Prima parte di Scienza e tecnologia dei materiali

giovedì 20 febbraio 2025

SCIENZA DEI MATERIALI

MATERIALI CERAMICI: sono presenti all’interno del materiale

specifici legami come legame covalente polare, ionico covalenti e

legami ionici.

Ottenuti tramite trattamenti ad alta temperatura, caratterizzati da elevata

durezza e rigidezza ma elevata fragilità, ed una elevata inerzia chimica.

I ceramici tradizionali più o meno hanno lo stesso processo di

lavorazione per crearlo rispetto agli altri ceramici.

I VETRI: dal punto di vista della composizione sono simili ai ceramici,

legami covalenti, ionico covalenti e ionici, proprietà molto simili ai

ceramici, ma dal punto macroscopico sono diversi, visto che il vetro è

trasparente.

I vetri sono materiali amorfi, ovvero non presentano reticolo cristallino,

al contrario dei ceramici che sono tendenzialmente cristallini.

I vetri hanno una caratteristica strana, sono materiali che, scaldati

lentamente fluiscono ma non si capisce quando avviene, non c’è un a T

precisa nel quale il mio oggetto passa da fase solida a liquida.

Tutta una serie di polimeri sono amorfi (es. plexiglass, trasparente e

amorfo).

I vetri hanno un processo di lavorazione diversa dai ceramici

MATERIALI POLIMERICI: macromolecola,

sono filamenti che formano il materiale,

formati da migliaia di atomi che lungo la

catena si stabiliscono in maniera fissa,

catena come se fosse generata da una serie

di atomi chiamata unità ripetente, inclusa da

parentesi quadre seguito da una lettera che

definisce quante volte l’unita viene ripetuta.

Polimero, etimologia: deriva dal greco «polus-meros» = «molte

parti».

Mediamente in una catena è costituita da

600/1300 unita ripetenti.

Se cambia l’unita ripetenti cambia il polimero

che quindi mi cambia le proprietà.

Al variare di X mi cambia il polimero.

Legami covalenti ma anche forze di legame

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dovute alle forze di van Der Waals tra gli spazi.

POLIETILENE (PE): utile per il settore dei film (pellicole), ha l’unita

ripetente CH2 CH2.

POLIPROPILENE (PP): utilizzato anch’esso per i film, utilizzato anche

nel settore delle fibre per tappeti e per le sedie di uso comune, l’unita

ripetente è CH2 CHCH3.

POLI VINIL CLORURO (PVC): materiali morbidi simil gomma, posso

creare sia oggetti duri che morbidi, mischiato con il pv/ vengono

utilizzati altri materiali che ne modificano le proprietà, chiamati additivi

polimerici, e fanno variare durezza, colore ecc.

L’unita ripetente è CH2 CHCl.

POLISTIRENE (PS): è una famiglia di cui fa parte il polistirolo, ma non

solo quello, polistirene espanso sarebbe il polistirolo classico, perché

all’interno presenta cavita che hanno all’interno dell’aria e quindi il

nostro materiale risulta molto leggero e perde trasparenza, non è

materiale monofasico, tra le celle è presente aria, polistirene non

espanso è amorfo perciò e trasparente.

Tipiche proprietà dei materiali polimerici:

- bassa densità: le molecole che compongono il mio polimero sono

molto pesanti dovremmo avere densità alta, ma la densità dipende

anche dal volume occupato, inoltre c’è spazio vuoto tra le catene che

alleggerisce.

- Alta deformabilità a basse temperatura e bassa resistenza meccanica:

dovuta principalmente alla deformazione dei legami di van Der waals

che ha una resistenza bassa rispetto agli altri legami. Quando

vengono scaldati oltre ad una certa T, o fondono o si decompongono,

quasi nessuno materiale polimerico resistono fino a 300°C, i pochi

che resistono sono costosi.

Hanno stessa formula dell’idrocarburo, che viene usato

principalmente come combustibile, per quello fondono

- Basso costo: per produrre i polimeri si porta il materiale in forma

liquida e viene dati la forma tramite uno stampo, solitamente la T è tra

200 e 300°C, le macchine inoltre sono veloci a produrre e possono

fare i lotti molto velocemente.

Polimeri di origine naturale, ovvero la gomma

naturale, usato a livello industriale ed è la gomma

per eccellenza, prodotta a partire da delle piante e

dalla loro corteccia ( GOMMA NATURALE (NR))

Cellulosa altissimo pero molecolare che contiene

fino a 10000 unita ripetenti per catena, utilizzata per i

legni.

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I polimeri degradabili sono instabili, tendono a decomporsi perciò più

costoso il processo, infatti non sono ancora utilizzate molto

MATERIALI COMPOSITI:materiali formati

dall’unione di almeno 2 degli altri materiali

chimicamente diversi separato da un’interfaccia

per definita per ottenere caratteristiche

intermedie.

Fase dispersa fatta da particelle o fibre, mentre

la fase continua prende il nome di matrice

Quando si crea un composito nel quale la fase

dispersa viene inserita per aumentare le

proprietà meccaniche viene chiamato rinforzo.

Le plastiche sono isolanti ma a volte servono che conducano corrente,

perciò metto dentro fibre di materiale conduttivo(es. polveri metalliche)

La matrice tipicamente fatta in polimero o ceramico o metallo,

PMC = Polymer Matrix Composites, composto matrice polimerica, sono

di gran lunga i compositi più utilizzati perché i più facili da produrre e

per molti scopi hanno caratteristiche necessarie per i ruoli che devono

fare, non possono essere utilizzati ad alte temperature, poiché dopo

200/300°C si decompongono.

MMC = Metal Matrix Composites

CMC = Ceramic Matrix Composites

Entrambi più costosi e difficile da produrre ma resistono a maggiori

temperature.

Esempio di MMC è cermet(ceramici e metallici) costituiti da particelle di

carburo di tungsteno (ceramico) disperse in una matrice di cobalto,

utilizzati per tagliare altri materiali visto che contengono carburi, sono

molto duri, la matrice di cobalto porta tenacità, resistenza agli urti

mentre il carburo porta la durezza e la resistenza all’usura.

Compositi a fibra continua usati quando serve elevate prestazioni

perché la fase dispersa serve a rinforzare la matrice, ma se sono diverse

le fibre cambia la caratteristica del materiale, la fase particellare rinforza

meno di una fibra corta, ed esso sarà meno efficiente rispetto ad una

fibra lunga.

I compositi sono formati da diversi strati sottili chiamati lamina, l’unione

delle lamine si chiama laminato, dipende dal processo di produzione e

dal materiale di partenza, tra varie lamine c’è una differenza di

orientazione delle fibre, e a seconda della direzione vanno a rinforzare in

maniera diversa il mio composito.

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Anisotropo: materiale quando ha proprietà diverse a seconda delle

direzioni, per avere proprietà uguali in tutte le direzioni le fibre devono

correre nella stessa direzione.

EFFETTO DELLA PRESENZA DEI LEGAMI NEI

MATERIALI

Forza attrattiva tra gli ioni del

materiale

A grandi distanze vince la

forza attrattiva, mentre

vicino quella repulsiva

Forza conservativa, la forza

non è dipendente dal

percorso seguito ma solo

dalla posizione iniziale e

finale del sistema, la derivata

parziale nel punto fornisce i

valori dei componenti della

forza che agisce in quel

punto.

Partendo dalla forza netta vado a dedurre l’andamento dell’EP

Grafico dell’EP formata da un minimo ma ci sono 2 rami, uno

dell’energia repulsiva e l’altra attrattiva.

Punto di minimo ha derivata=0,

quindi gli atomi hanno forza

nulla sul punto di minimo e

quindi ho la distanza di

equilibrio r0

Formula 1’ serve per calcolare

la “buca” e serve per calcolare il

lavoro per portare un atomo

a l l ’ i n fi n i t o , e c o n s i s t e

nell’energia di dissociazione del

legame; durante la formazione

del legame invece si

stabilizzano a r0 e consiste

nell’energia ceduta dal sistema.

Se voglio che siano distanti maggiori di r0 devo applicare io una forza

esterna per distanziarli, se invece voglio avvicinarli in modo che r<r0

devo applicare una forza poiché gli atomi tendono a respingersi tra loro.

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Se atomi distanza r0, voglio portare r<r0 derivata di EP netta è negativa,

perciò atomi soggetti a forza repulsiva, se voglio portargli a r>r0

derivata EP netta è positiva quindi forza attrattiva.

I legami covalenti hanno en di dissociazione nell’ordine di KJ/mol, sono

più forti, il legame di van der waals più deboli.

Una delle proprietà meccaniche più importanti è la rigidezza, il modulo

elastico(modulo di Young) serve per misurare la rigidezza.

Materiale a riposo gli atomi si trovano a distanza r0, quando applico una

forza il materiale si allungherà di una distanza dr.

Quando materiale rigido devo applicare una forza maggiore per

deformarlo, se poco rigido basta una forza bassa.

Alcuni materiale sono molto rigidi perché tutto è legato alla difficoltà di

allungare ogni singolo legame, più e facile spostarli meno è rigido il

materiale quindi più deformabile.

Per capire se un materiale è rigido o meno si può osservare il grafico

dell’energia potenziale netta, spostarsi di una distanza dr e fare la

derivata del punto per capire di quanto e la forza di attrazione tra gli

atomi, maggiore è la forza attrattiva e quindi la pendenza, maggior e e la

rigidezza e quindi la forza che devo applicare per deformare il materiale.

Legame covalente singolo ha un maggiore pendenza e quindi maggiore

rigidezza del materiale.

Il modulo elastico può essere espresso con una grandezza che si

chiama rigidezza del legame, E descrive variazione a piccolissime

deformazioni, dr molto

minore di r0.

Posso fare sviluppo di Taylor

a r0

Per arrivare a descrivere la

pendenza della tangente al

punto r(r0+dr).

La funzione finale può essere

approssimato ad una

parabola, questa approssimazione vale

solo vicino alla buca.

Posso calcolare forza facendo derivata

della parabola.

La formula della forza è simile alla forza

della molla, con s0 molto simile alla

constante K, inoltre tutte le forze sono

positive.

I legami più rigidi sono principalmente i

covalenti, quelli meno rigidi i legami di

van der Waals.

5 EFFETTO DELLA TEMPERATURA SUI LEGAMI

Legami all’interno dei solidi sono fatti da atomi che si muovono, perciò

presente anche EK.

Energia posseduta dagli atomi viene chiamata energia termica.

Atomi ad una certa temperatura generica T*, questi atomi soggetti a

forze di legame, sistema avrà una certa EP netta ed una certa EK che

dipende dalla T, a >T maggiori EK, a minori T<EK.

In un sistema chiuso vale la legge della conservazione dell’energia,

perciò ET=EP netta+EK,T*=costante, la nostra ET sarà una linea

parallela all’asse x ad una certa quota, maggiore è la T, più alta sarà la

posizione della linea dell’ET.

l’EK alla T* è data dall’ET-EPnetta, l’energia potenziale deve sempre

essere ≥0, ma anche l’EK deve essere>0 perciò dobbiamo tenere

accettabili solo quando l’ET del sistema è ≥ dell’EP netta; l’unico punto

in cui la linea dell’ET è tangente al grafico è alla T=0K quindi zero

assoluto.

Supponiamo ad aumentare la

temperatura T* ma sotto l’asse

X per avere 2 intersezioni, l’EK è

dovuto all’ET del sistema -

l’EP,netta del punto che sto

considerando, tutte le distanze

accettabili sono tra r min e

rmax.

Nasce una forza repulsiva

p o i c h é , g r a z i e a l l ’ e n e rg i a

cinetica, gli atomi tendono ad andare verso il minimo, salendo gli atomi

perdono energia cinetica guadagnando energia potenziale, la distanza

di legame continua ad oscillare

Materiali monocristallini: fatti da un cristallo continuo lungo tutto il corpo

Materiali policristallini. Materiali fatti da più cristalli.

Materiali dipendenti dalla direzione, sono anisotrope, ci sono direzioni e

equivalenti e altre dove hanno diverse proprietà.

Materiali cristallini sono principalmente isotropi nelle loro proprietà,

anche se formato da diversi cristalli poiché i microcristalli(grani

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cristallini) si orientano casualmente nello spazio, e quando un raggio lo

attraversa troverà i grani orientati in modo casuale in tutte le direzioni.

L’anisotropia presente nei poli cristallini dipende tutto dalla cella del

materiale considerato che può aumentare maggiormente l’isotropia.

Materia sarà isotropo finché vale la configurazione casuale dei grani in

tutte le direzioni.

MATERIALI POLIMERICI

:formati da delle catene, dove all’interno di

esse si ripetono una sequenza, possono essere totalmente amorfi

oppure sono parzialmente cristallini, sono detti polimeri semi cristallini

per indicare una struttura in parte cristallino in parte amorfo, ogni

grado di

reticolo avrà una % di fase cristallina che prende il nome di

cristallinità , che vuol dire che la % di volume è occupato da parte

cristallina.

Per produrre le plastiche prendo il polimero in granuli, lo si fa fondere( si

avrà un disordine molecolare, non ho catene polimeriche fisse), dopo di

che si prende e si mette il fuso polimerico dentro uno stampo, viene

stampato cosi che viene presa la parte dello stampo a freddo.

Durante lo stampaggio perdita di energia cinetica e quindi di calore e

velocità, fino alla temperatura ambiente dove gli atomi sono qua

immobili e materiale è allo stato solido; alcuni polimeri riescono a

cristallizzare parzialmente durante questa fase, chiamate lamelle

cristalline, non tutto si cristallizza e ciò è dovuto al fatto che tutte le

catene sono aggrovigliate le une sulle altre e non possono disporsi in

maniera ordinata, perciò si dispongono solo parzialmente.

Alcuni materiali polimerici non riescono assolutamente a cristallizzare

perché non hanno tendenza a cristallizzare ed è dipendente dalla

disposizione di atomi lungo la catena.

PE classico esempio di materiale policristallino, se faccio prova di

trazione esce un risultato basso, posso tirare le sue fibre e mi risulta un

altissimo modulo elastico e la resistenza.

Materiali amorfi sono principalmente trasparenti mentre i semicristalli

sono soggetti a opacizzazione.

VETRI : composizione chimica simile ai ceramici ma sono amorfi e

quindi trasparenti, prendiamo in considerazione il vetro di silice, formato

quasi esclusivamente da silice SiO2.

Silice presente in natura è cristallina, la più comune è il quarzo, ma

esiste anche sotto forma di cristo balite, polimorfismo vuol dire che un

materiale può essere presente con forme cristalline e reticoli cristallini

diversi.

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Se io scaldo la silice inizialmente cambia reticolo per poi fondere e

avere una viscosità di 10^6 pascal/secondo e ciò vuol dire che il

materiale scorre con molta difficolta e avranno una alta mobilità.

Impartisco la forma al fuso e poi solidifico ma la silice si raffredda solo

se v<0,03T/h, a T amb si ottiene solido amorfo e

Tutti gli atomi collegati con tutti traiate legame covalenti ma non si

possono muovere a causa di questi legami.

MATERIALE CRISTALLINO E AMORFO IN BASE ALLA

TEMPERATURA:

CRISTALLINO: Salto brusco del cambiamento di volume all’aumento di

temperatura.

Al salto brusco corrisponde Tm(temperatura di fusione) passaggio dallo

stato solido a quello liquido.

C’è variazione brusca di volume alla Tm perché a parità di massa, il

liquido occupa maggiore volume poiché si rompe il fattore di

impiccamento che il reticolo aveva nello stato solido.

AMORFO :si osserva che non c’è un salto brusco ma solo un’aumento

della pendenza della linea, non ‘e salto poiché c’era già disordine prima

perciò non si crea differenza.

C’è una leggera curva alla temperatura di transizione vetrosa Tg.

Sotto la Tg materiale è rigido, poco dopo la Tg è meno rigido ma ancora

solido, all’aumentare della temperatura osservo sempre più la

formazione della fase liquida del materiale.

A temperature basse ho vetro, mentre a temperature alte ho un liquido

viscoso, mentre nel mezzo non ho una temperatura fissa ma un intorno

nel quale il materiale fonde.

Ogni materiale amorfo hanno una

loro Tg

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TRAZIONE E COMPRESSIONE UNIASSIALE E TAGLIO

SEMPLICE

Sono proprietà che descrivono

il comportamento dei materiali

quando sono sotto l’effetto di

forze, sia in esercizio sia in certi

processi di produzione.

Applicare una forza normale

alla superficie in modo tale da

comprimere o allungare il

provino, consideriamo un

parallelepipedo, applico una

forza normale alla superficie

può essere applicata per

allungare il provino cosi che

abbiamo una forza di trazione,

se invece lo si comprime abbiamo una forza di compressione.

Il mio provino dopo l’applicazione della forza F avrà subito una

variazione di lunghezza dl=l-lo.

Una volta misurata la forza si divide per l’area di applicazione della forza

per calcolare lo sforzo ingegneristico(o nominale) nello stato

indeformato.

Si calcola anche la deformazione ingegneristica (o normale).

Faccio questi calcoli per eliminare le dimensioni del provino ed avere

una univocità nelle prove per stessi materiali ma diversi provini.

Sforzo in N/mm^2 o in MPa (solo la stessa unita di misura).

Per convenzione le forze di trazione sono positivi e quindi anche la

deformazione mentre per le forze di compressione sono per

convenzione negative e quindi anche la deformazione è negativa.

Un’altra possibile sollecitazione

è di taglio semplice, si

evid