Scienza e tecnologia dei Materiali appunti

Lezione 1

Scienza e tecnologia dei materiali

Scienza e tecnologia dei materiali si divide in:

• Scienza dei materiali: riguarda la struttura dei materiali e le conoscenze di base del materiale.
• Tecnologia dei materiali: conoscenza applicata dei materiali (sollecitazioni esterne: meccanica (forza, momenti), termica (variaz. di temper.), derivante da interazione con ambiente (fenomeni di corrosioni); ci interessa sapere come risponde il materiale e come si comporta.

Materiali di maggior impiego nel settore aerospaziale/aeronautico:

• Acciai (densità di massa = 7/8 g/cm cubo: leghe ferro-carbonio (un paio ne analizziamo: carrelli di atterraggio e ganci di arresto nelle portaerei)).
• Leghe leggere e ultraleggere: leghe di alluminio (densità di massa = 2,6/2,9; una parte), leghe di magnesio, leghe di titanio (densità di massa = 4,4/4,7).
• Superleghe: materiali che hanno un migliore comportamento a maggiore temperatura (parti di motori), come le superleghe base nichel e superleghe base cobalto.
• Materiali ceramici: nelle parti calde il motore, per esempio sulle palette di turbine o camere di combustione, per fare in modo che il materiale metallico possa lavorare alla temperatura più alta possibile (ma voglio contenere questa temperatura), in base alle sue proprietà, possiamo pensare a impiegare un isolamento termico. Sappiamo che avere un gradiente di temperatura è collegato alla conducibilità termica del materiale che a sua volta è collegata alla conducibilità elettrica del materiale: quindi hanno proprietà isolanti dal punto di vista termico certamente non i metalli (che hanno alta conducibilità elettrica e termica), allora possiamo pensare ai polimeri (plastica), ma ad alte temperature si squagliano, quindi rimangono i materiali ceramici (densità di massa intorno a 3), che sono appunto isolanti dal punto di vista termico.
• Materiali compositi: materiali polimerici (plastica) con densità di massa intorno a 1.
• Esempio: profilo alare. Sono interessato alla leggerezza ma anche alla resistenza del manufatto. Quindi devo andare a considerare il rapporto resistenza/densità di massa = resistenza specifica di un materiale.

Altra cosa è la rigidezza di un materiale legata al modulo di Young (“E”, misurato in GPa, modulo di elasticità del materiale), che ci dice se un materiale in fase elastica (cioè in fase di deformazioni reversibili, quindi recuperabili) si deforma, con carico applicato, di più o di meno. Più è alto il modulo di elasticità, più è alto il modulo di Young, meno è, a parità di carico applicato, la deformazione elastica reversibile: quindi in una progettazione non necessariamente si deve guardare alla resistenza ma si può fare guardando alla deformazione.

Per scegliere tra i materiali quello che garantisce la minore deformazione vado a vedere il modulo di Young: più è alto il modulo di Young, più la deformazione, a parità di carico applicato, è minore. Anche qui però se devo garantire bassa deformazione e anche leggerezza, allora non posso andare a guardare solo il modulo di Young bensì il rapporto: modulo di Young/densità di massa (E/p) = rigidezza specifica.

Classificazione dei materiali

• Materiali metallici (sono di norma combinazioni di elementi metallici; legame metallico).
• Materiali ceramici (sono composti tra elementi metallici e non metallici; tutti i materiali caratterizzati da legame covalente o covalente misto, cioè con una percentuale di ionico).
• Materiali polimerici (due sottocategorie: classe dei polimeri termoplastici, caratterizzati da legami covalenti e legami secondari e classe dei polimeri termoindurenti, caratterizzati esclusivamente da presenza di legami covalenti).
• Materiali compositi (sono formati da almeno due componenti: polimerico + ceramico, ceramico + metallico).

Proprietà dei materiali

• Classe delle proprietà intrinseche: dipendenti esclusivamente dalla tipologia di legame atomico.
• Classe delle proprietà estrinseche: dipendenti dalla microstruttura interna del materiale, cioè come gli atomi sono disposti nello spazio.

Oss_1: essendo il modulo di elasticità una proprietà intrinseca, mi posso aspettare che nell'ambito di materiali metallici non ci siano grosse differenze di modulo di elasticità.

Oss_2: le proprietà intrinseche non sono modificabili: se io ho un materiale con un dato modulo di elasticità non posso modificarlo!

Oss_3: se invece guardo la resistenza (ovvero carico di rottura, carico di elasticità, o carico di snervamento), questa è una proprietà estrinseca del materiale, non dipende dalla tipologia di legame, ma dalla microstruttura. Ora i trattamenti che ho dal punto di vista tecnologico mi consentono la modifica della microstruttura. Quindi se ho un materiale che mi dà una resistenza troppo bassa posso intervenire in quanto essendo una proprietà estrinseca è modificabile!

Lezione 2

Per quanto riguarda i materiali solidi sostanzialmente abbiamo due tipologie:

• Materiali cristallini.
• Materiali amorfi.

I materiali che noi vedremo, tranne i vetri, che sono materiali amorfi, sono tutti materiali cristallini (oss: tutti i metalli, molti ceramici e solo alcuni polimeri formano strutture cristalline).

I materiali cristallini sono caratterizzati dalla presenza di un ordine a corto raggio e un ordine a lungo raggio mentre i materiali amorfi sono caratterizzati solamente da un ordine a corto raggio.

Stiamo cercando di capire come si dispongono nello spazio tridimensionale, che caratterizza il volume occupato dal materiale, gli atomi che compongono il materiale, che saranno fra di loro legati, come detto, da un legame metallico se si tratta di materiali metallici, da un legame covalente o covalente ionico misto se si tratta di materiali ceramici, da legami covalenti con eventualmente legami secondari, cioè deboli del secondo ordine, se si tratta di materiali polimerici.

Questi atomi li andiamo a rappresentare, per semplicità, con il classico modello a sfera.

Le modalità con cui gli atomi si dispongono nello spazio rendono proprietà macroscopiche. Quindi sapere qual è la struttura sottostante di una lega metallica ci consente di capire perché ho alcune proprietà invece che altre. Fortunatamente non ci sono tante alternative dal punto di vista delle possibilità: la disposizione elementare dei singoli atomi che vanno a costituire l'elemento costitutivo (cella unitaria) segue 7 casi specifici (7 sistemi cristallini di base).

Questi atomi sono tali da poter costruire a livello locale una struttura ordinata, la quale può ripetersi identica a sé stessa (a meno di difetti, che studieremo in seguito...) in tutto il volume occupato dal materiale e dà luogo ad un solido cristallino con ordine a corto raggio e a lungo raggio. Se invece localmente la cella unitaria c'è ma non si ripete identica a sé stessa su tutto il volume occupato dal materiale abbiamo la classe dei materiali amorfi (solo ordine a corto raggio). I 7 sistemi cristallini sono appunto le figure geometriche solide di riferimento per la disposizione elementare degli atomi.

Posso avere una struttura in cui gli atomi si dispongono in una:

• Struttura cubica.
• Struttura tetragonale.
• Struttura ortorombica, romboedrica, esagonale, monoclina, triclina.

Questi 7 sistemi sono caratterizzati da 6 parametri reticolari: (a, b, c) che rappresentano la distanza tra due atomi contigui sull'asse x, y, z (esprimono la lunghezza del legame atomico, sull'ordine dei nanometri) ma anche dagli angoli (α, β, γ), con α = angolo asse x/asse y, β = angolo asse x/asse z, γ = angolo asse y/asse z.

Nel caso del cubo: i tre parametri di lunghezza sono tutti e tre uguali (a = b = c), e i tre angoli sono tutti e tre uguali a 90° (α = β = γ), mentre nella struttura tetragonale, essendo a base quadrata si ha a = b ≠ c e i tre angoli sono sempre α = β = γ.

Questi 7 sistemi, dal punto di vista pratico, danno luogo a quelli che sono gli effettivi sistemi cristallini, che sono 14 e si chiamano 14 reticoli cristallini di Bravais. Ovvero è possibile che ci sia ancora dello spazio per alloggiare altri atomi oltre a quelli che già sono nei vertici. Ad esempio, in un reticolo cubico al centro del cubo, e questo è quello che si chiama reticolo cubico a corpo centrato (C.C.C o B.C.C, che sta per body center cubic).

Altra possibilità quando c'è lo spazio per alloggiare un altro atomo al centro delle facce del cubo. Quindi da reticolo cubico semplice può nascere anche un reticolo cubico a facce centrate (C.F.C o F.C.C, che sta per face center cubic). Non tutti sono reticoli che a noi interessano: fondamentalmente i reticoli cristallini che ci interessano sono 3: il cubico corpo centrato, il cubico facce centrate e l'esagonale compatto (quello in cui gli atomi sono disposti in cella elementare seguendo un prisma a base esagonale).

CCCCFCECRE

Reticolo CCC (cubico corpo centrato)

Sul vertice non c'è una sfera completa, in realtà è un solo spicchio (1/8 di sfera) in quanto servono otto celle elementari per formare un atomo completo al vertice. Quindi se io volessi calcolare il numero degli atomi all'interno di un reticolo cubico corpo centrato è: 1 (atomo al centro) + 8 (numero di vertici) * 1/8 di atomo per ogni vertice = 2 (numero di atomi d'appartenenza della cella elementare).

Quant'è il volume occupato dal materiale e il volume vuoto? Si prende il raggio atomico dell'elemento di riferimento, mi calcolo il volume che 3 occupa un atomo dato il raggio e lo moltiplico per 2, mentre il volume del cubo è a e il rapporto volume pieno/volume disponibile si chiama anche fattore di compattazione atomica (FCA).

Per tutti e 3 i reticoli che analizzeremo questo fattore è molto alto, dell'ordine del 70% e cioè queste celle unitarie sono prevalentemente piene. Quali sono i materiali che seguono questo tipo di disposizione di atomi? → Sono le leghe di ferro alfa, leghe di Cromo, leghe di Molibdeno, leghe di Tungsteno.

Reticolo CFC (cubico faccia centrata)

Il numero di appartenenza atomica della cella elementare è: si ha sempre 8 vertici * 1/8 di atomo + 6 facce * ½ di atomo = 4 atomi d'appartenenza alla cella elementare. Quindi il fattore di compattazione atomica delle CFC è maggiore del fattore di compattazione atomica delle CCC, ovvero lo spazio vuoto che c'è nelle CFC è inferiore rispetto allo spazio vuoto che c'è nelle celle CCC. 4 43 34 4 3 3 = = = FCA = 0,74.33 4 ( )2√

Quali sono i materiali che seguono questo tipo di disposizione di atomi? Sono il ferro gamma, le leghe di alluminio, superleghe nichel, elemento argento, elemento rame. →

Reticolo EC

Abbiamo 3 atomi che formano un triangolo nel piano intermedio, sei parti di 1/6 di atomo + un mezzo di atomo su entrambi i piani superiore e inferiore della cella; si ottiene una numerosità pari a: 3 + 6*1/6*2 + 2*1/2 = 6 atomi, FCA = 0,74. Il magnesio, il titanio alfa e le sue leghe. →

Il fatto che ci siano degli spazi vuoti, dal punto di vista tecnico-ingegneristico risulta fondamentale: infatti nessuno mi impedisce di pensare che in presenza di spazi vuoti io ci possa andare a mettere un atomo diverso da quello che sta nei vertici. L'intuito mi dice che devo prendere atomi piccoli.

Questo è uno dei meccanismi con cui si realizzano materiali di utilizzo ingegneristico e quindi non i metalli e materiali puri ma le leghe metalliche, dove il materiale è fatto di almeno due elementi diversi. Ad esempio quello che noi comunemente chiamiamo “ferro”, in realtà è acciaio, lega ferro-carbonio (più in caso altri elementi), e questi atomi di carbonio sono piccoli, tali da infilarsi in questi spazi vuoti del reticolo cristallino costituito dagli atomi di ferro, che a seconda del fatto che sia un ferro alfa o ferro gamma, si dispongono secondo una struttura CCC o CFC.

( )

Valori da ricordare di densità di massa

• Alluminio (T_f = 660 °C) 2,7 (→ le sue leghe si chiamano leghe leggere) 34,51.
• Titanio (T_f = 1660 °C) 3.
• Ferro alfa (esiste per T < 910°C) 7,87 3.
• Magnesio (T_f = 650°C) 1,74 (→ le sue leghe si chiamano leghe ultraleggere) 38,9.
• Nichel (T_f = 1453 °C) 3.

La temperatura di fusione per i solidi cristallini è legata all'energia associata del legame atomico: in questo caso il legame metallico, in quanto parliamo di metalli. Tanto più è alta la densità di massa tanto più è alta la temperatura di fusione.

Quindi ad esempio se devo pensare un componente che lavora ad alte temperature non posso pensare di farlo in un elemento o in una lega leggera (perché a quella temperatura non c'arriva) quindi guardando sempre comunque alla leggerezza sceglierò tra quelli che pesano di più quello che pesa di meno.

Quindi non posso fare una paletta di turbina di motore aeronautico in una lega di alluminio (si squaglierebbe) e vado più su leghe di titanio (solo per il compressore, e non per la turbina perché il titanio ha una serie di problemi) ma vado soprattutto sulle superleghe base Nichel, che resistono bene alle temperature di progetto (1050, 1090, 1100 °C).

Ferro e Titanio hanno una capacità, autonomamente, rimanendo solidi, di modificare, se io vario la temperatura, le modalità con cui gli atomi costituiscono e compongono la cella elementare.

Le forme stabili a temperature più basse sono le alfa, poi via via che cresce la temperatura vado a indicarle progressivamente con beta, gamma, Δ... Questo meccanismo e capacità del materiale di organizzarsi dal punto di vista della distribuzione degli atomi nel reticolo cristallino si chiama anche trasformazione allotropica del materiale. Ferro e titanio sono quindi in grado di subire trasformazioni allotropiche.

Questo è possibile perché gli atomi non sono fissi nelle loro posizioni, ma hanno se non altro meccanismi vibrazionali e il loro movimento è tanto più consistente quanto più fornisco energia al materiale. E uno dei modi per fornire energia non è solo quello di applicargli una forza, ovvero di fornirgli energia meccanica, ma posso fornire energia termica, cioè lo posso scaldare. Quindi questa capacità degli atomi di muoversi, in fase solida del materiale, dà luogo alla possibilità, di realizzare trasformazioni allotropiche.

• Abbiamo Fe-alfa (Ferrite), caratterizzato da una C.C.C finché non si arriva a 910 °C (temperatura di austenizzazione), quando supero questa temperatura gli atomi si riorganizzano e si dispongono secondo uno schema CFC diventando Fe-gamma (Austenite).

Così come quando vedremo gli acciai inossidabili: ci sono acciai ferritici (Fe è organizzato secondo una struttura CCC) e acciai austenitici (Fe è organizzato secondo una struttura CFC).

Oss: perché Fe-beta non si considera?? Perché la temperatura che corrispondere al Fe-beta è già occupata dalla trasformazione paramagnetica del ferro e quindi non si considera nell'ambito delle strutture cristalline. Mentr-

• Abbiamo Titanio-alfa, che è la struttura stabile a temperatura ordinaria fino a circa 883 °C e la struttura di riferimento cristallina è esagonale compatta EC; sopra questa temperatura la struttura di riferimento si trasforma in CCC e si chiama Titanio-beta (non accade come nel ferro in quanto ora non c'è la trasformazione paramagnetica del titanio). Un altro elemento che subisce questa trasformazione allotropica è il cobalto. Esistono infatti, oltre alle basi nichel, anche le basi cobalto che potremmo trovarci ad utilizzare per la camera di combustione per i motori aeronautici.
• Abbiamo cobalto-alfa con una struttura EC stabile con temperature fino a 427 °C e poi ha una struttura CFC che è stabile sopra i 427°C.

Le modalità con cui gli atomi si dispongono nella cella unitaria, condizionano alcune delle proprietà del materiale. Passeremo a guardare la deformabilità del materiale, ovvero la capacità del materiale di essere deformato in modo più o meno consistente prima di rompersi.

Le strutture di tipo CCC si deformano meno facilmente delle CFC: questa minore deformabilità è legata proprio al fatto che i reticoli cristallini sono diversi ed è legata ad alcuni meccanismi che si chiamano “movimento delle dislocazioni”, che sono diverse nei due reticoli. (Noi non stiamo confrontando due materiali diversi, ma stiamo confrontando ad esempio, il titanio a seconda che lo vado a considerare a temperatura ordinaria o temperatura superiore a 883 °C: l'elemento è sempre lo stesso ma la capacità di deformarsi del titanio è diversa in base alla natura della struttura del suo reticolo e quindi in base alla temperatura.)

Peggio di entrambi nella deformazione è però, anche intuitivamente, l'esagonale compatto EC: deformazione(EC) < deformazione(CCC) < deformazione (CFC)

Quando realizzo un componente posso per esempio realizzare un componente nella forma finale desiderata, prendendo un metallo fuso, colandolo in uno stampo della forma del componente che voglio realizzare, faccio solidificare, apro lo stampo, ed estraggo il componente (processo di fusione, colata e solidificazione). Ce ne è anche un altro: il processo di imbutitura (es: formazione di una lattina di coca-cola): l'alluminio ha una struttura del reticolo cristallino CFC, che presenta la migliore deformabilità: si parte da un foglio di alluminio, vincolato all