Scienza e tecnologia dei materiali

Scienza e tecnologia dei materiali

Capitolo 1: introduzione ai materiali

Capitolo 2: classificazione dei materiali

Capitolo 3: approccio al binomio materiale progetto

Un materiale è un qualsiasi solido in grado di svolgere almeno una determinata funzione meccanica, termica, elettrica, ottica, magnetica, etc. Diversi materiali possono svolgere la stessa funzione: occorre saper operare la scelta migliore.

Al fine della scelta del materiale devo conoscere le sue proprietà: fisiche, meccaniche, termiche, elettriche, magnetiche, ottiche, chimiche.

Famiglie di materiali

• Metalli, più antichi e conosciuti.
• Ceramici e vetri, tradizionali ed ingegneristici.
• Polimeri ed elastomeri, molto più moderni.
• Compositi detti anche ibridi.

Classificazione con origine

• Naturali: di origine geologica o chimica.
• Sintetici: metalli ottenuti per trattamento dei minerali, ceramici, materie plastiche.

Materiali e processi

Per produrre un generico oggetto con un materiale è necessario accoppiargli un processo compatibile con il materiale che si desidera impiegare. I requisiti di progetto definiscono le prestazioni richieste ai materiali, definite da valori soglia per certe proprietà che controllano il progetto.

Processo produttivo

Le proprietà finali di un materiale dipendono dal suo percorso produttivo, dalle metodiche di formatura adottate.

A seconda del procedimento di fabbricazione usato, le proprietà del materiale possono variare, esercitando un’influenza diretta sul rendimento, sull’affidabilità, sulla durata del prodotto, equivalente alla durabilità in esercizio.

Un processo è un metodo per formare, giuntare o finire un componente.

Si distinguono:

• Processi primari: impartiscono una forma.
• Processi secondari: modificano la geometria e/o le proprietà.

La prima linea contiene i processi primari di formatura. Al di sotto si trovano i processi secondari di lavorazione a utensile e di trattamento termico. Quest’ultimo modifica la microstruttura del materiale e quindi le sue proprietà, non modifica la forma.

Infine, ci sono i processi di giunzione e finitura e i trattamenti superficiali. Questi ultimi modificano la superficie esterna del prodotto che ha un ruolo fondamentale perché è la parte più esposta. Sono utili per eliminare difetti superficiali o per proteggere il materiale da agenti esterni, utilizzando cromatura o verniciatura ad esempio.

Molto spesso, infatti, non conviene modificare le caratteristiche di tutto il materiale, ma solo la parte a contatto con l’ambiente esterno, superficie esterna, anche per ragioni economiche.

N.B. Non tutte le classi di processi possono essere applicate a tutti i materiali. Quando si sceglie un materiale, bisogna scegliere anche il processo produttivo adatto.

Qui di seguito sono riportati step importanti non solo per la scelta e la definizione di un componente, ma anche per una riprogettazione, ovvero una modifica a causa di variazioni di condizioni di esercizio o di funzionalità richieste.

Con l’avvento dei compositi sono stati riprogettati molti materiali perché sono più leggeri. Per la riprogettazione bisogna ripercorrere questo percorso.

Interazione tra requisiti di progetto, materiale, forma e processo:

Elementi da ricordare della tavola periodica

• Gli elementi del primo gruppo o metalli alcalini, idrogeno H, litio Li, sodio Na, potassio K. Hanno tutti un solo elettrone nell’orbitale più esterno.
• Gli elementi del secondo gruppo detti metalli alcalino terrosi, berillio Be, magnesio Mg, calcio Ca, stronzio Zn. Elementi di tipo metallico con due elettroni nella nuvola più esterna.

Gli elementi metallici sono tendenzialmente elettropositivi cioè hanno una propensione a cedere gli elettroni di valenza per diventare ioni carichi positivamente, mentre gli elementi non metallici sono definiti elettronegativi tendono ad acquistare elettroni, ioni negativi.

Metalli: materiali inorganici metallici

Ampio gruppo di elementi chimici caratterizzati da un numero variabile di elettroni di valenza delocalizzati, legame metallico. Gli elettroni di valenza delocalizzati sono responsabili di proprietà del materiale.

Gli atomi metallici quando si legano per dar vita ad un solido tendono ad organizzarsi in strutture ordinate, equivalenti a strutture cristalline, cristalli. Esistono anche dei metalli amorfi la cui struttura è disordinata ma questi sono rari perché sono molto difficili da produrre e costosi.

In questa famiglia non vengono inseriti solo i metalli puri ma anche le leghe metalliche, ovvero combinazioni non stechiometricamente definite di due o più metalli o non metalli, quali le ghise e gli acciai, leghe a base Fe-C, le leghe di alluminio Al, duralluminio Al-Cu, Ti, Mg, Ni, Zn, Cu, ottoni leghe Cu-Zn, bronzi, leghe Cu-Sn, stagno.

Proprietà tipiche dei metalli

• Opachi, lucenti ma trasparenti.
• Ottimi conduttori di calore ed elettricità poiché il legame metallico assicura grande mobilità agli elettroni di valenza.
• Temperature di fusione variabili alla base della temperatura di fusione c’è il tipo di legame ed in particolare l’energia di legame: Al=660°C, Ti=1660°C, W=3420°C.
• Resistenti ma duttili elevata resistenza meccanica ma sono deformabili plasticamente, in modo irreversibile e permanente prima di rompersi.
• Densità medio-alte: i materiali metallici hanno una struttura atomica ordinata cioè cristallina che porta ad avere un impaccamento degli atomi compatta tradotto in densità medio-alte, Mg=1,75 g/cm³, Al=2,7 g/cm³, Ti=4,5 g/cm³, parliamo di leghe leggere fino ad una densità di circa 4,5 g/cm³, Fe=7,8 g/cm³, Cu=8,9 g/cm³, W=19,3 g/cm³.
• Formatura prevalentemente da fuso cioè la materia prima portata a fusione e colata all’interno di stampi, processi di formatura principalmente da fuso e da processi di deformazione plastica.
• Si corrodono facilmente, corrosione del Fe porta alla ruggine, l’alluminio forma sulla sua superficie uno strato di ossido di alluminio detto allumina passivante.

Ceramici: materiali inorganici non metallici

I materiali ceramici sono definiti come materiali inorganici non metallici, formati dalla combinazione, in rapporti stechiometricamente definiti, formule chimiche associate ben definite, di elementi metallici e non metallici, caratterizzati dalla presenza di legami ionici e/o covalenti.

Ad esempio: SiC carburo di silicio, Al₂O₃ ossido di alluminio / allumina.

Possono essere costituiti da strutture ordinate di atomi, cristalli, oppure da strutture caotiche, equivalenti ad amorfe, vetri, cioè mancano di ordine a grande distanza quando parliamo di raggio atomico.

Si distinguono:

• Ceramici tradizionali, soprattutto derivati dall’argilla, porcellane, gres, maioliche, usati prevalentemente in ambiente civile ed edile.
• Cementi, calci.
• Vetri, a base silice.
• Ceramici ingegneristici, o avanzati o di alta tecnologia, ossidi, carburi, nitruri, boruri.

Si possono incontrare anche queste definizioni:

• Ossido silicatico, ossido base silice ad esempio SiO₂ silice.
• Ossido non silicatico, ad esempio, Al₂O₃ allumina o zirconia ZrO₂.
• Non ossidico, ad esempio, SiC carburo di silicio, C diamante e grafite.

Proprietà dei materiali ceramici

• Altofondenti: avendo un legame ionico covalente che è caratterizzato da un’alta energia di legame, quindi serve molta energia per rompere il legame, T_f allumina = 2054°C, T_f zirconia = 2680°C, T_f silice = 1710°C.
• Isolanti termici ed elettrici poiché il legame covalente prevede che gli elettroni siano fissi in determinate posizioni, non abbiamo la nuvola elettronica.
• Resistono bene alle alte temperature, refrattarietà cioè mantengono inalterate le caratteristiche chimico-fisico-meccaniche anche se esposti per lungo tempo ad alte temperature.
• Resistono bene agli ambienti aggressivi, aggressività chimica cioè dotati della cosiddetta inerzia chimica.
• Possono presentare elevate caratteristiche meccaniche ed elevata durezza, possono avere alta resistenza ad esempio a compressione.
• Formatura prevalentemente da polveri poiché temperature di fusione elevate, da fuso solo per i vetri.
• Fragili, si rompono dopo essersi deformati solo in modo reversibile, deformazione elastica, non hanno deformazione plastica.

I materiali ceramici a seconda del tipo di processo di formatura e a seconda del tipo di microstruttura possono esibire proprietà ottiche diverse.

Esempio con dischi di ossido di alluminio: trasparente la luce riflessa passa tutto il disco, traslucido solo una parte della luce riflessa viene trasmessa attraverso il disco, opaco nessuna porzione di luce attraversa il disco.

Differenza dovuta alla microstruttura cioè alla disposizione degli atomi, trasparente ha una struttura ordinata è il cosiddetto monocristallo, traslucido struttura ordinata ma con diversi grani ed opaco presenza di pori, porosità, dei vuoti all’interno a loro volta disperdono la luce, la assorbono.

Per i catalizzatori viene utilizzato ossido di cerio e ossido di zirconio, materiale ceramico avanzato, combinati insieme. Monolite ceramico sul quale è depositato un substrato catalizzatore metallico.

L’isolatore della candela motore è ossido di alluminio.

Materie plastiche – polimeri

I materiali polimerici sono materiali organici, quindi costituiti da idrogeno, carbonio, ossigeno, azoto, fluoro, costituiti da lunghe catene molecolari, macromolecole, nelle quali uno o più gruppi, i monomeri, si ripetono concatenandosi, poli-monomero: ripetizione di un monomero.

Gli atomi di carbonio sono legati da legami forti invece le catene sono legate da legami più deboli.

Legami intra-catena: legami forti, legami tra gli atomi di carbonio, covalenti C-C.

Legami inter-catena: prevalentemente deboli interazioni di Van der Waals, dipolo indotto-dipolo indotto, dipolo-dipolo, legami idrogeno.

Le catene polimeriche formano un inviluppo senza una struttura regolare e ripetitiva, questa struttura è detta “amorfa” o “vetrosa”.

Alcuni polimeri possono presentare delle zone in cui le catene giacciono regolarmente e interagiscono dando vita a zone cristalline.

Proprietà molto diverse all’interno della famiglia dei polimeri che mi definiscono tre classi:

• Termoplastici (TP) sono duttili, deformazione elastica reversibile e deformazione plastica irreversibile, anche estesa prima di rompersi. Hanno una struttura disordinata, non reticolata o parzialmente cristallina.
• Elastomeri estesissima deformazione elastica prima di rottura e in grado di recuperare questa deformazione. Gli elastomeri presentano dei legami trasversali occasionali tra le catene, ma abbastanza lontani da permettere alle catene di estendersi reciprocamente. Debolmente reticolato.
• Termoindurenti (TI) sono rigidi, duri e fragili, deformazione elastica reversibile. I polimeri con un numero elevato di legami trasversali, di natura covalente, come le resine epossidiche non consentono alle catene di scorrere. Fortemente reticolato.

Proprietà dei polimeri

• Bassa densità, sono molto leggeri.
• Facilmente formabili.
• Bassa temperatura di decomposizione oppure di fusione equivalente a rammollimento.
• Alta reattività chimica, dipende dalla classe dei polimeri di cui parliamo.
• Riciclabilità a fine vita, il riciclo delle materie polimeriche è teoricamente infinito ma in realtà vengono inseriti degli additivi che modificano le macromolecole.

Compositi

La famiglia dei compositi è molto in crescita ed è data dalla combinazione di materiali delle altre famiglie. Ad esempio, le ossa ed il legno, nel quale la matrice di lignina è rinforzata dalle fibre di cellulosa. Combinazione di due o più materiali diversi, finalizzate all’accoppiamento delle migliori caratteristiche di ciascuno di essi, effetto sinergico.

Isotropia: il materiale ha le stesse proprietà in tutte le direzioni una volta eccitato.

Anisotropia: il materiale ha, ad esempio, una resistenza meccanica superiore in una direzione rispetto a quella trasversale.

Il materiale composito ha delle caratteristiche resistenziali preferenziali in una direzione rispetto all’altra. Abbiamo una matrice ed un rinforzo.

Le fibre possono avere una o più direzioni di rinforzo, orientate in più direzioni per contrastare la trazione in molteplici direzioni, per favorire l’isotropia del materiale.

Classi dei materiali compositi

• CMC, materiali compositi a matrice ceramica, ceramic matrix composite.
• MMC, materiali compositi a matrice metallica, metal matrix composite.
• PMC, materiali compositi a matrice polimerica, polymer matrix composite, materiale a bassa densità ma ad alta resistenza.
• GFRP, matrice polimerica rinforzata con fibre di vetro, glass fiber reinforced polymer, ad esempio la vetroresina: composta da fibre di vetro anche corte ma ad elevata resistenza nella direzione di trazione, intrinsecamente fragili e flessibilità del materiale polimerico.

Si conferisce alla matrice polimerica la capacità di sopportare i carichi richiesti ad un materiale strutturale.

Esempio composito sintetico: vetroresina.

• Elevata resistenza a trazione, intrinsecamente fragili.
• Flessibilità del materiale polimerico.

Si conferisce alla matrice polimerica la capacità di sopportare i carichi richiesti ad un materiale strutturale.

Capitolo 6: densità e modulo elastico

In questo capitolo studieremo la risposta meccanica dei materiali andandola a giustificare.

Curva di Condon-Morse

La distanza per cui due atomi vicini sono in equilibrio, cioè la quale la forza attrattiva e quella repulsiva hanno lo stesso modulo è chiamata distanza di equilibrio ovvero la distanza di legame alla quale la forza netta risultante è uguale a zero. Due atomi inizialmente a distanza infinita via via che si avvicinano risentono di forze attrattive ma quando si avvicinano troppo iniziano a prevalere forze repulsive.

Possiamo riportare su un grafico la forza tra gli atomi in funzione della distanza e dall’andamento della forza possiamo estrapolare la quantità di energia in gioco.

In a₀ la forza attrattiva e repulsiva si bilanciano perfettamente, in corrispondenza di quella distanza ci sarà un minimo di energia. Dove a₀=r+R cioè somma dei raggi atomici.

Le curve energia-distanza sono le curve di Condon-Morse.

A distanza infinita l’interazione è nulla. Al diminuire della distanza a tra gli atomi iniziano a manifestarsi forze attrattive.

Avvicinandosi gli atomi si attraggono e l’energia diminuisce mentre a diminuisce. A partire da una certa distanza, avvicinandosi gli atomi si respingono e l’energia cresce mentre a diminuisce.

Gli atomi si attraggono fino ad una certa distanza a₀, alla quale l’energia è minima E_min=E₀.

E₀ e la forma della curva di Condon-Morse dipendono dal materiale, cioè a seconda del tipo di legame alla base del materiale e quindi a seconda dell’energia di legame cambia la forma della curva di Condon-Morse, più il legame è forte più la curva è stretta e profonda.

Vediamo i diversi legami:

Legami forti

I legami forti o legami primari sono: legame covalente, ionico e metallico.

• Il legame covalente: alla base del legame covalente vi è la condivisione degli elettroni negli orbitali più esterni per arrivare a stabilità; esso è caratterizzato da un’alta energia di legame, ovvero è energicamente forte, e da elevata direzionalità.
• Il legame ionico è appunto quello che si instaura tra ioni: ioni di carica positiva sono i cationi; ioni di carica negativa sono gli anioni; attrazione di tipo Coulombiana.
• Il legame metallico caratterizzato dal fatto che gli elementi metallici tendono ad avvicinarsi mettendo in comune gli elettroni degli orbitali più esterni ma questi elettroni sono liberi di muoversi negli orbitali più esterni dando vita alla nuvola elettronica anche detta mare di elettroni. Gli elementi metallici hanno atomi elettropositivi che donano facilmente i loro elettroni di valenza per formare un mare di elettroni. Una proprietà dei materiali metallici, che approfondiremo più avanti, è la duttilità ovvero la possibilità di essere deformati in maniera permanente, plastica, prima di arrivare a rottura.

Il legame metallico è adirezionale. Gli elettroni dotati di mobilità sono responsabili della conducibilità elettrica e termica.

Legami secondari o legami fisici

Questi legami sono legami deboli ovvero caratterizzati da energia di legame più bassa rispetto ai legami primari. Tra i legami secondari bisogna ricordare le interazioni tra dipoli, anche dette forze di Van der Waals o legami fisici.

Forze di Van der Waals forze di interazione tra dipoli: se tra dipoli indotti forze di London, uno indotto uno permanente forze di Debye, dipoli permanenti come il legame ad idrogeno.

Legame metallico

Legame che si forma tra materiali metallici è energicamente forte il che significa che ho bisogno di fornire parecchia energia per romperlo ovvero ad esempio per fondere il materiale.