Appunti Tecnologia dei materiali - prima parte

Tecnologia Materiali

• Materiali da costruzione (Bertolini L., II Ed. 2010)
• Il calcestruzzo Materiali e tecnologie (Alunni Ronseti V., McGraw-Hill)

La scelta dei materiali dipende dal comportamento che può essere migliorato.

Vi è una relazione tra:

• Processo produttivo → determina la microstruttura, le proprietà e le prestazioni.

Freccia (deformazione)

Diagramma di Hook

Microstruttura

Quantità di fase (%), dimensione, fase chimica

La definiamo attraverso le fasi costituente e sono le strutture

• Porzioni di materia omogenea delineate da superfici di separazione
• es.: cemento → acqua (fase gassosa)

Più la porosità è alta più il calcestruzzo è poco resistente, poca resistenza meccanica.

Non sempre svantaggio, dipende

Grafite e diamante → microstrutture con stessa composizione chimica ma legami differenti

Anche se più materiali hanno stessa composizione chimica, possono avere proprietà e caratteristiche differenti.

Tecnologia Materiali

Materiali da costruzione (Bertolini L., II Ed 2010)

Il calcestruzzo: Materiali e tecnologie (Almansi Rossetti V., McGraw-Hill)

La scelta dei materiali dipende dal comportamento che può essere migliorato.

Vi è una relazione tra:

• Processo produttivo → determina la microstruttura, le proprietà e le prestazioni.

Freccia

(Deformazione)

Diagramma di Hooke

Microstruttura

Quantità di fase (%), dimensione, fase chimica

La determiniamo attraverso le fasi costituente e sono le strutture porzioni di materia omogenea delimitate da superfici di separazione

Es.: Cemento → acqua (fase gassosa)

Più la porosità è alta più il calcestruzzo è poco resistente, poca resistenza meccanica.

Non sempre svantaggio, dipende

Grafite e diamante → microstrutture con stessa composizione chimica ma legami differenti.

Anche se più materiali hanno stessa composizione chimica, possono avere proprietà e caratteristiche differenti.

MATERIALI

• METALLI → legame metallico
• CERAMICA → legame ionico
• POLIMERI → legame covalente e legame ad idrogeno
• COMPOSITI → insieme di materiali

PROPRIETÀ MECCANICHE

TIPOLOGIE DI SFORZO

• COMPRESSIONE
• TRAZIONE
• FLESSIONE
• TAGLIO
• TORSIONE

Quando il MATERIALE è soggetto ad uno SFORZO si DEFORMA

TENSIONE σ = ^F/_A

1 MPa = 10⁶ Pa

1 kPa = 10³ Pa

DEFORMAZIONE ε = ^ΔL/_L0 (%)

DEFORMAZIONE

I DEFORMAZIONE ELASTICA:

possiamo RECUPERARE se togliamo la forza

LEGGE DI HOOKE (DEFORMAZIONE ELASTICA LINEARE)

La TENSIONE è proporzionale alla DEFORMAZIONE grazie alla relazione ELASTICA e al MODULO DI YOUNG o MODULO ELASTICO

TENSIONE:

σ = Eε

MODULO ELASTICO

MODULO YOUNG

MODULI ELASTICI:

• ACCIAIO: G 83 E 210 GPa
• CEMENTO: 30-50 GPa ZIC
• VETRO: 70 GPa ZIC 26
• ALLUMINIO: 25 70 GPa
• RAHEN: 16 GPa
• PAPPA: 2-3 GPa G 1,7
• TITANIO: 107 GPa

MODULO ELASTICO LINEARE

(LONGITUDINALE)

LEGGE DI HOOKE:

σ = Eε

E = σ/ε

MODULO ELASTICO NON LINEARE

(TANGENZIALE)

TAGLIO !!!

T = G = γ

F/A

Aρ/I

COEFFICIENTE DI POISSON: ≈ 0,3

γ = ν:

γ = -εγ/εx = -ετ/εx

E = 2G(1 + γ)

MATERIALE

• ACCIAIO
• CALCESTRUZZO
• ALLUMINIO
• VETRO
• PMMA
• TITANIO
• RAME

MODULO ELASTICO E LEGAME CHIMICO

DEFORMAZIONE ELASTICA è dovuta a FORZE ATTRATTIVE e REPULSIONE che nascono quando viene alterata la condizione di equilibrio (r=r₀).

Se due atomi vengono avvicinati, si hanno INTERAZIONI e raggiungo un minimo dell'ENERGIA DI SISTEMA dove si è in EQUILIBRIO. Se continuo ad avvicinarli si andranno a RESPINGERE secondo altre energie.

Se ragioniamo con le FORZE, l'EQUILIBRIO si ha quando: F_N = F_A + F_R = 0

le FORZE ATTRATTIVE o REPULSIVE tendono a RISTABILIRE EQUILIBRIO.

LEGAMI FORTI prevalenza maggiore e MODULO ELASTICO maggiore

LEGAMI DEBOLI prevalenza minore e MODULO ELASTICO minore.

DEFORMAZIONE PLASTICA: deformazione NON RECUPERABILE se il CARICO viene tolto

TENACIA: capacità di ASSORBIRE ENERGIA prima di giungere a ROTTURA

maggiore area che determina il maggior assorbimento di energia prima della rottura. Importante per sismica.

DUTTILITÀ: subisce grandi DEFORMAZIONI PLASTICHE prima della rottura

un materiale FRAGILE no ha DUTTILITÀ è determinato dal LEGAME CHIMICO.

RESTRIZIONE: avviene il RESTRINGIMENTO del campione

1. Metalli

(Duttile)

Grazie al legame metallico avendo nube elettronica negativa ed elettroni positivi, avviene lo scorrimento ed essendo gli elettroni mobili, possono allontanarsi.

2. Ceramici

(Cloruro di Sodio (NaCl))

In questo legame ci sono ioni di cariche opposte e quindi si avranno atomi con stesse cariche, quindi non ci sarà lo scorrimento in quanto si ha repulsione e quindi c’è la rottura.

Strizione

Avviene il restringimento della parte centrale del provino.

Nella curva ingegneristica non si tiene conto della strizione perché l’area iniziale con cui andiamo a calcolare non avrà più la stessa sezione, perché si deforma. Quindi si sostituisce l’area e si ottiene la curva ingegneri.

Solidi Cristallini e Amorfi

(dipende dalla disposizione degli atomi)

SOLIDI CRISTALLINI -> atomi disposti in modo ripetitivo -> ordine a lungo raggio

SOLIDI AMORFI -> no ordine a lungo raggio

ripetizionecella unitaria14 reticoli di Bravais

CCC cubica corpo centratoFe, Cr, W

CFC cubica facce centrateCu, Al, Ag, Au

EC esagonale compattaMg, Ti, Zn

1 atomo al centro del cubo

più atomi al centro del cubo

Polimorfismo e Allotropia

Uno stesso atomo può assumere diverse strutture cristalline.stessa sostanza

SILICE (SiO₂) può assumere 19 strutture cristalline a seconda della temperatura

1. Tamb -> quarzo-α (trigonale)Importante per materiali ceramici

2. >570°C -> quarzo-β (esagonale)

3. >870°C -> tridimite (esagonale)

4. >1470°C -> cristobalite (cubica)

FATTORE DI COMPATTAZIONE ATOMICA (FERRO)

A seconda della Temperatura a cui viene scaldato si divide in:

• FERRO δ (CCC)
• FERRO γ (CFC)
• FERRO α (CCC) NON MAGNETICO
• FERRO α (CCC) MAGNETICO

Importante per sapere i VUOTI e le DIMENSIONI degli INTERSTIZI.

Uno STESSO ELEMENTO può avere STRUTTURE DIVERSE a secondo della PRESSIONE e TEMPERATURA.

Fe (ferro) → ccc → cfc → ccc → liquido

DIFETTI RETICOLI CRISTALLINI

DIFETTI DI PUNTO

(MONODIMENSIONALI)

ho un reticolo cristallino in cui ho difetti, in quanto ho atomi in più o in meno.

Atomi interstiziali e vacanza quindi ho distorsioni nel reticolo

Soluzione solida sostituzionale

Soluzione solida interstiziale

IMPORTANZA DISLOCAZIONI

Le dislocazioni sono alle origini delle deformazioni plastiche.

SENZA dislocazioni: devono rompersi tutti i legami perché avvenga scorrimento → è necessario fornire una energia maggiore

CON dislocazioni: è sufficiente che si rompa 1 solo legame per volta → è necessario fornire energia minore

è sufficiente rompere un legame alla volta per far avvenire la dislocazione.

I materiali reali si rompono facilmente.

3. DIFETTI DI SUPERFICIE

Corso delle solidificazioni.

A mano a mano che la temperatura scende si espandono gli atomi e si toccano, questi grani si andranno così ad incontrarsi creando i bordi di grano.

Qui si sono squilibri creando zone più o meno reattive che creano corrosione partendo da quei bordi.

Materiali Multicristallini e Mono

Monocristallini: crescita dei cristalli

Densità Materiale

A seconda della struttura cristallina si è diversa densità.

• Prima:

  peso atomico

  Preale = _n × A × [n.atomi/mol] _[g/mol] ^{[n/m3] [n_atomi/mol]} = g/m³

  Vreale _NA

Non tiene conto dei pori → Pgeometrica = msecca/Vpeso

Preale = msecca/Vreale

Materiali non porosi

Pgeo = Psecca

Acciai

Diagrammi di fase

1 componente

2 componenti → limiti di solubilità

Diagrammi binari

T_A

% B

T_B

1. Completa solubilità

• solo soluzioni sostituzionali
• struttura cristallina
• differenza elettronegatività
• numero ossidazione

1. Parziale solubilità

• 3 regioni monofasiche: L, α, β
• 3 regioni bifasiche: (L+α), (L+β), (α+β)

Soluzione solida sostituzionale → sostituiamo un atomo con quello di un altro con propietà e raggio atomico simili

Raffreddamento di equilibrio

100% LIQUIDO

Diminuendo la percentuale di liquido, entrando nella fase solida, gli agglomerati di α diventeranno più grandi con una ridistribuzione delle particelle all'interno della materia.

Raffreddamento di non equilibrio

Vi è una RIDISTRIBUZIONE uno spostamento di atomi nella FASE SOLIDA. Tra le fasi avvengono per diffusione. — molto lenta

In CONDIZIONE DI NON EQUILIBRIO, la velocità non più rapida e non c'è tempo per far avvenire un riequilibramento della composizione.

I GRANI saranno più grandi e si nota SEGREGAZIONE a causa della velocità con cui si raffredda con condizioni di Non Equilibrio

TEMP. FUSIONE ALTA → ALTOFONDENTE → CENTRO → STRUTTURA A NOCCIOLO ↔ ESTERNO → BASSOFONDENTE → TEMP. FUSIONE BASSA

ricco di elemento che solidifica prima     ricco di elemento che solidifica dopo

DIAGRAMMI BINARI A PARZIALE SOLUBILITÀ

PUNTO EUTETTICO: "punto dove fondo bene", punto a più bassa temperatura quindi posso avere liquido.

COMPOSIZIONE EUTETTICA: quando raggiungo il punto eutettico, poco più sotto ottengo una STRUTTURA BIFASICA LAMELLARE (α, β) quindi si sono lamelle costituite di α e β.

• 1°
• 2°
• 3°

Le LEGHE EUTETTICHE sono formate da LAMELLE perché quando cala la TEMPERATURA, per un certo tempo ho liquido con α e β e in seguito solo α e β (senza liquido), formando LAMELLE tutte ramificate.

EUTETTICO

passo da avere solo fase liquida a solo fase solida α + β

EUTETTOIDICO

passo da avere solo fase liquida a fase solida α + β con LAMELLE

PERITETTICO

forma diagramma è l’opposto, parto da REGIONE BIFASICA, quindi sia liquido che GRANI e passo ad una sola FASE, SOLIDA.

PERITETTOIDICO

parto da DUE FASI SOLIDE, BIFASICA e attrargo una REGIONE MONOFASICA di liquida.

Acciaio

Soluzione solida interstiziale del ferro dove il carbonio è presente in una percentuale minore del 2%.

Processo produttivo

• Altoforni → aiutiamo a mettere i minerali ferrosi che vengono fusi.

  Forno ad arco → aiutiamo a mettere rottami di ferro e con gli elettrodi si riscaldano e riescono nuovi acciai.

Altoforni

Mettiamo minerali ferrosi e attraverso il carbone (calcare) giungendo ad una temperatura di 1600°C aiutiamo a dividere l'ossigeno, facendo reagire il monossido di carbonio con l'ossido di ferro producendo CO₂.

• Divido ferro da ossigeno

Facciamo reagire carbonio con ossigeno.

Carbonio elimina il monossido di carbonio.

Si usa la loppa come sotto prodotto che ha buone proprietà leganti che viene per questo utilizzato nel cemento.

Produzione ghisa primaria → Acciaio liquido

C > 2% ≈ 4%

Questa loppa liquida galleggia sopra la ghisa liquida dove quest'ultima viene prelevata dall'altoforno.

Viene trasportata ad affinare, dove viene ridotta la percentuale di carbonio aggiungendo ossigeno ed alta temperatura che reagendo con il carbonio, crea CO₂ e diventa acciaio in quanto il carbonio cala sotto il 2%.

Si produce con acciaio liquido che viene versato in stampi (lingottiere).

Per produrre lamiere, cavi, travi, si può lavorare l'acciaio in diversi modi:

• 1 a caldo
• 1 a freddo

• Deformazione plastica

Ghisa ⇒ Carbonio 2% < C < 4%

DIAG

Ferro-Cementite → perlite Fe₃C è formato da Ferro e Ξ X

CC

0,68

9,72

ICA =

V atomi

V cel

FERRO CCC = α

FERRO CFC = γ

Ξ → EUTETICO

(Leghe)

EU → EUTETOIDICO

(F_ex + Fe₃C)

P_acc = 7,85 g/cm³ → 7850 kg/m³

FERRITE α

• Densità analoga
• Tenera e Duttile
• +TMB Magnetica
• ρ = 7,88 g/cm³

AUSTENITE γ

• Stabile 727 ° -1430 °
• Non Magnetica
• ρ = 7,91 g/cm³

CEHENTITE Fe₃C

• è dura e fragile.
• è una fase metastabile — con il tempo si
• scinde in Ferro e Ferrite
• (Fe_x + C)

LEGGHE EUTENOIDICI

1.

2.

3.

4.

GLOBULI Fe_x

8.

RAFFERDO: Gli atomi di C si impastano.

Se gli atomi di C formano un tragitto breve,

creano Lamelle - Fe_x e Fe₃C o

→ rimane Fe₃C (8) più grande

[RAPPORTO 8:1]

Comportamento Meccanico

^θ (MPa)

ε (%)

linea netta

TRATTO ELASTICO

(LINEARE)

• deformazione RECUPERABILE
• gli atomi di ferro si allontanano applicando un carico ma attraverso il loro legame chimico si attraggono quanto togliamo il carico stesso.
• LEGGE DI HOOKE: σ = E ε
• (y = mx)
• E = 210 GPa
• = 210000 MPa

SNERVAMENTO:

• tratto dove inizia la DEFORMAZIONE PLASTICA (irreversibile).
• Sucede a causa delle DISLOCAZIONI (atomi non al posto giusto, difetti della superficie).

DISLOCAZIONE A SPIGOLO

Lo SCORRIMENTO (DEFORMAZIONE PLASTICA) avviene con FACILITÁ

Iniziamo a nominare i grani che si influenzano tra loro e la ε aumenta.

Denti di sega si dice quando i grani disposti a 45° scorrendo vanno a deformare i grani più grandi.

TRATTO PLASTICO

A seguito dell'AUMENTO DELLA DEFORMAZIONE, il carico ricomincia a crescere a seguito del TRATTO DI SNERVAMENTO e cresce a causa degli SCORRIMENTI.Dislocazioni (tutte si muovono, si incastrano e le deformazioni cessano).Inizia così il TRATTO PLASTICO (CURVA INGEGNERISTICA) dove il carico cresce e si verifica la ROTTURA.

CURVA REALE STRIZIONE€/A

AUMENTO DELLA RESISTENZA

Se blocco lo SCORRIMENTO, aumenta la RESISTENZA

1. ACCIACI INCRUDITI: acciai che hanno valori di RESISTENZA maggioriQuando lo carico l'andamento della curva ha già subito il tratto elastico quindi è molto più fragile, ha perso DUTTILITÀ → a noi serve l'acciaio che resista alla DEFORM. PLAST.

1. ATOMI INTERSTIZIALI:aggiunto C all'acciaio Gli atomi di C che sono in più costituiscono ostacolo per il moto delle dislocazioni in quanto le blocca ed aumenta la RESISTENZA perché dono aumento carico.Però ho minore DUTTILITÀ.→ a noi serve l'acciaio che resista alla DEFORM. PLAST.