Appunti Scienza dei materiali e metallurgia - prima parte

I MATERIALI

priorità senza della quale ogni oggetto è composto

I materiali sono fondamentali per la vita dell’uomo. Vengono impiegati negli ambiti più svariati. Scienza dei materiali si basa su chimica, fisica e ingegneria e riguarda la progettazione, produzione ed uso dei vari materiali. Infatti è una scienza giovane.

Biomateriali – stanno a contatto con i fluidi umani per svolgere particolari funzioni, come protesi.

Studia la struttura microscopica dei materiali, si sono sviluppate quindi una chimica e una fisica dei materiali. Le proprietà microscopiche possono essere collegate a quelle macroscopiche. Per capire le proprietà di un materiale si possono eseguire numerosi test che evidenziano le proprietà macroscopiche. Vi sono norme che stabiliscono i parametri d’utilizzo di vari prodotti.

Proprietà importanti di un materiale: composizione chimica del materiale, disposizione atomica o molecolare (configurazione cristallina o amorfe).

forma regolare nello spazio → forma molto irregolare

Quindi importantissima è la relazione tra la struttura dei materiali e le loro caratteristiche.

I materiali che ci circondano sono stati classificati per via empirica (la scienza dei materiali ne spiega le proprietà) e altri grazie alla scienza dei materiali (come semiconduttori, superconduttori).

Esigenza di nuovi materiali che coniughino le esigenze relative a costo, smaltimento e utilizzo.

Silicio: elemento principale che costituisce il vetro e le ceramiche in generale. Ferro alla base della costruzione dell’acciaio.

Produzione e lavorazione dei materiali → parte importante dell’economia

responsibilità della scelta dei materiali = ingegneri a seconda delle applicazioni

Scienza dei materiali → conoscenza di base → tecnologia → conoscenza proprietà e struttura → applicazione a seconda dello scopo.

I materiali metallici si possono combinare con elementi non metallici, e con uno o più metalli. Normalmente si usano miscele di uno o più elementi, tranne quelli utilizzati per scopi diversi come quelli elettrici e il flame. La maggior parte dei metalli è presente in natura sotto forma di ossido e solfuro, che rappresentano gli stati stabili di molti metalli. I metalli sono inorganici e hanno una struttura cristallina, sono buoni conduttori termici ed elettrici. Si suddividono in leghe ferrose e non ferrose.

Leghe leggere: alluminio, titanio e magnesio - ulteriore suddivisione delle leghe ferrose.

Materiali polimerici (o plastiche) - è il materiale più recente, sono molecole organiche per lo più con una struttura non cristallina e vengono usati come isolanti.

Materiali ceramici - sono elementi metallici e non, sono inorganici e possono essere sia cristallini che non (esempio di materiali amorfi, senza reticolo cristallino: vetri). Importante è la loro resistenza all'usura (per questo si usano come i coprimenti dei metalli). Rivestimento camini - prefabbricati. Sono poco conduttori a livello termico ed elettrico.

Materiali compositi - miscela (i componenti sono distinguibili l'uno dall'altro) di due o più componenti. Sono di due tipologie: fibrosi o particolati.

Materiali per l'elettronica - sono a base di semi-conduttori drogati.

Supermetalli - utilizzati per aumentare l'efficienza del motore.

Materiali intelligenti - reagiscono agli stimoli ambientali.

Leghe metalliche biodegradabili

Diagrammi di Ashby - y = modulo di Young x = densità - aree bianche sono il rapporto tra la resistenza meccanica e la densità, aiutano la scelta in base alle caratteristiche che si vogliono

Conduttività metalli 10-500 W/mK

RETICOLI CRISTALLINI

I reticoli cristallini = struttura ordinata degli atomi che si ripete nello spazio. Il fisico che ha descritto questi modelli è stato Bravais. Una cella unitaria è una sequenza che si ripete nello spazio, i vertici vengono chiamati punti reticolari. Un solido varia dall'altro per le distanza interplanari, tipologia e quantità di atomi. Bravais ha capito che i sistemi cristallini sono 7 e i reticoli sono 14. Sistema cubico (atomi ai vertici di cubo): semplice, a corpo centrato, a facce centrate. Sistema esagonale (base esagonale). Sistema tetragonale (parallelepipedo): semplice, a corpo centrato. Sistema ortorombico: semplice, corpo centrato, basi centrate, facce centrate - in questo cambiano gli angoli, la base non è un quadrato. Sistema romboedrico. Sistema monoclino (le facce sono inclinate): semplice e basi centrate. Sistema triclino. La simmetria che si ripete nello spazio è la caratteristica fondamentale. Un cristallo è la somma reticolo + base. Qui si inizia a dare una definizione di impacchettamento:

• non densa, random esempi di sostanze che fanno ciò sono i metalli
• densa, regolare

Elevato impacchettamento è dovuto: 1) se e pari o raggi atomoici non tutti uguali, 2) il legame è non direzionale. 3) le distanze gli atomi adiacenti tendono ad essere piccole per diminuire l'energia di legame in direzione di massimo impacchettamento fra i metalli: cubica semplice (molto rara perché non è molto impacchettata, numero di coordinazione=6); cubica a corpo centrato (atomi ai vertici del cubo e uno al centro, direzione lungo la quale ho la minima distanza tra gli atomi = diagonale, numero di coordinazione=8); cubica a facce centrate (atomi ai vertici, più ai centro di ogni faccia; diagonali delle facce = direzioni di massimo impacchettamento, numero di coordinazione = 12), esagonale compatta (atomi ai vertici dell'esagono, sul centro delle basi e 3 facce, numero di coordinazione = 12)

Numero di coordinazione

Quantità atomi sono vicini tra loro. Fe - α, Fe - δ parametro reticolare diverso, in funzione ai T (Ccc) L f11 più basse Fe - γ= temperatura intermedio (Cfc) Le costanti reticolari sono le dimensioni caratteristiche tipiche della cella unitaria e variano da 2 a 6 Å r = raggio atomico a₀ = parametro reticolare sc = √2a = 2r FCC = √2a = 4r/√12 BCC = √3a = 4r/√3

MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO

La presenza delle dislocazioni, rimpia la deformabilità. Se il numero di dislocazioni aumenta troppo, lo scorrimento è impedito (come nel caso nel quale rimano troppo poche).

Alligazione = formazione di un materiale che non è più puro, combinazione di specie diverse (questo spiega perché le leghe sono più resistenti).

Nei metalli il moto delle dislocazioni è facile e avviene nella direzione di massimo impacchettamento. I ceramici sono molto fragili e non deformabili.

Il modulo di Young = collegato alla forza applicata e la deformazione plastica permanente. Rafforzamento = metodi che aumentano il limite elastico. Lo si ottiene ostacolando lo scorrimento

Alla temperatura ambiente, le vacanze hanno un effetto rafforzante, tendono a raggrupparsi (CLUSTER).

Sforzo necessario quando voglio ottenere una data deformazione = aumento lo sforzo e di conseguenza anche la deformazione (le raffreddi lentamente un sistema, che era stato scaldato per aumentare le vacanze, quando le hai hai un numero di vacanze inferiore rispetto a Talte, e lo raffreddi veloemente # vacante Talta = # vacante Ta). Il materiale raffreddato lentamente è più deformabile di quello temprato, ha una resistenza più alta.

Esempio di come si può aumentare il # di vacanze = bombardamento con particelle nucleari dislocazione a livello chimico della forma embrionale

Maggiori sono le vacanze, maggiore è la resistenza.

Resistenza = carico di snervamento. Nella minima resistenza c’è una certa densità delle dislocazioni, che mi dà la massima deformabilità Lo si incendiano di sotto di un certo valore (parte trattogata) non è più possibile deformare.

Se vuoi continuare a deformare devi aumentare sempre più lo sforzo Se modifio la perfezione cristallina, la aumento, la resistenza diminuisce.

Massima deformabilità = con un trattamento termico lo puoi raggiungere , che ti riporta ad una densità di dislocazione lineare riduttoria.

Aumento delle dislocazioni = aumento di energia, lotto forma di tetrato tensionale

caratteristiche meccaniche = risposta di un provino alle prove di resistenza Relazione tra lo sforzo applicato e le conseguenze dipendono dal materiale usato.