Tecnologia dei materiali

Tecnologie dei materiali 1

02/06/2021 1 Tecnologie dei materiali 1 Introduzione alla scienza e tecnologia dei materiali 2 1 02/06/2021

Concetti base

Sostanza, materia, materia prima, materiale

Sostanza: qualità di materia con composizione chimica ben definita.

Materia: tutto ciò che ha massa. Le forme sotto cui si trova la materia in condizioni naturali sono: gassosa, liquida e solida.

Materia prima: si intende quella fornita dalla natura e che, nei processi industriali, serve come partenza per le successive lavorazioni.

Materiale: materia solida con cui possono essere costruiti degli oggetti; può essere formato da più sostanze.

Un materiale da costruzione deve avere proprietà che gli permettono di resistere a sollecitazioni meccaniche, chimiche e termiche; deve anche poter assumere la forma e la dimensione di progetto, conservandole, una volta messo in opera, con tolleranze definite. 3

Struttura, proprietà e prestazioni

Struttura: fa riferimento alla disposizione dei suoi componenti interni, atomi, molecole ecc., a livello sia microscopico che macroscopico.

Proprietà: tipo e ampiezza di risposta ad una specifica stimolazione esterna.

Materiale omogeneo: se è costituito da un’unica sostanza, oppure da più sostanze "solubili" allo stato solido, che formano quindi un sistema monofasico.

Le definizioni delle varie proprietà sono indipendenti dalla dimensione e dalla forma del materiale: proprietà meccaniche, elettriche, termiche, magnetiche, ottiche, durabilità.

Microstruttura: insieme delle caratteristiche geometriche e quantitative delle fasi presenti nel materiale, compresi vuoti e difetti. È il risultato delle modalità di produzione del materiale, delle lavorazioni e dei trattamenti subiti; essa condiziona profondamente il comportamento di un materiale.

Materiale eterogeneo: se costituito da componenti insolubili tra loro, formanti quindi un sistema polifasico.

Prestazioni: rendimento fornito dal materiale in una determinata attività. Dipendono dalle proprietà. 4 2 02/06/2021

Scienza dei materiali e tecnologia dei materiali

"Poiché la realizzazione dei vari prodotti richiede l’impiego di materiali, i progettisti dovrebbero essere a conoscenza della struttura interna e delle proprietà dei diversi materiali, in modo da poter scegliere il materiale più adatto per ogni applicazione e sviluppare il miglior ciclo di produzione".

Scienza dei materiali: conoscenze chimiche e fisiche che mettono in relazione le proprietà di un materiale con la sua costituzione, struttura interna, potendo prevedere il comportamento del materiale stesso in qualsiasi condizione d’impiego.

Tecnologia dei materiali: lo studio delle scienze applicate relative alla trasformazione della materia in prodotti di impiego o di consumo.

Tratta i processi per produrre materiali con determinate proprietà e le lavorazioni che gli conferiscono forma e dimensioni di progetto.

«La tecnologia dei materiali è una disciplina di transizione tra le scienze di base, meccanica, fisica, chimica, matematica, e quelle applicate, ingegneria ecc.». 5

Classificazione dei materiali

3 grandi classi.

Materiali metallici

Materiali metallici: elementi chimici a carattere metallico.

Buoni conduttori del calore e dell’elettricità. Dotati di lucentezza superficiale «metallica», fino a quando non subentra l’ossidazione.

Hanno buona resistenza meccanica e sono modellabili per lavorazione plastica.

Suddivisi in: metallici ferrosi, ferro, acciai e ghise; metallici non ferrosi, alluminio, rame, ottoni ecc.

Materiali polimerici

Materiali polimerici: composti organici macromolecolari, sintetici o naturali.

Densità relativamente bassa. Rammolliscono o bruciano per aumento della temperatura. Hanno scarsa stabilità dimensionale. Non si ossidano.

Sono facilmente modellabili. Gomma, legno, adesivi, polimeri, resine ecc. «chimica del C e H», O, S, N…

Materiali ceramici

Materiali ceramici: sono costituiti da composti, prevalentemente ossidi e/o silicati.

Duri, ma fragili. Non conducono né il calore né la corrente elettrica.

Resistono ad alte temperature. Cemento, gesso, vetro, ceramici tradizionali, «chimica del Si, O», mattoni, piastrelle, porcellane ecc., ceramici avanzati. 6 3 02/06/2021

Nuove classi di materiali

Materiali compositi

Materiali compositi: formati da più di un tipo di materiale.

Progettati per ottenere la migliore combinazione delle proprietà dei diversi materiali componenti.

Vetroresina, fibre di vetro annegate in un materiale polimerico, dove le fibre di vetro danno resistenza e flessibilità al materiale polimerico.

Materiali semiconduttori

Materiali semiconduttori: hanno proprietà elettriche intermedie tra i conduttori elettrici e gli isolanti.

Sono estremamente sensibili alla presenza di minime concentrazioni di impurezze.

Hanno reso possibili l’avvento dei circuiti integrati rivoluzionando l’industria elettronica.

Biomateriali

Biomateriali: sono utilizzati negli impianti inseriti nel corpo umano.

Non devono produrre sostanze tossiche e devono essere compatibili con il tessuto umano.

Classificazione dei materiali solidi in base alle proprietà che ne caratterizzano l’impiego

Per applicazioni biomediche, per l’elettronica, resistenti alla corrosione.

Conduttori, luminescenti etc. Materiali semiconduttori, magnetici, isolanti. 7

Materiali per il futuro

Basso costo, prestazioni elevate, basso impatto ambientale, basso consumo energetico, produzione più esercizio, riciclabilità. 8 4 02/06/2021

Tecnologie dei materiali 2

Struttura degli atomi e legami chimici. 9

Definizioni generali relative all’atomo

Atomo: unità di base di tutta la materia.

Le tre principali particelle subatomiche che lo formano:

• Protoni.
• Neutroni.
• Elettroni.

Numero atomico di un elemento: numero di protoni nel nucleo dell’atomo di un elemento.

Massa atomica relativa di un elemento: massa in grammi di 6,023 x 10 atomi, numero di Avogadro, di tale elemento.

Unità di massa atomica: definita come un dodicesimo della massa di un atomo di carbonio, protoni e 6 neutroni.

Grammomole o mole: quantità di tale elemento che ha una massa, espressa in grammi, pari alla massa atomica molare relativa di quell’elemento. 10 5 02/06/2021

Struttura elettronica degli atomi

Modello della meccanica quantistica – modello di Bohr.

Ramo della fisica nel quale i sistemi in esame possono avere solo dei valori discreti ammissibili di energia, separati da regioni proibite.

Modello meccanico-ondulatorio: principio di indeterminazione di Heisenberg. È impossibile determinare con accuratezza nello stesso istante la posizione e il momento di una piccola particella, come un elettrone.

Concetto probabilistico della "densità di nuvola di carica elettronica".

Orbitale.

Confronto tra il modello di Bohr (a) e il modello meccanico ondulatorio (b) in termini di distribuzione elettronica. 11

Orbitali atomici

Valori possibili per i numeri quantici atomici.

Principio di esclusione di Pauli: due elettroni non possono mai avere gli stessi valori dei quattro numeri quantici.

Configurazione elettronica degli atomi.

Principio di Hund o della massima molteplicità di spin.

Il riempimento degli orbitali atomici avviene in modo che ciascuno degli orbitali isoenergetici, p, d, f, viene dapprima occupato da un solo elettrone, e poi, una volta completato il mezzo riempimento, gli elettroni residui occupano uno alla volta gli orbitali già mezzi riempiti. 12 6 02/06/2021

Tavola periodica

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Dimensioni atomiche e ioni

«Ciascun atomo può essere considerato in prima approssimazione come una sfera di raggio definito. Il raggio non è una costante ma dipende in una certa misura dalle condizioni al contorno, es: si immagini un atomo in una certa matrice cristallina». W.F. Smith

Tavola periodica delle dimensioni atomiche e ioni.

Sodio-ione perde l’elettrone e quindi si riduce il raggio atomico. Cloro-ione acquista l’elettrone e quindi aumenta il raggio atomico.

«La dimensione atomica rappresenta un fattore importante nello studio della diffusione degli atomi nelle leghe metalliche». W.F. Smith

La dimensione atomica è un parametro importante nella definizione delle soluzioni solide interstiziali e sostituzionali. 14 7 02/06/2021

Elementi elettropositivi ed elettronegativi

Tavola periodica dell’elettronegatività.

«Gli elementi elettropositivi hanno natura metallica e liberano elettroni nelle reazioni chimiche producendo ioni positivi o cationi. Gli elementi elettronegativi hanno natura non metallica e accettano elettroni nelle reazioni chimiche producendo ioni negativi o anioni».

«L’elettronegatività è definita come il grado di attrazione degli elettroni da parte di un atomo. Questo concetto aiuta nella comprensione della formazione dei legami fra gli elementi chimici». W.F. Smith

Gli elementi con elettronegatività più alta si trovano in alto a destra. 15

Legami atomici e molecolari

Il legame chimico tra gli atomi avviene perché vi è una netta diminuzione dell’energia potenziale degli atomi nello stato legato.

Legami atomici primari, legami forti: sono coinvolte forze interatomiche relativamente elevate.

Legami atomici e molecolari secondari: sono coinvolte forze interatomiche relativamente deboli, < 10 kcal/mol.

Legami ionici: forze di natura coulombiana che comportano attrazione tra ioni di carica opposta, generati dal trasferimento di elettroni da un atomo all’altro. Legame non direzionale.

Legami covalenti: le forze si originano dalla condivisione di elettroni. Legame di tipo direzionale. Energia legame covalente 100 kcal/mol.

Legami metallici: gli atomi mettono in comune gli elettroni in modo delocalizzato generando legami forti non direzionali.

Legami a dipolo permanente: si generano delle forze coulombiane tra dipoli permanenti presenti nella molecola, dove si trovano atomi a diversa elettronegatività e/o per una certa asimmetria della densità di elettroni su di essa.

Legami a dipolo fluttuante, Forze di Van Der Waals: delle attrazioni coulombiane deboli si possono generare per la temporanea formazione di dipoli determinata dall’asimmetria di carica elettronica; quest’ultima varia continuamente e rende così questo legame fluttuante.

Il legame a idrogeno è un caso particolare dell’interazione permanente dipolo-dipolo e si genera tra un legame polare contenente un atomo H, es O-H, N-H, e altri atomi particolarmente elettronegativi, O, N e F. 16 8 02/06/2021

Tecnologie dei materiali 3

Stato solido. 17

Solidi con struttura ordinata

Cristallo

Definizione: corpo solido delimitato da facce regolari e simmetriche.

Solidi cristallini

Definizione: atomi/ioni/molecole sono presenti secondo una disposizione ripetitiva.

Gli atomi o gli ioni di questo tipo di solido formano un reticolo cristallino, dove ogni punto ha gli stessi punti prossimali.

Nelle tre dimensioni dello spazio allora formano solido cristallino o materiale cristallino.

Oppure si può dire che ogni punto ha lo stesso intorno/scenario/ambiente. 18 9 02/06/2021

Sistemi cristallini e reticoli di Bravais

Per dare origine a tutti i tipi di reticolo.

Sono necessari 7 sistemi cristallini per descrivere tutti i solidi.

All’interno di ogni sistema sono possibili diverse celle elementari, sono sufficienti 14 celle elementari.

Rappresentazioni diverse della cella elementare CFC:

• Disposizione atomica della cella elementare.
• Cella elementare a sfere rigide.
• Cella elementare isolata.

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Principali strutture cristalline metalliche

I solidi metallici cristallizzano principalmente con tre tipi di strutture cristalline di tipo compatto.

CCC cubica a corpo centrato: n. di atomi nell’intorno di ogni atomo = 8. N. atomi/cella elementare = 1 al centro + 8 x 1/8 agli spigoli = 2.

CFC cubica a facce centrate: n. di atomi nell’intorno di ogni atomo = 12. N. atomi/cella elementare = 1/2 x 6 alle facce + 8 x 1/8 agli spigoli = 4.

EC esagonale compatta: n. di atomi nell’intorno di ogni atomo = 12. N. atomi/cella elementare = 1/2 x 2 alle basi + 12 x 1/6 agli spigoli + 3 all’interno = 6. 20 10 02/06/2021

Rappresentazione delle strutture cristalline compatte

Rappresentazione delle strutture cristalline compatte CFC ed EC con gli atomi approssimati a "sfere rigide".

Altre rappresentazioni delle strutture cristalline compatte CFC ed EC.

Altre rappresentazioni delle strutture cristalline compatte CFC, EC e CCC. 21

Distanze reticolari

Solido cristallino: caratterizzato da diverse serie di piani paralleli a cui corrispondono distanze reticolari, d1, d2, d3… ecc., che sono tipiche di quel solido.

d1, d2, d3… in genere si indicano con dove h, k e l si chiamano indici di Miller.

Analisi della struttura cristallina tramite l’analisi diffrattometrica a raggi X.

Può essere eseguita su polveri o su pezzi di materiale con una superficie piana.

Permette di identificare le componenti cristalline presenti in un materiale solido e di analizzarne la struttura. Essa è resa possibile dall’intrinseco ordine interno presente nei solidi cristallini.

Diffrazione dei Raggi X.

• Onde non in fase non danno segnali al rilevatore ⇒ Questo fenomeno avviene perché queste radiazioni elettromagnetiche hanno una lunghezza d'onda paragonabile alla distanza interplanare degli atomi nei solidi cristallini.
• Onde in fase danno segnali al rilevatore ⇒ Quando un fascio di Raggi X colpisce un solido cristallino, possono essere prodotti dei picchi di diffrazione rinforzati di radiazioni di varie intensità.

La differenza di cammino ottico tra le due onde è pari a MP+PN.

Per la legge di Bragg il cammino ottico deve essere uguale a un numero intero di lunghezza d’onda. 22 11 02/06/2021

Diffrattogramma di un solido cristallino e di una struttura amorfa

Differenza tra diffrattogramma di un solido cristallino e di una struttura amorfa.

Potrebbe rappresentare il plexiglass o il vetro. 23

Temperatura di fusione e temperatura di transizione vetrosa

Temperatura di fusione e temperatura di transizione vetrosa. 24 12 02/06/2021

Anisotropi e isotropi

Isotropi: corpi che non presentano differenze di comportamento dipendenti dalla direzione in cui vengono testati.

Anisotropi: corpi per i quali i valori delle grandezze che li caratterizzano variano con la direzione.

Quasi totalità dei materiali di interesse tecnologico.

I materiali amorfi, vetri e maggior parte dei polimeri, sono sempre isotropi perché il disordine molecolare è statisticamente riproducibile in ogni direzione.

I materiali policristallini, metalli, granito, ecc., risultano isotropi su scala macroscopica, perché i microcristalli o sono orientati in ogni modo possibile.

I mono-cristalli sono intrinsecamente anisotropi, perché la periodicità delle posizioni reticolari è diversa a seconda della direzione. Quindi le loro proprietà fisiche variano con la direzione.

Si ottengono con una solidificazione molto lenta del fuso attorno ad un unico nucleo di cristallizzazione. 25

Polimorfismo o allotropia

Indica che molti elementi e composti, in differenti condizioni di temperatura e pressione, esistono in più di una forma cristallina.

Concentrazione di B.

Diffusione allo stato solido

Diffusione allo stato solido: fenomeno spontaneo di trasporto di materia.

Quando all’interno di un materiale ci sono differenze di concentrazione di un suo componente.

Il trasporto tende a minimizzare le differenze nonostante allo stato solido gli atomi tendano a conservare le loro posizioni reticolari. 26 13 02/06/2021

Tecnologie dei materiali 4

Solidificazione e difetti dei cristalli. 27

Solidificazione e difetti dei cristalli

Solidificazione di un solido policristallino, soluzioni solide metalliche, difetti cristallini, diffusione atomica nei solidi.

Nucleazione, favorita dal grado di sottoraffreddamento.

Crescita dei nuclei e struttura grani, struttura a grani fini per la resistenza.

Soluzione solida sostituzionale.

Soluzione solida interstiziale.

Difetti di punto:

• Vacanza.
• Sostituzionale.
• Autointerstiziale.

Difetti di linea:

• Dislocazione spigolo.
• Dislocazione a vite.
• Dislocazione mista.

Difetti di superficie:

• Bordi di grano.

Meccanismo di diffusione per vacanza o sostituzionale.

Meccanismo di diffusione interstiziale.

Grani colonnari, grani equiassici.

Omogenea, eterogenea. 28 14 02/06/2021

Solidificazione di un solido policristallino

2 fasi.

1 Nucleazione: formazione di nuclei stabili di solidificazione.

2 Crescita dei nuclei a formare cristalli e formazione struttura a grani.

Omogenea ed eterogenea. 29

Nucleazione omogenea

Avviene in metallo fuso quando gli atomi formano nuclei di cristallizzazione.

Favorita da un elevato grado di sottoraffreddamento al di sotto della temperatura di equilibrio per permettere che si formino i primi nuclei omogenei che sono prodotti dal legame che si origina tra atomi soggetti ad un lento movimento, dovuto al sottoraffreddamento.

Agglomerati di atomi, nuclei omogenei.

Nucleo: quando la dimensione supera una dimensione critica.

Embrione: quando la dimensione dei nuclei legati tra loro non supera la dimensione critica.

Non sono stabili e non danno origine ai cristalli. 30 15 02/06/2021

Nucleazione eterogenea

Avviene sulle pareti della forma, su impurezze insolubili oppure su agenti inoculanti che abbassano l’energia libera critica richiesta per formare un nucleo stabile.

L’energia di superficie richiesta per la nucleazione eterogenea è minore rispetto alla nucleazione omogenea.

Non c’è bisogno di un elevato sottoraffreddamento perché il sottoraffreddamento è già accentuato in queste condizioni reali di non equilibrio termico.

Nei processi industriali si ha più spesso una nucleazione eterogenea. 31

Crescita dei nuclei a formare cristalli e formazione struttura a grani

Nella solidificazione si formano numerosi cristalli a orientazione differente che danno origine ad un materiale policristallino. I cristalli veng