Scienza e tecnologia dei materiali

Scienza e tecnologia dei materiali

Il sangue di Barbe 4 marzo 2022

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In preda ad un periodo di follia dovuta alla quarantena e alla sessione imminente ho scritto questi appunti come riconoscimento a Il Mara e Enrico sperando di liberare qualcuno dall’ospedale POLI psichiatrico. Riporto Foglia anche una frase del Mara come avvertimento; "Usate questi appunti senza ritegno, scarabocchiate, spotacciate e migliorate tutto quello che vi sentite. Solo: non vendeteli. Sono pensati come strumento per superare insieme un momento difficile, quindi non fate gli stronzi."

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Indice

1 Classificazione dei materiali 7

1.1 Metalli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1.1 Proprietà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 Ceramici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2.1 Proprietà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3 Polimeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3.1 Proprietà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4 Compositi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2 Densità e modulo elastico 11

2.1 Curva di Condon Morse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 Legami chimici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.1 Legame covalente - Materiali ceramici . . . . . . . . . . 12

2.2.2 Legame ionico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.3 Legame metallico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.4 Legami secondari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Risposta meccanica dei materiali - Deformazioni . . . . . . . . 13

2.3.1 Modulo di Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.2 Modulo di taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3.3 Pressione idrostatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3.4 Coefficiente di Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3.5 Relazioni su materiali isotropi . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3.6 Energia elastica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4 Densità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4.1 Configurazione più compatta . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.4.2 Configurazione meno compatta . . . . . . . . . . . . . 17

2.4.3 Sistemi cristallini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.4.4 Calcolo fattore di impaccamento . . . . . . . . . . . . . 19

2.4.5 Densità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.4.6 Proprietà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.4.7 Materiali compositi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.5 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3 Indicizzazione cristallografica 23

3.1 Notazione di Miller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4 Duttilità 23

4.1 Difetti puntuali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.1.1 Conseguenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3

4.1.2 Soluzione solida sostituzionale . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2 Difetti di linea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.2.1 Moto delle dislocazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2.2 Dislocazioni nei metalli e nei ceramici . . . . . . . . . . 28

4.3 Difetti di superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.4 Difetti di volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.4.1 Porosità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.4.2 Precipitati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5 Diagrammi di stato 30

5.1 Regola di Gibbs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5.2 Diagrammi binari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.2.1 Miscibilità totale L e S . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.2.2 Immiscibilità totale allo stato S . . . . . . . . . . . . . 34

5.2.3 Miscibilità parziale allo stato S . . . . . . . . . . . . . 35

5.2.4 Composto intermedio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6 Prove meccaniche 38

6.1 Prove statiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

6.1.1 Prova a trazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6.1.2 Prove di compressione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

6.2 Prove dinamiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

6.2.1 Prova a flessione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

6.2.2 Prova di durezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

7 Meccanismi di rafforzamento nei metalli 43

7.1 Tensione lineare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

7.2 Resistenza del reticolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

7.2.1 Rafforzamento da soluzione solida . . . . . . . . . . . . 45

7.2.2 Rafforzamento per dispersione . . . . . . . . . . . . . . 46

7.2.3 Incrudimento per deformazione plastica a freddo . . . . 46

7.2.4 Lavorazioni a caldo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

7.2.5 Rafforzamento de bordi di grano . . . . . . . . . . . . . 49

8 Materiali ceramici 49

8.1 Proprietà meccaniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

8.2 Processi di produzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

8.2.1 Formatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

8.2.2 Pressatura assiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

8.2.3 Formatura per estrusione . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

8.2.4 Colaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4

8.3 Essiccamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

8.4 Sinterizzazione o cottura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

8.5 Porosità residua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

9 Vetri 54

9.1 Raffreddamento di un liquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

9.2 Vetri inorganici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

9.3 Processo float . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

9.4 Soffiatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

9.5 Filatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9.6 Viscosità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9.7 Tempra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9.7.1 Tempra termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9.7.2 Tempra chimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

10 Polimeri 58

10.1 Dal monomero al polimero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

10.2 Termoplastici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

10.3 Termoindurente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

10.4 Elastomeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

10.5 Cristallinità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

10.6 Temperatura di transizione vetrosa . . . . . . . . . . . . . . . 62

10.7 Comportamento meccanico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

10.7.1 Termoindurenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

10.7.2 Termoplastici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

10.8 Crazing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

10.9 Viscoelasticità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

10.10 Rafforzamento dei polimeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

10.10.1 Miscelazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

10.10.2 Trafilatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

10.10.3 Reticolazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

10.10.4 Rafforzamento dei polimeri . . . . . . . . . . . . . . . . 67

11 Proprietà termiche dei materiali 68

11.1 Dilatazione termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

11.2 Capacità termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

11.3 Conducibilità termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

11.4 Diffusività termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

11.5 Resistenza agli sbalzi termici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

11.6 Alte temperature operative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

11.6.1 Deformazione a sforzo costante . . . . . . . . . . . . . 72

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12 Carichi ciclici - Fatica 74

12.1 Coefficiente di smorzamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

12.2 Studio della fatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

12.2.1 Componente non danneggiato . . . . . . . . . . . . . 75

12.2.2 Componente danneggiato . . . . . . . . . . . . . . . . 76

12.2.3 Propagazione della frattura ad alti cicli . . . . . . . . . 76

12.2.4 Come aumentare la resistenza a fatica . . . . . . . . . 77

12.2.5 Componente fessurato o struttura al alto rischio . . . . 77

12.3 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

13 Frattura e tenacità a frattura 78

13.1 Resistenza e tenacità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

13.1.1 Frattura duttile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

13.1.2 Frattura fragile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

13.2 Prove per la tenacità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

13.3 Meccanica della frattura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

13.3.1 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

13.4 Modi di propagazione della cricca . . . . . . . . . . . . . . . . 82

13.5 Approccio di Griffith . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

13.6 Meccanismi di tenacizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

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Classificazione dei materiali

Figura 1: Classificazione materiali

1 Classificazione dei materiali

Un materiale è un qualsiasi solido che può svolgere una determinata funzione (termica, meccanica, ottica,...). Vari materiali possono svolgere la stessa funzione: occorre saper operare la scelta migliore.

I materiali possono essere classificati in tre grandi famiglie: Metalli, e infine i Compositi o ibridi; Polimeri ed elastomeri, Ceramici e vetri che a loro volta possono essere naturali o sintetici.

Le diverse famiglie possono essere ancora suddivise in Classi, Sotto-classe, ogni membro ha poi le proprie caratteristiche. Membro,

La scelta del processo di lavorazione può andare a modificare le proprietà del materiale. I processi di lavorazione vengono poi divisi in processi primari (impartiscono una forma) e processi secondari (modificano geometria e proprietà).

Metalli

1.1 Metalli

Sono caratterizzati da un numero variabile di elettroni de localizzati, ovvero dotati di mobilità, che gli definiscono delle proprietà.

Presentano una organizzazione degli atomi in strutture ordinate chiamate cristalli; risulta difficile produrre elementi amorfi.

Le leghe sono combinazione, non stechiometriche, di diversi materiali che presentano una resistenza maggiore rispetto ai metalli puri; vedasi gli acciai.

Proprietà dei metalli

1.1.1 Proprietà

• Ottimi conduttori di calore ed elettricità
• Temperature di fusione molto variabili

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Figura 2: Processi produttivi

Figura 3: Suddivisione delle leghe metalliche

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• Medio-alte densità
• Sono opachi (non trasparenti alla luce), ma lucenti
• Elevate resistenze meccaniche, possono essere però deformati plasticamente
• Formatura prevalentemente da fuso
• Si corrodono facilmente

Ceramici

1.2 Ceramici

Sono materiali inorganici non metallici formati dalla combinazione di elementi metallici e non metallici con rapporti stechiometrici.

Sono formati da strutture ordinate (cristalli), mentre i vetri sono composti da strutture caotiche o amorfe.

Proprietà dei ceramici

1.2.1 Proprietà

A causa del loro legame covalente difficile da rompere i ceramici sono:

• Isolanti termici ed elettrici
• Altofondenti
• Sono refrattari: mantengono inalterate le loro proprietà anche se sottoposti ad alte temperature
• Resistono bene ad ambienti aggressivi (inerzia chimica)
• Sono fragili: non presentano deformazioni plastiche
• Elevate resistenze meccaniche
• Formatura da polveri

A secondo del processo di lavorazione possono essere o meno opachi; dipende dalla micro struttura.

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Polimeri

1.3 Polimeri

Sono materiali organici, costituiti da C, formati da lunghe catene di monomeri. Abbiamo legami forti tra i vari carboni e legami deboli fra le diverse catene. Termoplastici: si deformano in modo elastico e plastico Termoindurenti: rigidi e duri, ma fragili. Non presentano deformazione plastica. Elastomeri: Estesa regione di deformazione plastica prima della rottura.

Proprietà dei polimeri

1.3.1 Proprietà

• Bassa densità
• Facilmente formabili
• Bassa resistenza meccanica
• Bassa temperatura di rammollimento
• Alta reattività chimica

Compositi

1.4 Compositi

Sono dati dalla combinazione di due o più materiali diversi delle varie famiglie, finalizzate all’accoppiamento delle loro migliori caratteristiche.

Sono caratterizzati da matrice e rinforzo. Isotropia: le proprietà del materiale sono le stesse lungo tutte le direzioni. Anisotropia: le proprietà del materiale dipendo dal verso secondo cui noi lo osserviamo.

I materiali compositi sono generalmente anisotropi a causa della disposizioni delle fibre all’interno.

I materiali compositi si divino in:

• CMC: matrice ceramica
• MMC: matrice metallica
• PMC: matrice polimerica
• GFRP: fibre di vetro rinforzate con polimeri
• CFRP: fibre di carbonio rinforzate con polimeri

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Densità e modulo elastico

Figura 4: Curva Condon-Morse

2 Densità e modulo elastico

Curva di Condon Morse

2.1 Curva di Condon Morse

A seconda del legame chimico tra i vari elementi variano le caratteristiche del materiale macroscopico.

La distanza a cui ho equilibrio tra forze attrattive e forze repulsive è chiamata distanza di equilibrio. A questo distanza gli atomi si trovano in uno stato di equilibrio, in cui avremo un minimo dell’energia potenziale del sistema.

La curva che descrive la forza netta e l’energia è chiamata curva di Condon-Morse.

Più il legame è forte, più la curva sarà stretta e profonda; se il legame è debole la curva sarà larga e poco profonda.

Legami chimici

2.2 Legami chimici

A livello atomico abbiamo tre legami forti: covalente, ionico e metallico.

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Legame covalente - materiali ceramici

2.2.1 Legame covalente - Materiali ceramici

Nel legame covalente si ha una condivisione continua di elettroni tra elementi. È un legame fortemente direzionale che si sviluppa nello spazio con determinati angoli, con un’alta energia di legame.

Il legame forte porta alle seguenti proprietà:

• Alta temperatura di fusione
• Alta rigidezza: capacità di deformarsi elasticamente e ritornare al suo stato iniziale
• Alta resistenza a rottura: tanta energia per rompere il legame
• Bassissima dilatazione termica

Il legame direzionale gli fornisce fragilità ovvero la rottura del componente senza deformazione elastica permanente. Essendo gli elettroni non liberi i materiali ceramici sono ottimi come isolanti termici ed elettrici.

Legame ionico

2.2.2 Legame ionico

Si instaura tra ioni di tipo positivo e negativo a seconda se l’elemento ha tendenza a cedere o acquisire elettroni.

Legame metallico

2.2.3 Legame metallico

Legame forte caratterizzato da elementi metallici che mettono in comune gli elettroni, a differenza del legame covalente, che vanno a formare un mare di elettroni non orientati nello spazio.

Gli elettroni, dotati di mobilità, sono responsabili della conducibilità termica ed elettrica. (Legame ADIREZIONALE)

Dato che questo legame è molto forte ho bisogno di fornire molta energia per romperlo e ottenere atomi liberi; questo porta ad:

• Alta temperatura di fusione
• Bassa dilatazione termica. Il forte legame impedisce lo spostamento interatomico
• Alta rigidezza; modulo elastico
• Alta resistenza a rottura

Essendo un legame adirezionale il materiale sarà duttile.

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Legami secondari

2.2.4 Legami secondari

Sono legami con un’energia più debole come le interazioni tra dipoli. Possono essere interazioni tra dipoli permanenti, indotti.

Alla base della formazione dei polimeri: caratterizzati da lunghe macromolecole con legami forti tenute insieme dai legami secondari. I legami secondari non scambiano elettroni e saranno quindi molto deboli.

• Bassa temperatura di fusione/rammollimento
• Bassa rigidezza
• Bassa resistenza a rottura
• Elevata dilatazione termica

Essendo gli elettroni non liberi i polimeri sono ottimi isolanti termici ed elettrici.

Risposta meccanica dei materiali - deformazioni

2.3 Risposta meccanica dei materiali - Deformazioni

I materiali resistono a sollecitazioni esterne deformandosi. Abbiamo due tipi di deformazioni: reversibile o elastica, irreversibile o plastica.

Tutti i materiali presentano deformazione plastica, ma abbiamo due diversi comportamenti:

• Fragili: deformazioni elastiche fino a rottura; materiali come i ceramici.
• Duttili: sia deformazioni elastiche che plastiche; materiali come i metalli.

La resistenza meccanica, che i materiali oppongono quando sottoposti ad azioni esterne fino all’istante prima di rompersi, dipende dall’energia di legame.

La capacità di deformarsi elasticamente dipende dall’energia e dal tipo di legame.

Posso spiegare la deformazione elastica con le curve di Condon Morse: in una situazione a riposo ho una distanza di legame minima con energia di legame minima, sono nel punto di minimo. Andando ad eseguire una trazione uni assiale vado a fornire energia aumentando la distanza di legame e spostandomi verso destra. Cessata la trazione prevalgono le forze di tipo attrattivo e torno alla distanza di equilibrio. Avviene circa la stessa cosa

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Figura 5: Confronto curve

con una prova di compressione uni assiale, ma spostandosi sul grafico verso sinistra.

Le curve di Condon Morse giustificano solo ed esclusivamente la deformazione elastica propria di tutti i materiali.

Modulo di Young

2.3.1 Modulo di Young

Sotto un’azione esterna di trazione uni assiale avremo un allungamento di; questa &e