Teconologia dei materiali - Riassunto per esame

I legami chimici influiscono nella composizione nel materiale

Materiale: Aggregato di atomi, ioni o molecole che, grazie alla presenza di legami interatomici e/o intramolecolari, è in grado di opporre una reazione a stimoli chimici, fisici e alle sollecitazioni meccaniche, tale da consentirne l’impiego per la fabbricazione di oggetti, strutture e dispositivi utili all’uomo.

Proprietà dei materiali

• Proprietà chimiche: caratterizzano il comportamento del materiale in un ambiente più o meno aggressivo.
• Proprietà meccaniche: resistenza ad una determinata forza.
• Proprietà fisiche: misurano il comportamento dei materiali sotto l’azione della temp., della luce ecc.

Legami atomici

Legami atomici primari o forti:

• Ionico.
• Covalente.
• Metallico.

Legami atomici secondari o deboli:

• Legame di Van der Waals.
• Legame idrogeno.

Scienza e tecnologia dei materiali

Scienza e tecnologia dei materiali: la scienza dei materiali riguarda essenzialmente lo studio delle conoscenze di base dei materiali, mentre la tecnologia dei materiali è volta in primo luogo all’utilizzo delle conoscenze applicate ad essi relative.

Processo

Processo: un processo è un metodo di formatura, unione o finitura di un materiale. Ce ne sono centinaia. È importante scegliere il giusto processo sin dall’inizio, prima che il rapporto costo iniziale-costo di modifica diventa grande. Per un dato componente, si sceglie un processo in base al materiale di cui è fatto, alla sua forma, alla sua dimensione e in base al tipo di uso che se ne deve fare.

Classificazione dei materiali

• Metallici e leghe: (Fe, Al, Cu, acciai…);
• Ceramici: (calce, SiC);
• Polimerici: (PE, PVC, nylon).

Compositi: sono una classe a parte. Provengono dall’unione di più materiali.

Legame ionico

Legame ionico: caratteristico dei ceramici, avviene tra atomi con forti differenze di elettronegatività, uno con tendenza a perdere, l’altro ad acquistare elettroni. Per cui alcuni atomi si caricheranno negativamente e altri positivamente.

• Legame molto forte.
• Non direzionale (si legano anche atomi vicini).

Elevata durezza e punto di fusione. Devo fornire tanta energia per rompere i legami.

Legame covalente

Legame covalente: caratteristico dei polimeri; gli elettroni degli atomi si ripartiscono su orbitali comuni ai 2 eventuali atomi. L’energia del sistema è molto bassa per cui è un legame molto stabile.

• Legame molto forte.
• Direzionale (diretto lungo la congiungente i due atomi).

Alto punto di fusione, difficoltà di deformazione, poco conduttore.

Legame metallico

Legame metallico: caratteristico dei metalli; gli elettroni vengono messi in condivisione con tutti gli altri atomi del legame, per cui sono liberi di muoversi su tutto il materiale.

• Legame forte.
• Non direzionale.

Alta conducibilità, duttili, solubili.

Struttura dei solidi cristallini

I materiali solidi possono essere classificati in base alla regolarità con cui gli atomi o gli ioni si dispongono nello spazio gli uni rispetto agli altri.

Solidi cristallini: gli atomi sono disposti in modo ripetitivo, con un ordine che si mantiene su grandi distanze (atomiche). Tutti i metalli, diversi materiali ceramici e alcuni polimeri formano strutture cristalline (che ne caratterizzano alcune proprietà).

Cella unitaria: è la più piccola unità ordinata ripetitiva per la costruzione dei sistemi cristallini.

Sistemi cristallini: le strutture cristalline sono suddivise in gruppi detti sistemi cristallini in base alla geometria della cella unitaria, indipendentemente dalla posizione degli atomi all’interno della cella. La geometria della cella unitaria è definita da 6 parametri reticolari (a, b, c, α, β, γ). Basandosi su queste definizioni, si possono individuare 7 sistemi cristallini e 14 reticoli di Bravais.

Monocristalli e policristalli

Monocristalli sono materiali nei quali l’ordine atomico si estende ininterrottamente.

Policristalli: la gran parte dei solidi cristallini è policristallina, essendo composta da numerosi piccoli cristalli o grani che hanno differente orientamento cristallografico.

Bordo di grano: è la regione di spazio che separa due grani, dove gli atomi occupano posizioni non regolari di equilibrio.

Polimorfismo e allotropia: il polimorfismo si riferisce al fatto che un dato materiale può avere più di una struttura cristallina (ad es. variando la T o la P). L’allotropia è il polimorfismo che si riscontra nei solidi elementari.

Materiali metallici

Nei metalli gli elettroni vanno a piazzarsi in modo da dar luogo al minimo dell’energia interna e si ordinano per occupare meno spazio possibile. Le strutture cristalline possibili nei metalli sono tre:

• Cubica a facce centrate (CFC).
• Cubica a corpo centrato (CCC).
• Esagonale compatta (EC).

Fattore di compattazione atomica

Fattore di compattazione atomica: spazio effettivamente occupato dagli atomi in relazione allo spazio della cella.

Numero di coordinazione (NC): numero di atomi uguali vicini a uno dato.

Cubica a facce centrate

Cubica a facce centrate (CFC): c’è un atomo per ogni vertice del cubo e uno per ogni faccia.

• Ha 4 atomi per cella.
• Ha un FCA = 0.74 (ottimizza molto bene lo spazio).
• NC = 12.

Cubica a corpo centrato

Cubica a corpo centrato (CCC): c’è un atomo per ogni vertice del cubo e uno al suo interno.

• Ha 2 atomi per cella.
• FCA = 0.68.
• NC = 8.

Esagonale compatta

Esagonale compatta (EC): prisma a base esagonale. Ha atomi ai vertici, uno al centro di ogni faccia di base e tre atomi interamente all’interno del solido.

• Atomi per cella = 3 al centro + 1/2 base + 1/2 base + 1/6 ai vertici = 6 atomi.
• FCA = 0.74; NC = 12.

Struttura amorfa

Per materiale amorfo intendiamo una sostanza priva di struttura cristallina in cui perciò è assente ordine a lungo raggio. La condizione di solido amorfo si ha quando un materiale, come ad esempio il vetro, soggetto a raffreddamento, raggiunge una temperatura inferiore a quella di solidificazione troppo velocemente per permettere alla struttura cristallina di formarsi.

Direzioni e piani cristallografici

Nel trattare i materiali cristallini, risulta spesso necessario specificare un particolare punto all’interno della cella unitaria, una certa direzione cristallografica o alcuni piani cristallografici degli atomi. Essi vengono descritti mediante indici. La base per la determinazione di ciascun indice è un sistema di assi coordinati, definiti, per la particolare struttura cristallina, dalla cella unitaria.

Punti cristallografici: la posizione di un punto all’interno di una cella unitaria viene individuata dalle coordinate, che sono multipli frazionari delle lunghezze degli spigoli della cella.

Direzioni cristallografiche: sono calcolati in base alle proiezioni dei vettori direzione su ciascuno degli assi coordinati.

Piani cristallografici: gli indici di un piano (o indici di Miller) sono determinati dai reciproci delle intersezioni del piano con gli assi.

Per le celle unitarie esagonali si è trovato più conveniente introdurre uno schema a 4 indici sia per le direzioni che per i piani.

Densità

Densità teorica dei metalli:

• n = n° di atomi associati a ogni cella unitaria.
• A = peso atomico.
• = volume della cella unitaria.
• = n° di Avogadro (6.022x10²³ atomi/mol).

Densità atomica volumetrica: (Mg/m³ - g/cm³)

() = ()

Le equivalenze cristallografiche direzionali e planari sono, rispettivamente, in relazione con le densità atomiche lineari e planari.

Densità atomica lineare (atomi/mm): = () / Å

Densità atomica planare (atomi/mm²): = () / Ų

Anisotropia: si intende il fatto che le proprietà di un materiale dipendono dalla direzione cristallografica.

Isotropia: per i materiali isotropi le proprietà sono indipendenti dalla direzione cristallografica in cui vengono misurate.

Imperfezione nei solidi

Tutti i solidi contengono un gran numero di vari difetti. L’effetto non è sempre negativo e spesso si ottengono determinate caratteristiche introducendo appositamente numeri controllati di difetti.

Lega: è una sostanza metallica composta da due o più elementi.

Soluzione solida: quando ad un solido vengono aggiunti atomi di impurezza, si può formare una soluzione solida; in tal caso viene mantenuta la struttura cristallina originaria e non si formano nuove fasi.

Difetti puntuali

Difetti puntuali: interessano uno o due posizioni atomiche. I difetti di punto sono:

• Vacanze.
• Autointerstiziali.
• Atomi interstiziali.
• Atomi sostituzionali.

Questi ultimi due si trovano nelle soluzioni solide.

Vacanze: sito vacante del reticolo. È un posto normalmente occupato mancante di un atomo. Presente in tutti i solidi cristallini. La presenza di vacanze aumenta l’entropia del cristallo. Il numero di vacanze presenti all’equilibrio dipende dalla temperatura secondo l’equazione:

() = N = numero totale dei siti atomici;

Å = energia richiesta per la formazione di una vacanza;

T = temperatura assoluta;

k = 1.38x10⁻²³ J/atomo*K, 8.62x10⁻⁵ eV/atomo*K (costante di Boltzmann).

Autointerstiziale: è un atomo del cristallo che viene stipato in un sito interstiziale, un piccolo spazio vuoto che normalmente non viene occupato. Nei metalli produce una distorsione abbastanza grande nel reticolo circostante, in quanto l’atomo è significativamente più grande dello spazio in cui si viene a trovare.

Atomo interstiziale: gli atomi di impurezza riempiono i vuoti o gli interstizi presenti tra gli atomi ospitanti. Per i materiali metallici, dato che hanno un FCA relativamente elevato, queste posizioni interstiziali sono relativamente piccole.

Atomo sostituzionale: gli atomi di impurezza rimpiazzano o sostituiscono gli atomi ospitanti. La solubilità può divenire apprezzabile solo quando i diametri atomici e l’elettronegatività dei due tipi di atomi sono simili, quando i due elementi hanno la stessa struttura cristallina e quando gli atomi di impurezza hanno una valenza uguale o inferiore a quella del materiale ospitante.

Dislocazioni o difetti lineari

Dislocazioni o difetti lineari: sono difetti cristallini monodimensionali. Possono essere:

• Dislocazioni a spigolo.
• Dislocazioni a vite.
• Dislocazioni miste.

Dislocazioni a spigolo: è un difetto lineare centrato intorno alla linea che viene definita dall’estremità del semipiano aggiuntivo di atomi. Questa linea è detta asse della dislocazione. Le distorsioni del reticolo si localizzano entro una determinata area, intorno all’asse della dislocazione. Gli atomi che si trovano al di sopra dell’asse di dislocazione sono compressi fra loro e quelli al di sotto sono posti in trazione. Questo effetto dà luogo ad una leggera curvatura dei piani verticali di atomi che si flettono intorno a questo piano aggiuntivo. L’ampiezza di questa distorsione diminuisce con la distanza dall’asse di dislocazione.

Dislocazione a vite: può essere immaginata come una distorsione ottenuta applicando uno sforzo di taglio al reticolo; si ha così una regione di cristallo che risulta slittata di una distanza interatomica rispetto all’altra porzione.

Dislocazioni miste: in un materiale cristallino si trovano dislocazioni miste, cioè dislocazioni che presentano sia componenti di dislocazione a spigolo che di dislocazioni a vite.

Vettore di Burgers “b”: specifica l’ampiezza e la direzione di una distorsione del reticolo associata ad una dislocazione. È perpendicolare/parallelo all’asse di dislocazione nelle dislocazioni a spigolo/dislocazioni a vite e né perpendicolare né parallelo ad esso nelle dislocazioni miste.

Difetti interfacciali o di superficie

Difetti interfacciali o di superficie: sono aree di confine che hanno due dimensioni e normalmente separano regioni di materiali che hanno differente struttura cristallina e/o differente orientazione cristallografica. Sono:

• Bordi di grano.

Bordi di grano: è la regione di spazio che separa due grani. Qui si verifica un certo grado di irregolarità nella distanza interatomica di equilibrio tra due grani adiacenti che hanno differente orientazione cristallografica.

È più facile ottenere dislocazioni in un materiale con bordi di grano grandi che in quelli con bordi di grano piccoli perché essi bloccano le dislocazioni dato che si ha l’interruzione di una struttura cristallina.

Diffusione

Diffusione: è quel fenomeno di trasporto di materiale per movimento di atomi. Vi sono due tipi di diffusione di atomi in un reticolo cristallino:

• Per vacanze o sostituzionale.
• Interstiziale.

Diffusione per vacanze: avviene tramite uno scambio tra un atomo che risiede in una posizione del reticolo cristallino e una vacanza adiacente. Alla diffusione degli atomi in una direzione corrisponde il movimento di vacanze in direzione opposta.

Diffusione interstiziale: un atomo migra da una posizione interstiziale ad un’altra adiacente vuota.

Diffusione stazionaria: si ha quando il flusso di diffusione non varia nel tempo.

Diffusione non stazionaria: si ha quando in un determinato punto all’interno del solido il flusso di diffusione e il gradiente di concentrazione variano nel tempo, portando ad un accumulo o ad un impoverimento delle specie che diffondono.

Fattori che influiscono la diffusione: il valore del coefficiente di diffusione è indicativo della velocità di movimento degli atomi e dipende fortemente sia dalle specie che diffondono sia dalla temperatura. Il coefficiente di diffusione è funzione della temperatura.

Scorrimento

Sistemi di scorrimento: le dislocazioni provocano spostamenti degli atomi lungo specifici piani cristallini di scorrimento e in specifiche direzioni cristallografiche di scorrimento. Questi piani sono quelli a più alta densità atomica dato che serve una minore energia per muovere gli atomi visto che sono più vicini.

Scorrimento nei monocristallini: lo sforzo di taglio richiesto per provocare scorrimento in un metallo puro monocristallino dipende da:

• Struttura cristallina.
• Natura dei legami.
• Temperatura.
• Orientam. dei piani rispetto al carico applic.

In generale con una sollecitazione di pura trazione si possono ottenere componenti di taglio in tutte le direzioni (eccetto quelle parallele e perpendicolari allo sforzo) dette sforzi di taglio indotti.

Legge di Schmidt

Legge di Schmidt: sia l’angolo tra la direzione dello sforzo e la normale al piano; sia l’angolo tra la direzione dello sforzo e la direzione di scorrimento;

= = = lo sforzo di taglio indotto

= /

= dove è lo sforzo applicato.

Sapendo questo si nota che:

• A 0° e a 90° non ho sforzo di taglio. I due piani non si allontanano e non scorrono.
• A 45° si ha lo sforzo di taglio max.

Quindi inizieranno a scorrere prima i piani a 45°, gli altri si muoveranno man mano che si aumenta il carico; ciò spiega la curva plastica.

Scorrimento nei policristallini

Scorrimento nei policristallini: nei materiali policristallini, avendo i grani cristallini un’orientazione cristallografica del tutto casuale, le direzioni di scorrimento variano da grano a grano. Pertanto il movimento delle dislocazioni, nel modo osservato in precedenza, si verifica per ciascun grano, secondo il sistema di scorrimento che ha l’orientazione più favorevole.

Deformazione

• Elastica (reversibile).
• Plastica (irreversibile).
• Viscoelastica (dipendente dal tempo).

In campo elastico per piccole deformazioni, la legge di Hooke correla lo sforzo di taglio () alla deformazione ():

t = G g

Con G = modulo elastico di taglio.

I materiali con basso modulo di Young, sono i polimerici. Invece i metalli e soprattutto i ceramici hanno poca possibilità di deformarsi.

Sforzo nominale

Sforzo nominale:

= 10⁶ [MPa] (1 MPa = N/m²)

Deformazione nominale

Deformazione nominale:

= (−) / =

Modulo di Poisson

Modulo di Poisson:

= − = −

È il rapporto tra deformazione laterale e assiale. Quando un provino è sottoposto a una trazione, il si ha quando lo sforzo e la deformazione sono c