Riassunto del Corso di Tecnologia dei materiali

Scienza e ingegneria dei materiali

• Scienza dei materiali = relazioni fra la struttura e le proprietà dei materiali.
• Ingegneria dei materiali = progettazione o ingegnerizzazione della struttura di un materiale sulla base delle correlazioni tra struttura e proprietà.
• Materiale: sono in generale sostanze fisiche solide utilizzate nella produzione di oggetti.
• Struttura: disposizione dei componenti interni materiale = modo in cui unità sono legate tra loro.
• Proprietà: comportamento materiale se sottoposto a sollecitazioni meccaniche, fisiche o chimiche. (Meccaniche, termiche, elettriche, magnetiche, ottiche e di deterioramento).
• Proprietà materiale dipendono da struttura => 3 livelli di struttura: macrostruttura: visibile a occhio nudo (massimo lente di ingrandimento).
• Microstruttura: individuabile solo attraverso l’indagine microscopica => organizzazione di gruppi estesi di atomi.
• Struttura atomica: disposizione spaziale degli atomi o delle molecole che compongono il materiale.

Classificazione materiali in base alle funzioni

• Classificazione materiali => in base alle loro funzioni => materiali strutturali, materiali aerospaziali, materiali ottici, materiali magnetici, materiali biomedici, materiali energetici, materiali intelligenti.
• Processo di lavorazione e prestazioni => lavorazione-struttura-proprietà-prestazioni => processo di lavorazione determina una specifica struttura del materiale che a sua volta è caratterizzato da specifiche proprietà che conferiscono prestazioni diverse.
• Proprietà dei materiali => 6 classi => ci interessa solo meccaniche e deterioramento): meccaniche = relazione tra deformazione e carico e sforzo applicato.
• Deterioramento = reattività chimica di una materiale => durabilità.
• Scelta materiale => condizioni in servizio, decadimento proprietà, questione economica.

Classificazione materiali in base ai costituenti

• Classificazione materiali => in base ai loro costituenti (metalli, ceramica, polimerici):
• Metalli = uno o più elementi metallici + piccole quantità elemento non metallico => atomi disposti in modo ordinato e alta densità => rigidi e resistenti => duttili e resistenti a fratture => alto numero di elettroni delocalizzati => ottimi conduttori elettrici => superficie levigata lucente => alcuni magnetici => atomi mantengono mediamente la posizione di equilibrio e oscillano sempre di più all’aumentare della temperatura).
• Ceramici = elementi metallici + non metallici => Ceramici tradizionali = cottura di minerali argillosi => materiali relativamente rigidi e resistenti => molto duri e estremamente fragili => buoni isolanti termici e elettrici => alta resistenza alle alte temperature => trasparenti opachi ecc.
• Polimerici = plastici e gomme => composti organici => basati su carbonio idrogeno altri non metallici => struttura formata da catene molto estese con carbonio che forma struttura portante => bassa densità rigidità e resistenza => molto duttili e flessibili => non reattivi => non reggono temperature elevate.

Struttura atomica di Bohr

Struttura atomica di Bohr

• Livelli di energia:
• Liv. 3 = 2 elettroni (vicino al nucleo).
• Liv. 2 = + energia del livello 3 = 8 elettroni (intermedio).
• Liv. 1 = + energia del livello 2 = 2 elettroni (più esterno).
• Atomi = neutralità elettrica => stesso numero di protoni ed elettroni => stabile = livello di elettroni più esterno è completo => parte sinistra della tavola periodica = elementi con un solo elettrone nello strato più esterno => parte destra elementi a cui manca un elettrone per raggiungere la stabilità (e i gas nobili) => ioni ovvero atomi che hanno preso o perso elettroni => metalli = molti elettroni = pochi nello strato esterno e piuttosto lontani => elettropositivi = cedono facilmente un elettrone => non metalli = elettronegativi.

Legami

• Legami:
• Legame covalente = condivisione di due o più elettroni => accumulo densità elettronica => abbassamento energia potenziale => aumento energia per repulsione => legame direzionale => dipende da numero di elettroni di valenza => disposizione elettroni dipende da elettronegatività Pagina 1 fl fi fi fi fi.
• Legame ionico = differenza di elettronegatività molto alta => metallo + non metallo => elemento metallico = prende uno o più elettroni = attratti dall’atomo dell’elemento non metallico => legame elettrostatico e direzionale => cristalli formati da ioni di carica opposta = struttura regolare = reticolo cristallino => stabilità = energia reticolare.
• Legame metallico = max 3 elettroni di valenza => mare di elettroni => cristalli metallici = reticoli di ioni positivi = disposti ordinati e ripetitivi => nubi di elettroni di valenza diffusa in tutto il reticolo.
• Legame ad idrogeno = atomo di idrogeno si lega a uno molto elettronegativo => interazione elettrostatica => legame debole.
• Interazioni di Van Der Walls = attrazione tra molecole neutre => estremamente deboli e a corto raggio => elettrostatiche.

Strutture cristalline

• Strutture cristalline => sostanze solide = solidi cristallini (motivo regolare lungo qualsiasi direzione) e solidi amorfi => cella elementare = regione di spazio => riempie tutto lo spazio senza lasciare vuoti => unità strutturale di base per la costruzione del reticolo cristallino => diversi tipi a seconda di come si posizionano gli atomi:
• Struttura esagonale compatta (EC) = in tal caso la cella elementare presenta una faccia superiore e una faccia inferiore a forma di esagono regolare costituita da sei atomi ai vertici e uno al centro. Tra le due facce è presente anche uno strato intermedio in cui sono posizionati tre atomi. Questa struttura presenta 17 atomi di cui 12 disposti nei vertici dei due esagoni di base, 2 disposti nei centri di tali esagoni, 3 in posizione intermedia rispetto alle basi. Il numero di coordinazione è 12 (struttura compatta); infatti ciascun atomo è a contatto con 6 atomi del suo piano, con 3 del piano sovrastante e 3 del piano sottostante. Il fattore di impacchettamento è pari a 0,74 (occupato per 0,74 da atomi e per il restante 0,26 è vuoto). [a(distanza tra gli atomi)=2R] [a/c=1,633).
• Struttura cubica a facce centrate (CFC) = tale struttura, tipica di molti materiali metallici, è caratterizzata da una cella unitaria cubica nella quale gli atomi sono disposti ai vertici di un cubo e al centro di ciascuna faccia => Questa struttura presenta 14 atomi di cui 8 disposti nei vertici del cubo e 6 al centro di ciascuna faccia del cubo. Il numero di coordinazione è 12 (struttura compatta); infatti ciascun atomo è a contatto con 4 atomi del suo piano, con 4 del piano sovrastante e 4 del piano sottostante. Il fattore di impacchettamento è il rapporto tra il volume degli atomi appartenenti alla cella unitaria ed il volume totale della cella. In questo caso il fattore di impacchettamento è pari a 0,74. [a(distanza tra gli atomi)=2R√2].
• Struttura cubica a corpo centrato (CCC) = In tale struttura la cella presenta atomi ai vertici di un cubo e un atomo al centro di tale cubo => Questa struttura presenta 9 atomi di cui 8 disposti nei vertici del cubo e 1 al centro del cubo stesso. Il numero di coordinazione è 8 (struttura non compatta); infatti ciascun atomo è a contatto con 4 atomi del piano sovrastante e 4 del piano sottostante. Il fattore di impacchettamento è pari a 0,68 (più vuoto delle altre due = meno compatto = occupa più spazio). [a(distanza tra gli atomi)=4R√3].
• Distanza e struttura = uniche per ogni materiale e da esse è possibile capire di che elemento si tratta.
• Anche massimo impacchettamento = lascia vuoti => strutture meno compatte vuoti maggiori dimensioni => costituiscono reticolo cristallino => possono venire occupati da altri atomi (o piccole molecole) dando origine a delle leghe interstiziali.
• Monocristallo => in un solido cristallino gli atomi sono disposti secondo una ripetizione periodica, senza mai interrompersi.
• Policristallini: materiali costituiti da un insieme di cristalli molto piccoli, detti grani. Si formano grazie a piccoli cristalli che presentano tra loro orientamenti cristallografici del tutto casuali => piccoli grani crescono grazie all’aggiunta di atomi provenienti dal liquido che gli circonda => Processo di solidificazione = fine => estremità grani si urtano => si crea un cristallo => Nel punto in cui due grani adiacenti si urtano si crea una disposizione difettata di atomi detta bordo grano.

Sollecitazione

• Sollecitazione => Sollecitare = applicare delle forze [kg] => spingono gli atomi ad allontanarsi => Una forza si distribuisce su tutti gli atomi => Forza tangenziale = fa scorrere un piano rispetto a un altro => Forza normale = fa staccare i piani atomici => A seconda di quale di queste due forze prevale => rompersi o deformarsi.
• Sollecitazione = (forza)/(numero di atomi che la sopportano) > σ = F/n (kg/atomo) => σ = F/S (kg/mm²).
• Ɛ Ɛ = Δa/L (%) => = deformazione => Δa = allungamento di ogni atomo => L = lunghezza Pagina 2 fi fi fi.

Difetti

• Difetti = L’ordine ogni tanto presenta dei difetti anche se il materiale ordinato:
• (Bordo di grano = confine che separa due grani = diversa orientazione = non c’è ordine).
• Difetto di punto = in un cristallo quando una posizione che dovrebbe essere occupata risulta vuota = vacanza = aumenta l’entropia del cristallo = legami si allungano => un atomo va ad occupare una posizione non prevista, intermedia tra atomi posizionati correttamente = autoinstestiziale = legami si comprimono => difetti di punto influiscono su diffusione => materiale con più vacanze = meno energia = è più stabile (in un materiale puro dove tutti gli atomi sono uguali e indistinguibili).
• Atomo di impurezza sostituzionale atomo estraneo in spazio interstiziale = entra tramite diffusione => materiale con percentuale elevata di purezza = molto difficile => cambiano dimensioni le distanze di equilibrio e l’energia dei legami => gli atomi si mescolano.
• Atomo di impurezza interstiziale = un atomo di dimensioni più piccole di quelli dell’atomo in questione si mette nello spazio tra due atomi => atomo occupa una posizione che risultava vacante.

Difetti lineari

• Difetti lineari = interrompono regolarità struttura lungo una linea => dislocazioni = disposizione di una fila di atomi difettati attorno ai quali gli altri atomi sono disposti in maniera irregolare => si formano con lavorazione => modificano proprietà meccaniche.
• Dislocazione a spigolo: linea dove termina un piano reticolare interrotto all’interno del cristallo = parallelo agli altri => distorsione del suo immediato intorno => Esse si possono muovere nel reticolo.
• Dislocazione a vite: si ottengono da uno sforzo di taglio che determina una distorsione => difficili da visualizzare => regione superiore del cristallo = slittata di una distanza interatomica a destra o a sinistra rispetto alla porzione inferiore.
• In generale dislocazioni sono un misto.
• Materiali ceramici = difetti non si possono muovere (=> non si piegano).

Difetti di superficie

• Difetti di superficie =
• Bordo di grano = confini tra due piccoli grani o cristalli che presentano una differente orientazione cristallografica all’interno di materiali policristallini => barriera allo scorrimento delle dislocazioni => striscia di atomi disposti in modo irregolare, che assumo posizione intermedia tra un grano e quella di un grano adiacente. Quando questo disallineamento è limitato si parla di bordo grano a piccolo angolo.
• Disallineamento => dovuti all’inserimento di piani che si interrompono => nel caso sia a basso angolo si ha una dislocazione a spigolo => cambiano le distanze atomiche.
• Grani = 10 micron = orientazione a seconda del piano => orientazione luce riflessa diversa => per vederli a microscopio occorre lucidarli con polvere di diamante e acido nitrico (corrode bordo di grani dove energia più alta perché dove ci sono molti difetti non si abbassa energia ma si alza).

Diffusione

• Diffusione = passaggio di massa all’interno di un determinato solido da parte di un liquido, un gas o da parte di altro solido => temperatura sopra 0k facilita diffusione => si sfrutta per conferire diverse caratteristiche al materiale => avviene solo se = è presente una posizione adiacente vuota dove andare a recarsi => atomi = sufficiente energia per potersi spostare => metalli = diffusione per vacanze (atomi con dimensioni, elettronegatività e struttura cristallina simili) e diffusione interstiziale (ci sono tanti spazi, serve energia sufficiente) => facilitate da temperatura => diffusione a bordo di grano = sul bordo ci sono moltissimi difetti => c’è molta energia.
• Diffusione stazionaria = passaggio attraverso una barriera => flusso di diffusione = J=M/At = massa del materiale che attraversa/superficie per tempo = quanti kg di atomi passano per un metro quadro in un secondo => proporzionale al gradiente di diffusione (o gradiente di concentrazione) dC/dx => Prima legge di Fick = il flusso di materiale che entra in un reticolo è = -D(dC/dx) => (D = coefficiente di diffusione) => Stazionaria = gradiente e flusso costanti.
• Diffusione non stazionaria = gradiente e flusso variano nel tempo (=> profondità a cui arriva gas in materiale aumenta con lo scorrere del tempo) => Seconda legge di Fick => dCx/dt=d/dx(D)(dCx/dx) => influenzano diffusione temperatura e tipo di specie coinvolte => D=D0-Qd/RT => D0 = grandezza indipendente da temperatura => Qd = energia necessaria per diffusione => R = costante dei gas = 8,31J/mole•K o 8,62•10^-5e V/atomo•K => T = temperatura assoluta.

Proprietà meccaniche

• Proprietà meccaniche = rigidità, durezza, resistenza, duttilità, tenacità.
• Sollecitazioni meccaniche => Prova di trazione-compressione, prova di taglio-torsione Ɛ Ɛ.
• σ = F/S = (Kg/m²) sollecitazione; = ∆l/l (m/m) = allungamento; E = σ/ (Kg/m²) = modulo elastico.
• Resistenza materiale => dipende da capacità di resistere legami tra atomi Pagina 3 fi fi fi fl fi fi fi fi fl fi fi fl fl fi fl fl fl fi.

Prova di trazione, compressione, taglio e torsione

• Prova di trazione = deformare lungo asse principale fino a rottura/deformazione plastica provino => forma provino = cilindrica, rettangolare o a osso (per concentrare nel centro lo sforzo di trazione => misure allungamento utilizzate per calcolare duttilità => macchina garantisce allungamento a velocità costante => misurati contemporaneamente allungamento e carico istantaneo.
• Prova di compressione = provino contratto lungo la direzione in cui viene applicata la forza => usata per studiare comportamento materiale sottoposto a deformazioni intense.
• Prova di taglio e torsione = In meccanica non esistono sforzi puramente di taglio => espressione a cui si possono ricondurre = =F/A => A = piano ti taglio; F = forza applicata parallelamente a facce superiori e inferiori => Deformazione = ϴ tangente Y dell’angolo di deformazione => Torsione = particolare tipo di taglio => rotazione attorno all’asse longitudinale.
• Provino = provino standard = parte centrale con sezione ridotta => estremi = sezione maggiore = si romperà nel centro.

Deformazione elastica e plastica

• Deformaz. elast. e plast.
• Deformazione elastica => metalli sottoposti a sforzi di trazione e a bassi carichi => sforzo e deformazione = direttamente proporzionali legati da Legge di Hooke σ = Eε => E = modulo elastico = varia per ogni materiale = inclinazione grafico = rappresenta rigidità materiale => grafico lineare => +sforzo = +deformazione => una volta rimosso il carico il materiale torna nella posizione originale => alcuni materiali = grafico curva = variazione modulo elastico non lineare = ghise e calcestruzzo => Deformazione elastica = variazione distanza interatomica => modulo elastico = resistenza allontanamento atomi adiacenti => recupero forma originale non istantaneo (anelasticità).
• Proprietà elastiche dei materiali => sforzo di trazione su provino = deformazioni nella direzione di applicazione della forza nelle altre direzioni = contrazione => se il materiale reagisce allo stesso modo in tutte le direzioni = rapporto di Poisson per valutare il rapporto tra ϵ deformazione laterale e assiale = v=-ϵ /ϵ = /ϵ . v=0,50 = materiale incomprimibile ideale => x z y z E=2G(1+v) => G = modulo di taglio.
• Deformazione plastica = maggior parte materiali = elastica fino a valori 0,005 = dopo questo valore deformazione permanente e non recuperabile = deformazione plastica = rottura legami tra atomi vicini e movimento grande numero di atomi / molecole = nuovi legami tra atomi adiacenti => solidi cristallini = scorrimento; solidi amorfi = flusso viscoso => deformazione elastica dipende a temperatura e velocità con cui si applica il carico => È importante che il materiale lavori in un campo di sollecitazione che lo portino solo ad una deformazione elastica e non plastica = sotto il limite di proporzionalità = snervamento = valore dello sforzo oltre il quale si ha una deformazione plastica => metalli, = passaggio dalla deformazione elastica a quella plastica = graduale => punto di snervamento = oltre curva sforzo-deformazione non e più lineare = limite di proporzionalità => calcolare punto di snervamento = complicato = convenzione = si traccia retta parallela al tratto elastico e passante per una fissata deformazione permanente (in genere si prende una deformazione di 0,002 = limite massimo asse sforzi) = lo sforzo corrispondente all’interezione di questa retta con la curva sforzo-deformazione è definito come limite di snervamento = σ (non si può applicare a materiali che non hanno un comportamento elastico lineare => acciai ecc = deformazione plastica inizia in prossimità dellimi