoli cristallini fossero degli oggetti perfetti, ma nella realtà così non è; esamineremo ora brevemente qual è la realtà.

• La struttura reale di metalli e leghe non è perfetta.
• La struttura presenta difetti che permettono al metallo/lega di possedere determinate proprietà.
• I difetti influenzano le proprietà meccaniche, le proprietà chimiche e quelle elettriche.
• Classificazione:
  • Difetti puntiformi, o di punto.
  • Difetti lineari, o dislocazioni.
  • Difetti di superficie.

Difetti puntiformi – atomi interstiziali e sostituzionali

Difetti puntiformi possono essere costituiti da:

• Vacanze: posizioni reticolari non occupate da nessun atomo.
• Atomi interstiziali: atomi del metallo stesso o diversi che non occupano una normale posizione reticolare.
• Atomi sostituzionali: atomi diversi dal metallo che occupano posizioni reticolari.

Le vacanze sono posizioni reticolari non occupate da atomi, assenza di un atomo.

La presenza di vacanze, in particolare, facilita i processi di diffusione.

La diffusione consente la formazione di leghe metalliche.

Atomi interstiziali sono atomi che non occupano una corretta posizione reticolare.

• Si trovano in siti interstiziali.
• Determinano una distorsione strutturale.

Atomi sostituzionali sono atomi di un altro elemento che occupano una corretta posizione reticolare.

Difetti lineari – dislocazioni

Le dislocazioni sono difetti formati da successioni di atomi in punti che non coincidono con le posizioni reticolari, sono cioè una sorta di «difetti lineari». Le dislocazioni sono generate e si muovono quando uno stress è applicato, generando deformazioni plastiche.

• Dislocazioni a spigolo.
• Dislocazioni a vite: costituite da atomi spostati dalle loro posizioni reticolari secondo una successione che segue il percorso di una vite.

Le dislocazioni sono difetti formati da successioni di atomi in punti che non coincidono con le posizioni reticolari.

• Dislocazioni a spigolo.
• Dislocazioni a vite. Le due dislocazioni sono comunque gli estremi di un fenomeno che spesso comprende situazioni intermedie.

Deformazione elastica

• Sotto un certo valore dello sforzo, limite elastico, si ha una distorsione elastica del reticolo.
• Gli atomi si spostano coordinatamente.
• Tolta la sollecitazione il reticolo torna alla geometria iniziale.

Deformazione plastica

• Per sollecitazioni superiori al limite elastico, il reticolo si deforma permanentemente.
• Tolta la sollecitazione, la parte elastica viene recuperata, ma il reticolo mantiene una deformazione permanente, deformazione plastica.
• La deformazione plastica avviene per scorrimento lungo alcuni piani cristallini, movimento delle dislocazioni.

Una struttura cristallina sottoposta ad una sollecitazione si deforma.

La deformazione permanente:

• Scorrimento relativo di una parte del cristallo rispetto all'altra.
• Se non ci fossero le dislocazioni in un certo istante dovrebbero essere rotti contemporaneamente un grande numero di legami, alto valore di sforzo.

Una struttura cristallina sottoposta ad una sollecitazione si deforma.

Le dislocazioni permettono lo scorrimento progressivo della dislocazione nel cristallo con la rottura di un limitato numero di legami atomici, basso valore di sforzo.

• Rendono possibile la deformabilità, deformazione plastica, dei materiali metallici.

Difetti di superficie – bordi di grano

Questa è un’altra classe di difetti molto importante, ma non scendiamo nel dettaglio; chi fosse interessato trova ampie informazioni sul testo.

Frattura transcristallina o transgranulare

• A temperature non elevate i bordi di grano sono più resistenti del grano stesso.
• L’applicazione di una forza esterna determina perciò la propagazione della frattura nei grani e la diminuzione della dimensione degli stessi.

Frattura intercristallina o intergranulare

• A temperature elevate è più debole il bordo di grano.
• La frattura si propaga lungo le superfici di separazione tra i grani.

La deformazione plastica a freddo consente di ottenere la diminuzione della dimensione dei grani e l’aumento conseguente delle proprietà meccaniche, resistenza meccanica.

Tecnologie di lavorazione

Produzione e lavorazione dei materiali = sequenza dei processi tecnologici.

• Materie prime → prodotto finito.

Dipende da:

• Caratteristiche intrinseche del materiale impiegato.
• Forma e dimensioni dell’oggetto.

Fattori che influenzano la scelta del metodo di fabbricazione:

• Il numero dei pezzi da produrre.
• Il materiale utilizzato.
• La precisione dei pezzi.
• Le macchine disponibili nell’azienda.
• Il tempo assegnato ed il fattore economico.

Classificazione delle lavorazioni

Tecnologie:

• Lavorazioni da fonderia e di metallurgia delle polveri, creazione della coesione.
• Lavorazioni per deformazione plastica, a freddo o a caldo, mantenimento della coesione.
• Lavorazioni alle macchine utensili, separazione della coesione.
• Trattamenti termici, termochimici, modifica della coesione.
• Operazioni di giunzione tra pezzi diversi.
• Operazioni di finitura superficiale.

Lavorazioni da fonderia

Processo di solidificazione per l’ottenimento di pezzi di geometria complessa.

• Fusione di leghe metalliche prodotte dai processi metallurgici o da rottamazione in speciali forni.
• Colaggio del metallo fuso in forme apposite, = stampi, con forma molto simile al componente finale che si vuole ottenere.
• Solidificazione → getto.

Tre principali metodiche per la produzione di getti:

• In sabbia.
• In conchiglia.
• Pressofusione.

In sabbia.

In conchiglia.

Pressofusione:

1. Camera coibente.
2. Camera calda.
3. Pistone di iniezione.
4. Tubo iniettore.
5. Bloccaggi conchiglia.
6. Getto.
7. Conchiglia.
8. Attacco di colata.

Tre principali metodiche per la produzione di getti:

• In sabbia:
  • Metallo colato per gravità in sabbia da fonderia.
• In conchiglia: si migliora.
  • Metallo colato per gravità in stampi di metallo.
  • Migliore finitura superficiale e precisione.
• Pressofusione:
  • Metallo inserito nello stampo con sovrappressione.
  • Minori vuoti interni.
  • Eccellente finitura superficiale.

Microfusione a cera persa.

Lavorazioni per metallurgia delle polveri

Insieme di tutti i processi utilizzabili per realizzare componenti metallici partendo da polveri.

Elemento comune = materiale grezzo.

• Polveri metalliche di ben determinata granulometria.
• Elevata purezza.

Si distinguono per procedure diverse per trasformare tali polveri in componenti massivi.

Processo in generale:

1. Messa in forma:
   1. Ottenimento di compatti, o verdi, costituiti dalle polveri metalliche.
2. Stadio di densificazione, eventualmente suddiviso in varie operazioni:
   1. Ottenuta per deformazioni meccaniche a caldo delle polveri.
   2. Mediante trattamenti termici adeguati a produrre l'effetto di sinterizzazione.

Possibili lavorazioni meccaniche o sul green o sul prodotto finale o intermedio.

Deformazione plastica

Intervallo di temperatura per le operazioni di deformazione plastica:

• T = temperatura ambiente A.
• T = temperatura di fusione del metallo m.

Più alte caratteristiche meccaniche e assenza di difetti interni rispetto ad un getto, = fonderia.

Principali tecniche:

• Laminazione.
• Forgiatura.
• Trafilatura.
• Estrusione.

Deformazione plastica a caldo

• Lavorazione “a caldo”, metallo inserito nello stampo con sovrappressione.
  • Avviene a T > temperatura di ricristallizzazione.
• Eccellente finitura superficiale.
• No incrudimento del materiale.
• Superficie del materiale fortemente ossidata.
  • Ulteriori trattamenti prima dell'utilizzo finale.

Deformazione plastica a freddo

• Lavorazione “a freddo”.
  • Avviene ad una temperatura inferiore a quella di ricristallizzazione.
• Minori variazioni di forma del materiale.
• Incrudimento = aumento delle caratteristiche meccaniche.
• Buona finitura superficiale.

Stampaggio.

Estrusione e piegatura.

Laminazione.

Lavorazioni alle macchine utensili

• Operazioni per asportazione di materiale.
• Si trasforma un pezzo grezzo o semilavorato in un prodotto finito, asportando il materiale, generalmente sotto forma di trucioli di dimensioni variabili, per mezzo di un utensile.
• Alcune classificazioni:
  • Per tagliente:
    • Forma definita, punta da trapano.
    • Forma indefinita, carta abrasiva.
  • Per tipologia:
    • Tradizionali: foratura, tornitura, fresatura, rettifica o molatura.
    • Non tradizionali: elettroerosione, taglio laser, water-jet, plasma-jet.

Foratura.

Tornitura.

Molatura.

Fresatura.

Lavorazioni alle macchine utensili non tradizionali

• Elettroerosione:
  • Erosione elettrica di materiali metallici conduttori.
  • Processo completamente automatico.
• Laser:
  • Taglio e saldatura.
• Water-jet:
  • Piccoli spessori.
  • Ottima finitura superficiale.

Operazioni di giunzione

• Unione di più componenti dello stesso materiale o di materiale differenti.
• Tecniche principali:
  • Incastro.
  • Bullonatura.
  • Chiodatura.
  • Incollaggio.

Esempio: saldatura.

• Saldatura per fusione a gas.
• Saldatura ad arco.

Unione tra due pezzi metallici mediante l'azione del calore, con o senza l'aggiunta di un altro materiale, materiale d'apporto.

Operazioni di finitura

1. Operazioni di preparazione dalla superficie.
2. Operazioni di finitura vere e proprie, tra cui:
   • Rivestimenti di ossidi, carburi e nitruri mediante PVD o CVD.
   • Rivestimenti ceramici mediante plasma spray.

Operazioni di modifica superficiali

• Trattamenti elettrochimici o chimici di passivazione.
• Rivestimenti metallici.
• Verniciatura.
• Depositi termici da polveri: plasma spray.
• Deposizione fisica da fase vapore, PVD.
• Deposizione chimica da fase vapore, CVD.
• Strati di diffusione: impiantazione ionica.

I metalli puri e le leghe

I metalli puri

• Struttura formata da grani composti da un solo elemento metallico.
• Si parla di materiali commercialmente puri, in cui sono presenti altri elementi con livelli massimi accettabili.

Le leghe

• Due, o più, elementi metallici diversi e/o non metallici possono coesistere in un unico reticolo cristallino o possono formare contemporaneamente due o più reticoli cristallini:
  • Acciaio Fe-C-…
  • Bronzo Cu-Sn.
  • Ottone Cu-Zn.

Lega metallica:

È costituita da un insieme di due o più elementi, generalmente uno almeno dei quali è un metallo presente in quantità preponderante rispetto agli altri elementi.

L’aggiunta di uno o più elementi al metallo base ne può alterare la struttura.

La maggior parte delle leghe metalliche binarie mostra completa miscibilità allo stato liquido, ma solo parziale allo stato solido.

• Oltre agli elementi che caratterizzano una lega, possono essere presenti altri metalli o non metalli sia sotto forma di impurezze, sia aggiunti intenzionalmente al fine di ottenere proprietà particolari.
• Solvente, elemento presente in % maggiore.
• Soluto, elemento presente in % minore.

Soluzion