Materiali/ biomateriali — slide e appunti

Introduzione ai materiali: dagli atomi alla struttura dei materiali

I materiali sono 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. In base alla struttura chimica vi sono diverse classi di materiali: metalli, ceramici (e vetri), polimeri (e materiali naturali) e materiali compositi. Per scegliere e usare consapevolmente i materiali è fondamentale comprendere che esiste una relazione tra proprietà e struttura del materiale.

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. Le proprietà microstrutturali del materiale sono osservate mediante microscopie e individuano singole fasi o parti che costituiscono il materiale e che interagiscono. Le proprietà dei materiali si devono correlare alla natura dei legami tra gli atomi e le molecole e la mobilità degli elettroni, alla dimensione delle molecole, alla disposizione spaziale di atomi o molecole e alla presenza di difetti.

Vi sono due tipi di legami chimici: i legami forti che sono il legame ionico, il legame covalente e il legame metallico e i legami deboli che sono idrogeno e Van der Waals.

Struttura dei metalli

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 cristallina, struttura semicristallina e struttura amorfa. Tali strutture possono presentare dei difetti che sono importanti nel determinarne le caratteristiche finali.

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

Nella struttura amorfa i gruppi di atomi o di molecole si dispongono in modo disordinato nello spazio; è una struttura disordinata simile a quella dei liquidi, i legami all’interno delle molecole sono forti mentre i legami tra le molecole sono deboli. La struttura amorfa ha caratteristiche meccaniche inferiori rispetto a quelle cristalline. Un esempio di strutture amorfe sono i vetri e alcuni polimeri.

La struttura cristallina e la struttura amorfa possono coesistere, come nella maggior parte dei materiali polimerici e in questo caso si parla di struttura semicristallina. La struttura semicristallina è una struttura con zone cristalline frammiste a zone amorfe, come nei polimeri semicristallini. Tale struttura ha caratteristiche meccaniche intermedie tra struttura cristallina e struttura amorfa ed è la struttura della maggior parte dei materiali polimerici, i quali hanno parte delle molecole disposte in modo ordinato e parte delle molecole disposte in modo disordinato.

Legami e classi di materiali

La classificazione dei solidi è correlata ai legami; infatti, si parla di solidi metallici nel caso di legame metallico, solidi covalenti nel caso di legame covalente, solidi ionici con legame ionico e solidi molecolari con legami deboli. La classificazione generale è legata alle classi di materiali: metalli (che comprendono leghe), ceramici, polimeri, compositi, più altre classificazioni su basi funzionale e non solo.

Materiali metallici

I materiali metallici sono materiali inorganici composti da un elemento metallico o da più elementi metallici o non metallici. Essi a temperatura ambiente sono allo stato di solidi cristallini. Il legame metallico prevede una nuvola di elettroni che per natura sono mobili.

Materiali polimerici

I materiali polimerici sono materiali organici composti da macromolecole a base di atomi di carbonio legati ad altri elementi. Gli elettroni di legame sono impegnati nei legami, quindi generalmente ottimi isolanti elettrici e termici.

Materiali ceramici

I materiali ceramici sono materiali inorganici costituiti da elementi metallici (Mg, Al, Fe) e non metallici (O) legati chimicamente fra loro e caratterizzati da legami ionici e covalenti. Gli elettroni di legame sono impegnati a riempire orbitali e non sono propensi ad andarsene in giro. I materiali ceramici sono generalmente ottimi isolanti elettrici e termici.

Materiali compositi

I materiali compositi sono un sistema di materiali composto da una miscela o combinazione di due o più macro-costituenti che differiscono nella forma e nella composizione chimica e sono insolubili l’uno nell’altro. Le tre classi di materiali possono essere combinate per ottenere un effetto sinergico delle proprietà.

Proprietà dei materiali

Il comportamento di un materiale è caratterizzato dalla sua reazione a una sollecitazione. Vi sono tre categorie di proprietà a seconda del tipo di sollecitazioni esterne applicate: le proprietà chimiche, cioè il comportamento dei materiali in un ambiente chimico aggressivo, particolare o specifico; le proprietà fisiche, quindi il comportamento dei materiali sotto azione di forze fisiche come la temperatura, i campi elettrici o magnetici e la luce; e infine le proprietà meccaniche, con un comportamento dei materiali sottoposti all’azione di un sistema di forze. Le proprietà fisiche sono molto importanti per la selezione dei materiali. Un esempio di tali proprietà sono la densità, il punto di fusione, le proprietà ottiche, termiche, elettriche e magnetiche.

Le proprietà meccaniche sono la risposta di un materiale a forze o con carichi applicati e sono determinate da un test di laboratorio. Esse determinano il comportamento dei materiali a seguito dell’applicazione di forze o carichi e sono molto sensibili ai processi di lavorazione e trasformazione. La risposta o il comportamento del materiale dipende dal tipo di legami, morfologia e tipo e numero di difetti e dal tipo di sforzo e modo in cui è applicato. In funzione della risposta meccanica, la risposta all’applicazione di una forza comporta tre tipi di deformazione: elastica, plastica e viscosa; a seconda del meccanismo di deformazione conseguente all’applicazione di una forza: elastoplastici, elastici e viscoelastici.

L’elasticità ha capacità di recupero, la plasticità ha incapacità di recupero e la viscoelasticità ha capacità di recupero parziale in funzione di t e v. Esempi di materiali viscoelastici includono: polimeri amorfi, polimeri semicristallini, biopolimeri, metalli a elevate temperature, materiali bituminosi. Anche il legno ed i tessuti umani mostrano effetti viscoelastici significativi. Quando un materiale VE è sottoposto a sollecitazione, la risposta che si ottiene è di spostamento elastico, che immagazzina energia, e di flusso viscoso che dissipa energia.

Sforzo (stress) e deformazione (strain)

Ogni forza o carico applicato a un materiale produce uno sforzo e una deformazione nel materiale. Lo sforzo è l’intensità della forza di reazione in ogni punto del corpo del materiale sottoposto a carichi, che possono essere in differenti condizioni di lavorazione e fabbricazione o in seguito a cambiamenti termici. L’unità con cui si misura è N/m² = Mpa. Lo stress è la forza di reazione in ogni punto di un campione soggetto a carichi durante l’uso, in differenti condizioni di processo e manifattura e dopo variazioni termiche. Vi sono tre tipi di sforzo: normale (trazione o compressione), flessione e taglio.

Modulo di elasticità

Un materiale viene detto elastico quando la deformazione prodotta nel corpo viene completamente recuperata dopo rimozione della forza. Modulo di elasticità = tensione / deformazione. La rigidità o rigidezza (stiff) è la tendenza a subire deformazioni in campo elastico (più è elevato il modulo elastico, più rigido è il materiale). Per esempio, per metalli e ceramici il ridotto movimento degli atomi è causato dai legami forti nella struttura; modulo elastico alto mentre tensione elastica molto piccola e piccolissimi spostamenti degli atomi. In questo caso si parla di elasticità entalpica.

Invece, per elastomeri, i pochi nodi di reticolazione permettono ampie deformazioni delle maglie del reticolo e garantiscono il richiamo elastico del materiale. Gli elastomeri sono lunghe catene macromolecolari tenute insieme da pochi legami a ponte.

Prova di trazione

Le prove di trazione sono prove standard volte a determinare il comportamento meccanico di un materiale; sono realizzate applicando una forza di trazione su un provino di materiale portandolo fino alla rottura. Questo viene fatto seguendo un procedimento di carico a velocità di deformazione costante. I provini possono avere diversa geometria: fibre, cilindri, strutture tubolari, strisce e a osso di cane.

Prova a compressione e isteresi

Le proprietà a compressione possono essere molto differenti da quelle a trazione. Per un materiale ideale, quindi elastico, la cura di trazione è reversibile e l’energia assorbita durante il carico è interamente restituita (molla). Ma i materiali non hanno un comportamento elastico ideale in quanto parte dell’energia fornita viene dissipata per attrito interno (movimenti di dislocazione nei metalli o di catene nei polimeri). Nei materiali visco-elastici la deformazione avviene in parte per scorrimenti viscosi fra le molecole. L’energia assorbita durante la deformazione non viene restituita integralmente ma si trasforma in calore. È anche possibile che, in situazioni di scarico, l’anello di isteresi presenti una deformazione residua che può essere o meno recuperata nel tempo.

Tenacità e resilienza

La tenacità è la capacità di un materiale di assorbire energia prima della rottura. La resilienza è la capacità di assorbire energia nel campo elastico.

Prova a resistenza all’urto

In una prova a resistenza all’urto lo scopo principale è valutare la quantità di energia assorbita da un provino standardizzato se colpito da un maglio di cui è nota l’energia cinetica. L’energia assorbita è utilizzata come indice della suscettibilità alla rottura duttile o alla rottura fragile.

Frattura duttile e frattura fragile

Il comportamento duttile o fragile non è sempre una caratteristica intrinseca del materiale. Può dipendere dall’applicazione del carico o dalla temperatura. La frattura duttile di un metallo avviene dopo una deformazione plastica estesa e presenta basse velocità di propagazione della rottura. A livello microstrutturale si verifica uno scorrimento irreversibile tra gli atomi del reticolo cristallino per scorrimento di dislocazioni, determinando una deformazione permanente residua.

La frattura fragile avanza invece lungo piani cristallografici caratteristici detti piani di clivaggio e si propaga velocemente. Nei ceramici, si ha rottura di legami primari senza che sul provino si verifichino significative deformazioni dello stesso.

La fatica nei materiali

La fatica nel materiale è la sollecitazione variabile nel tempo in modo ciclico e la rottura è a un livello di sforzo molto inferiore a quello necessario nel caso di sollecitazione costante.

Prove a fatica

Nelle prove a fatica si sollecitano diversi provini con diversi sforzi: si misura il numero di cicli dopo i quali i provini giungono a rottura e si riportano in un grafico i valori di stress in funzione del numero di cicli a rottura. Un esempio sono le curve di Wohler dove sono riportati in scala semilogaritmica lo stress e il numero di cicli a rottura.

Durezza

La durezza è la misura della resistenza di un materiale alla deformazione plastica permanente e si fa attraverso una procedura sperimentale, ossia misura dell’impronta ottenuta comprimendo un penetratore sulla superficie del materiale.

Materiali metallici: i difetti di struttura

La struttura reale di metalli e leghe non è perfetta. La struttura presenta difetti che permettono al metallo o alla lega di possedere determinate proprietà in quanto i difetti influenzano le proprietà meccaniche, chimiche ed elettriche. Vi sono diversi tipi di difetti: i difetti puntiformi (o di punto), i difetti lineari (o dislocazioni) e i difetti di superficie.

I difetti puntiformi

I difetti puntiformi possono essere costituiti da vacanze, cioè posizioni reticolari non occupate da nessun atomo, da atomi interstiziali, cioè atomi del metallo stesso o diversi che non occupano una normale posizione reticolare, o da atomi sostituzionali, cioè atomi diversi dal metallo che occupano posizioni reticolari. Le vacanze sono posizioni reticolari non occupate da atomi (assenza di un atomo) e la loro presenza facilita i processi di diffusione, la quale consente la formazione di leghe metalliche. Gli atomi interstiziali sono atomi che non occupano una corretta posizione reticolare che si trovano in siti interstiziali e determinano una distorsione strutturale. Gli 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. Vi sono due tipi di dislocazioni: le dislocazioni a spigolo e le dislocazioni a vite, costituite da atomi spostati dalla loro posizione reticolare secondo una successione che segue il percorso di una vite. Le due dislocazioni sono comunque gli estremi di un fenomeno che spesso comprende situazioni intermedie.

Sotto un certo valore dello sforzo (limite elastico) si ha una distorsione elastica del reticolo, gli atomi si spostano coordinatamente ma tolta la sollecitazione il reticolo torna alla geometria iniziale. 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, detta deformazione plastica, la quale avviene attraverso il movimento delle dislocazioni quindi attraverso uno scorrimento relativo di una parte del cristallo rispetto all’altra.

Le dislocazioni permettono lo scorrimento progressivo della dislocazione nel cristallo con la rottura di un limitato numero di legami atomi, quindi basso valore di sforzo, e rendono possibile la deformabilità (deformazione plastica) dei materiali metallici. Se non ci fossero le dislocazioni, in un certo istante dovrebbero essere rotti contemporaneamente un grande numero di legami, a causa di un alto valore di sforzo.

I difetti di superficie (bordi di grano)

Possono avvenire due tipi di fratture: la frattura transcristallina e la frattura intercristallina. Nella 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. Nella 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 delle proprietà meccaniche (resistenza meccanica).

Tecnologie di lavorazione

La produzione e lavorazione dei materiali dipende da caratteristiche intrinseche del materiale impiegato e dalla forma e dimensioni dell’oggetto. I fattori che influenzano la scelta del metodo di fabbricazione sono il numero dei pezzi da produrre, il materiale utilizzato, la precisione dei pezzi, le macchine disponibili nell’azienda, il tempo assegnato e il fattore economico.

La materia può essere con forma propria o senza forma propria. La materia con forma propria può comportare il mantenimento della coesione e quindi deformazione plastica, la modifica della coesione e quindi trattamenti termici, chimici e termo-chimici, o la separazione della coesione e quindi asportazione di truciolo e elettroerosione. La materia senza forma propria può comportare la realizzazione della coesione e quindi formatura e tecniche di rivestimento.

Quindi possiamo vedere che ci sono diversi tipi di lavorazione: la lavorazione da fonderia e di metallurgia delle polveri (creazione della coesione), lavorazioni per deformazione plastica, a freddo o a caldo (mantenimento della coesione), lavorazione alle macchine utensili (separazione della coesione), trattamenti termici, termochimici (modifica della coesione), operazioni di giunzione tra pezzi diversi e operazioni di finitura superficiale.

Lavorazione da fonderia

La lavorazione da fonderia è un processo di solidificazione per l’ottenimento di pezzi di geometria complessa che comporta la fusione di leghe metalliche prodotte dai processi metallurgici o da rottamazione in speciali formi, il colaggio del metallo fuso in degli stampi con forma molto simile al componente finale che si vuole ottenere, e la solidificazione che comporta la produzione di getti. Vi sono diversi tipi di processi di fusione: quello in sabbia resina, in stampo ceramico, in conchiglia, la microfusione a cera persa e la pressofusione. Nel processo di fusione in sabbia resina si impiegano delle resine fenoliche e ureico-furani.