Domande esame Tecnologie dei materiali

Descrivi sinteticamente le proprietà più importanti delle 3 principali classi di materiali

• Metalli: Atomi metallici con possibile aggiunta di atomi non metallici. Struttura cristallina con atomi messi in modo ordinato e regolare. Gli atomi sono molto vicini e molto densi tra di loro, elettroni fanno da collante e permettono deformabilità plastica del materiale, per questo sono duttili e grazie al movimento degli elettroni si ha conduttività termica ed elettrica. Il legame presente è metallico: atomi così vicini che gli elettroni di valenza sono attratti dai nuclei degli atomi vicini e si creano ioni circondati da gas o elettroni. È un legame non direzionale. Temperatura di fusione abbastanza alta. Per migliorare alcune caratteristiche dei metalli spesso si usano le leghe, date dalla combinazione di uno o più metalli con elementi a carattere non metallico.
• Polimeri: Sono molecole costituite prevalentemente da atomi di carbonio e idrogeno con possibile presenza di ossigeno, azoto, cloro, bromo ecc. Si classificano in polimeri naturali: legno, lana, cuoio, seta, gomma, cellulosa; polimeri artificiali dati da modificazione chimica dei polimeri naturali già esistenti come nitrocellulose o celluloide e polimeri sintetici, ottenuti per trasformazione chimica dei derivati del petrolio. Hanno bassa densità, bassa conducibilità elettrica e termica, buona resistenza a corrosione e formabilità, ottima colorabilità e trasparenza, basso modulo di elasticità, bassa durezza e resistenza meccanica. Il loro utilizzo è limitato ad alcune temperature e si verificano fenomeni di scorrimento viscoso. Materiali polimerici si classificano in termoplastici, deformabili per effetto del calore, per fusione e riciclabili un numero infinito di volte; termoindurenti che invece induriscono per effetto del calore, cioè si formano delle reti regolari secondo un processo di reticolazione; abbiamo anche gli elastomeri che possono subire elevate deformazioni elastiche. I polimeri all’interno sono costituiti da forti legami covalenti intramolecolari e legami tra catene intermolecolari più deboli, come legame a idrogeno.
• Ceramici: Materiali inorganici formati da elementi metallici e non metallici; possono avere una struttura porosa o compatta. Caratterizzati dal legame ionico e covalente che conferisce una bassa conducibilità elettrica e termica. Sono rigidi, resistenti, duri ma fragili, isolanti termici ed elettrici, hanno temperature di fusione molto alta. Si possono avere vari tipi di struttura: monocristallina, policristallina, monofasica o bifasica, semicristallina o amorfa (vetri).

Che cosa si intende per sforzo a snervamento di un materiale? Come si determina?

Può essere definita come la divisione del comportamento elastico da quello plastico; quando un materiale è sollecitato sotto un carico minore del suo carico di snervamento, si deforma in misura proporzionale al carico, e ritorna alla sua forma originale quando il carico è rimosso.

Se caricato oltre il suo carico di snervamento, allora il materiale si deforma plasticamente. Si considera come carico di snervamento convenzionale il carico che produce una deformazione permanente dello 0.2%, tale carico si determina graficamente dall’intersezione della curva sforzo-deformazione con la retta parallela al tratto iniziale elastico-lineare tracciata a partire dalla deformazione dello 0.2%.

Dopo questo si può trovare anche lo sforzo a rottura cioè il massimo valore dello sforzo del diagramma sforzo-deformazione e massimo sforzo sostenibile da una struttura in tensione. Può coincidere a volte con lo sforzo a snervamento come nei ceramici, in cui la deformazione quasi coincide con la rottura.

Duttilità e rottura duttile, cos’è la duttilità di un materiale e cosa si intende. Cosa è la fragilità di un materiale, la rottura fragile, comportamento di un materiale fragile sotto sforzo + diagrammi sforzo-deformazione

Duttilità e rottura duttile

La duttilità è una proprietà meccanica di un materiale e misura la deformazione plastica che può subire un materiale prima di arrivare a rottura. Può essere espressa come allungamento percentuale (percentuale della deformazione plastica a rottura). Indica anche il grado di deformazione consentito durante la fase di fabbricazione dei componenti.

In questo caso vediamo una rottura dopo un’estesa deformazione plastica e la rottura avviene in modo lento e graduale. Si parte da un provino sollecitato da una forza uniassiale cioè diretta lungo l’asse del provino. Se ho un restringimento localizzato, da uniassiale la sollecitazione diventa triassiale cioè diretta sia lungo l’asse sia lungo il piano ortogonale.

All’interno del materiale si rompono legami tra gli atomi e si creano zone vuote o microvuoti all’interno del materiale. Diminuisce la sezione resistente del materiale e questi vuoti tendono ad allargarsi e ad unirsi gli uni agli altri, fino a che non si ha una cricca, cioè una rottura del materiale.

Materiali duttili: metallici (acciaio al carbonio ad alta temperatura), polimerici termoplastici per T > Tg.

Fragilità e rottura fragile

La fragilità è la tendenza di alcuni materiali a rompersi bruscamente senza che avvengano precedentemente deformazioni e snervamenti. La rottura fragile avviene dopo una scarsa o nulla deformazione plastica. Una rapida propagazione della rottura porta ad un collasso improvviso e il punto di snervamento coincide con la rottura.

La frattura fragile è caratterizzata da una rapida propagazione della cricca (rottura di schianto). Tipica dei materiali ceramici, vetri metallici, acciaio al carbonio e polimeri termoplastici per T < Tg.

Descrivere il legame dipolare e illustrare come influenza le proprietà dei materiali in cui è presente

Gli atomi sono globalmente neutri e normalmente hanno una distribuzione simmetrica delle cariche elettriche. In particolari circostanze è possibile che la distribuzione spaziale delle cariche positive e negative diventi asimmetrica e quindi mi si crea un dipolo.

Il legame dipolare (intermolecolare) (o legame di Van Der Waals) o legame debole scaturisce dall’attrazione coulombiana tra l’estremità positiva di un dipolo e la regione negativa di un dipolo adiacente, quindi vi è una disposizione asimmetrica tra le zone di carica negativa e zone di carica positiva.

Essendo un legame debole, all'aumentare della temperatura ci sarà una maggiore agitazione termica degli atomi con la conseguente rottura di questi legami (bassa energia di legame e bassa temperatura di fusione). Questo legame determina la resistenza e la deformabilità delle materie plastiche.

Legame a idrogeno (intermolecolare): atomo di idrogeno interagisce con atomi elettronegativi (O, N, F, Cl). Causa una distribuzione asimmetrica permanente di carica, ad esempio nel caso dell’acqua, l’ossigeno tende ad essere negativo, l'idrogeno positivo e i due idrogeni si respingono.

Sia per legame di Van Der Waals sia per idrogeno si hanno bassa energia di legame, bassa temperatura di fusione, bassa densità e isolante termico ed elettrico.

Descrivere sinteticamente i vari tipi di legami interatomici e la loro influenza sulle proprietà più importanti delle 3 principali classi di materiali

I legami interatomici fondamentali sono 3: legame ionico, covalente e metallico.

• Il legame ionico avviene tra atomi con bassa energia di ionizzazione che tendono a cedere elettroni agli atomi con alta affinità elettronica, cioè con alta tendenza a prendere elettroni; si ha quindi il passaggio di elettroni da un atomo all’altro e si formano così degli ioni positivi e negativi. È un legame di tipo elettrostatico, quindi ciascun ione è legato a quello di segno opposto grazie a forze coulombiane e non è un legame direzionale in quanto l’energia di legame è la stessa in tutte le direzioni. Nel legame ionico gli ioni con carica analoga si respingono e questo ha un effetto importante sulla possibilità di deformare i materiali, perché questi avranno un comportamento fragile ed un'alta tendenza a rompersi facilmente. Se io sposto piani di ioni e avvicino ioni dello stesso segno, questi si respingono e ciò porta a deformazione del materiale e a rottura. Se invece, spostando piani di atomi, la posizione degli atomi resta quella di prima allora è possibile andare a deformare un materiale plasticamente, cioè in modo permanente. Nel legame ionico si hanno elettroni bloccati sugli ioni che non sono liberi di muoversi, quindi saranno dei materiali isolanti. Tipico dei materiali ceramici.
• Il legame covalente avviene tra atomi aventi simile affinità elettronica e potenziale di ionizzazione. Gli elettroni di valenza sono condivisi disponendosi su orbitali comuni, non ci sono elettroni liberi ed è un legame direzionale, conferisce ai materiali un’alta T di fusione. Si ha un isolante elettrico e termico. Nel legame covalente entrano in gioco le geometrie degli orbitali, la densità non è molto elevata e siamo di fronte a materiali fragili. Tipico dei materiali ceramici e polimerici.
• Nel legame metallico gli atomi sono così vicini che gli elettroni di valenza sono attratti dai nuclei degli atomi vicini, è un legame non direzionale, la presenza di elettroni liberi fa sì che i materiali siano buoni conduttori elettrici e termici. La duttilità e la malleabilità sono dovute al libero scorrimento reciproco dei piani reticolari. La presenza di legami forti determina anche l'alta densità.

Creep

È lo scorrimento viscoso a caldo, a sforzo costante la deformazione aumenta nel tempo. La deformazione in questo caso non è recuperabile. In generale è importante per temperature superiori a metà della temperatura assoluta di fusione.

Se applichiamo uno sforzo costante nel tempo e andiamo a vedere la deformazione, inizialmente si ha una deformazione istantanea poi vediamo che tale deformazione tende ad aumentare fino a poter provocare la frattura del materiale. In particolare, se per una temperatura inferiore a 0,4 raggiungo più o meno una deformazione costante, aumentando la temperatura vedo deformazioni maggiori prodotte sul materiale. Aumentare la temperatura significa diminuire la vita del materiale.

Con i fenomeni di creep si fanno due tipi di valutazione: valutare la velocità minima di allungamento, che è la corrispondente del tratto intermedio della curva di creep in funzione dello sforzo applicato e della temperatura. Valutazione relativa su quanto tempo serve per portare il materiale a rottura ad una certa temperatura per un certo sforzo.

Posso aumentare la temperatura per accelerare il processo e vedere cosa succede, oppure mi mantengo in un intervallo più piccolo ed estrapolo il comportamento in tempi più lunghi. Il creep impiega fenomeni di deformazione diversi, perciò non posso confidare in una semplice estrapolazione; quando si estrapolano i dati, dobbiamo stare molto attenti e quindi avere sotto controllo i fenomeni che influiscono sul comportamento del materiale.

Si introduce il parametro di Larson-Miller che lega la temperatura con il tempo a rottura in modo da avere una certa indicazione sul loro rapporto.

Descrivere cosa si intende per tenacità di un materiale e descrivere sinteticamente come può essere determinata

La tenacità è l’energia necessaria per la frattura di un materiale sotto carico statico; è una proprietà che indica la resistenza alla frattura di un materiale in presenza di intagli, cricche, o punti di concentrazione dello sforzo.

La tenacità può essere determinata dalla curva sforzo-deformazione ed è l’area sottesa da essa fino al punto di rottura, mi dice infatti quanta energia deve essere spesa per portare il materiale a rottura. Maggiore è l’area sotto la curva, maggiore sarà la duttilità. Un materiale tenace mostra sia elevata resistenza che duttilità. Uno dei metodi più semplici per misurare la tenacità è la prova di resilienza.

Descrivere la resilienza

La resilienza è l’energia necessaria per portare a rottura un materiale in condizioni di carico dinamico (cioè carico con alta velocità di deformazione, es. martellata), è quindi l’energia assorbita da un corpo durante la sua deformazione plastica.

Il modulo di resilienza è invece energia per unità di volume necessaria per arrivare allo snervamento in condizioni (quasi) statiche. La condizione di prova: il provino presenta un intaglio superficiale, l’intaglio mette lo sforzo in una regione localizzata, quindi la rottura avviene per flessione e rimane in campo elastico.

Mediante il pendolo di Charpy si possono realizzare prove di resilienza, si ha una specie di martello che viene portato in alto e poi fatto cadere in modo da farlo scontrare con un provino che ha un intaglio, in modo da far concentrare le forze in un punto. Ora se misuro la differenza tra altezza a cui era partito il martello e l’altezza in cui risale posso calcolare energia spesa per rompere il materiale.

Materiale che si rompe con una bassa resilienza porta il martello a risalire più o meno all’altezza da cui è partito, se invece il materiale ha bisogno di molta energia per arrivare a rottura allora il martello risalirà di poco. Prova di resilienza viene fatta anche per vedere la transizione duttile-fragile.

Quali sono i metodi per aumentare la resistenza meccanica - Descrivere sinteticamente come si formano i grani cristallini e come la dimensione dei grani influenza la resistenza meccanica di un materiale metallico. - Descrivi l’influenza di atomi presenti in soluzione solida sulla resistenza meccanica di un materiale meccanico. - Descrivere l’influenza di una seconda fase sulla resistenza meccanica di un materiale meccanico.

È possibile rafforzare un materiale metallico aumentando il valore dello sforzo critico di taglio necessario per dar luogo allo scorrimento (per rendere il materiale più duro e resistente); si può fare eliminando le dislocazioni ed evitare la loro formazione o creare degli ostacoli allo spostamento delle dislocazioni.

La durezza e la resistenza sono correlate alla facilità con cui si può verificare una deformazione plastica, riducendo la mobilità delle dislocazioni può aumentare la resistenza meccanica. Si può fare tramite; l’incrudimento, la presenza di una seconda fase, per effetto della dimensione del grano cristallino e soluzione solida.

• Incrudimento: Vedi la domanda dopo.
• Effetto della dimensione del grano: I grani cristallini si formano in due stadi: il primo è la nucleazione cioè la formazione di nuclei stabili, che può essere omogenea o eterogenea; il secondo stadio è la formazione di cristalli e di una struttura a grani, dove i nuclei accrescono formando cristalli che nel metallo solidificato prendono il nome di grani. La dimensione del grano ha influenza sulle proprietà meccaniche del metallo policristallino. Un materiale a grani fini è più duro e resistente di uno che ha grani grossi, in quanto i primi hanno maggiore sviluppo di bordi di grano per impedire il movimento delle dislocazioni. La riduzione della dimensione del grano migliora anche la tenacità di alcune leghe.
• Soluzione solida: Un’altra tecnica per aumentare la resistenza e la durezza dei metalli è quella di legarli con atomi estranei in modo da formare soluzioni solide interstiziali (atomo di soluto occupa i siti interstiziali del reticolo del solvente in modo casuale) e di sostituzione (atomi di soluto vanno a sostituire quelli del solvente nelle loro posizioni reticolari in modo casuale). Gli atomi estranei che entrano in un reticolo cristallino deformano la struttura degli atomi ospitanti intorno a loro. Questo causa delle tensioni nel reticolo che interagiscono con le dislocazioni, impedendone il movimento e rendendo il materiale più resistente.
• Seconda fase: Presenza di atomi diversi nel reticolo cristallino; i grani hanno dimensioni paragonabili o più piccole a quelli della matrice e sono dispersi in esso, avendo così l’indurimento per precipitazione dove la formazione di precipitanti in una lega metallica costituisce un ostacolo al movimento delle dislocazioni. Consente di rendere i materiali più resistenti tramite il rilascio controllato dei costituenti per formare aggregati di precipitato che aumentano la resistenza del componente. Le proprietà delle leghe a base di acciai inossidabili trattabili con indurimento per precipitazione possono essere migliorate mediante la selezione di parametri di trattamento termico appropriato. Esempi di leghe indurite tramite tale processo sono quelle alluminio-rame, rame-berillio, rame-stagno e magnesio-alluminio.

Che cosa si intende per incrudimento? Quali sono i suoi effetti sulle caratteristiche meccaniche di un materiale metallico?

L’incrudimento si verifica quando un metallo duttile viene deformato plasticamente, causando un aumento della durezza e della resistenza meccanica, ma una diminuzione della duttilità. Questo avviene perché la deformazione plastica induce uno spostamento e una moltiplicazione delle dislocazioni reticolari, che tendono a interferire tra loro e a bloccarsi, ostacolando ulteriormente il movimento delle dislocazioni stesse.

È una lavorazione a freddo, ossia a una temperatura inferiore a quella di ricristallizzazione, aumentando il numero delle dislocazioni, che si accumulano e formano una "foresta di dislocazioni". In questa condizione, il materiale richiede sforzi crescenti per deformarsi ulteriormente. Questo fenomeno si verifica, ad esempio, durante processi come la laminazione o altre lavorazioni meccaniche a freddo.

Gli effetti dell’incrudimento possono essere eliminati attraverso trattamenti termici di ricottura. Durante il trattamento termico, a una temperatura pa