Appunti di Metallurgia e materiali non metallici

Metallurgia e Materiali Non Metallici

Materiali - classificazione in base alla struttura atomica/composizione chimica

Metalli e Leghe Metalliche

• Elementi metallici
• Legame metallico
• Buona conducibilità elettrica e termica
• Densità elevata
• Resistenza e duttilità elevate

Materiali Polimerici

• Composti organici con struttura molecolare molto grande
• Bassa densità
• Proprietà su un vario molto elevata

Materiali Ceramici

• Composti tra metalli e non metalli (parzialmente ionici)
• Resistenti alle alte temperature e agli ambienti corrosivi
• Durezza elevata ma fragilità elevata
• Isolanti termici ed elettrici

Materiali Compositi

• Costituiti da: matrice -> appartenenti anche a diverse classi, rinforzo

Semiconduttori

• Intermedi tra conduzione ed isolanti elettrici
• Proprietà fortemente dipendenti dalle impurezze presenti

Biomateriali

• Materiali che possono essere utilizzati all'interno o in contatto con il corpo umano

→ Altre suddivisioni dei materiali in base a proprietà:

• Meccaniche
• Termiche
• Elettriche
• Ottiche
• Magnetiche
• Resistenza al degrado

Scelta del materiale:

• Proprietà richieste
• Costo, impatto ambientale
• Design
• Processo di produzione

Materiali metallici

• i solidi possono presentarsi come:
  • amorfi
  • cristallini
    • monocristallini
    • policristallini

costituiti da molti cristalli o grani (separati da bordi di grano).

1. Legame metallico:
   • non direzionale → struttura compatta
   • numero di coordinazione elevato
   • distanza interatomica

La rigidità di un materiale è legata a

dF/dr

Proprietà macroscopiche collegate all'energia di legame

• Temperatura di fusione
• Il coefficiente d'espansione termica lineare

dF/dr → aumenta modulo di elasticità lineare E

Cristallografia

• Reticoli cristallini (forme)
  • Cubico a facce centrate (CFC, FCC, CCP)
  • Cubico a corpo centrato (CCC, BCC)
  • Esagonale compatta (EC, HCP)

CFC

• {111} a/3 ⇒ max
• {100} a/2
• {110} a/2√2

CCC

• {111} a/2√3
• {102} a/2
• {110} a/√(2√2)

• I piani maggiormente distanti sono quelli di massima densità atomica.
• Il massimo scorrimento si ha su piani distanti tra loro.
• I cristalli sono formati tra bod.

Sistemi di scorrimento: piano + direzione di scorrimento

• Massima scorrimento ha
• Nelle direzioni di massima densità atomica (entrambi allo stesso momento)
• Su un piano di massima densità atomica

CFC: 12 sistemi di scorrimento (3 direzioni per 4 piani)

CCC: 12 sistemi di scorrimento (2 direzioni per 6 piani)

EC: 3 sistemi di scorrimento (solo il piano di massima densità)

Lacune cristalloide, difettate. Zone vuote nella cella elementare dove si pongono gli atomi interstiziali.

• Il raggio massimo della sfera contenuta in tali spazi dipende dal tipo di interstizio e dal tipo di reticolo.

Per ogni cella elementare si possono formare lacune:

• Lacune ottaedriche
• Lacune tetraedriche

CCC

• Ottaedrica
• 1 al centro di ogni faccia
• 1 per ogni spin.omelo

CTC

• Ottaedrica
• Tetraedrica
• 1 al centro
• 1 per ogni spin.omelo
• 3 su ciascuna diagonale

• Sollecitazioni
  • assiali
    • trazione
    • compressione
  • non assiali
    • torsione
    • flessione
    • taglio

Sollecitazioni assiali

= F_n / A_o

A_o: area del provino prima di essere sottoposto a sollecitazioni

verso: trazione (uscente) compressione (entrante)

[MPa]

Deformazione ingegneristica assiale

ε = (l - l_o) / l_o = Δl / l_o

bs: concettualmente la forza è ciò che si "applica" al corpo, mentre lo spostamento è ciò che il corpo "subisce"

Sollecitazioni di taglio

= F_t / A_o

direttore: tangente alla superficie

verso: si perde

Deformazione tangenziale ingegneristica

γ = tan θ

es. Sollecitazioni assiali nella flessione

• massimi sulla superficie

Sollecitazioni di taglio nella torsione

• massimi in superficie

Sotto l'azione di sforzi di taglio, i cristalli si deformano in modo

Elastica

• bassi valori di γ
• si annulla al diminuire dello sforzo

Plastica

• elevati valori di γ
• rimane al diminuire dello sforzo

=>

• reticolo perfetto

• modo correlato ordine di atomi nella deviazione

• reticolo con dislocazione
• si muovono solo gli atomi della dislocazione a i bassi

• Curva σ_reale - Ɛ_reale
• Sforzo reale σ_R = F_i / A_i = σ (1+Ɛ)
• A_i: sezione istantanea
• Deformazione reale: Ɛ_R = ln(1+Ɛ)

dove σ e Ɛ sono valori ingegneristici

• NB: σ_R > σ
• Ɛ_R < Ɛ

Descrizione dell'incrudimento

Tra lo snervamento ed il carico unitario massimo la curva viene descritta approssimativamente con la curva di equazione:

σ_R = K(Ɛ_R)ⁿ

dove n è detto indice di incrudimento (pendenza della retta interpolante i dati sperimentali riportati in un diagramma doppio-logaritmico)

• NB: generalmente CFC -> n elevato
• CC -> n basso

Tenacità: capacità di un materiale di assorbire energia fino al raggiungimento della rottura → area sottesa alla curva σ_R-Ɛ_R

∫ σdƐ

NB: tenacità ≠ duttilità, però l'inverso è fragilità per entrambi

Meccanismi di Rafforzamento

I materiali si rafforzano (si induriscono) perché aumenta la resistenza alla deformazione plastica (determinata dello scorrimento di dislocazioni) → per rafforzare bisogna ancorare, ostacolare e ε (sforzo di taglio risolto per il moto di dislocazioni) e attrizione ed ostacolano il moto

• meccanismi di rafforzamento:
  • formazione di soluzioni solide
  • affinamento del grano cristallino
  • incrudimento
  • presenza di fasi particelle

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