Appunti Tecnologie dei materiali

Comportamento meccanico nel caso ionico:

quando si deforma un materiale nel caso del legame ionico si spostano piani di ioni. Se si sposta la fila superiore

di ioni rispetto a quella di sotto in modo orizzontale, si fa in modo che lo ione si sposti di una posizione e vada

ad avvicinarsi ad uno ione dello stesso segno: il risultato macroscopico è la rottura. Se si spostano gli ioni in

modo obliquo, il legame si rompe e poi si riforma. In certe direzioni il solido ionico non è deformabile e quindi

si rompe, mentre in altre direzioni si può deformare plasticamente in modo permanente. Il materiale ha quindi

caratteristiche di fragilità. Le energie di legame sono abbastanza elevate e queste comportano temperature di

fusione che sono relativamente alte.

Riassumendo quindi:

-energia di legame alta, ovvero la forza del legame è elevata;

-non ci sono ioni liberi: materiale isolante elettrico e termico;

-disposizione degli ioni vincolata nello spazio;

-bassa densità;

-materiale duro con caratteristiche di fragilità.

Legame covalente

Siamo in presenza di atomi che hanno la stessa tendenza a prendere e cedere elettroni, ovvero hanno valori

circa uguali di affinità elettronica e di potenziale di ionizzazione. Gli elettroni tendono ad essere condivisi dai

due nuclei andandosi a disporre su orbitali comuni sugli atomi. Si formano orbitali molecolari.

Se gli orbitali hanno una forma simmetrica le cose vanno bene, ma se sono fortemente orientati nello spazio le

cose si complicano. Gli orbitali per combinarsi devono avere più o meno energia dello stesso ordine, si devono

poter sovrapporre e devono poter avere caratteristiche di simmetria analoghe. Il legame è quindi direzionale,

se viene rotto si riforma con grande difficoltà. 2 3

Il carbonio forma orbitali ibridi, ovvero hanno forma intermedia tra orbitali s e p (sp, sp e sp ).

Il legame covalente ha alte energie di legame, quindi elevate temperature di fusione, sono isolanti elettrici e

termici, hanno una bassa densità, sono duri e fragili.

Legame metallico

Si hanno atomi così vicini che gli elettroni di valenza sono attratti dai nuclei degli atomi. Si creano ioni positivi

da un “mare” di elettroni che si possono muovere liberamente nel cristallo. Il legame non è

circondati

direzionale. Gli elettroni liberi fanno da schermo e da collante. Si può avere deformabilità del materiale elevata

all’effetto schermo-collante

perché grazie si possono far scorrere piani di ioni gli uni rispetto agli altri senza

distruggere completamente il legame. massa con spazio libero

La densità è alta ed è dovuta alla presenza degli atomi di metalli che hanno un’elevata

ridotto.

L’energia di legame è relativamente alta (più bassa rispetto agli alti), ha una temperatura di fusione abbastanza

è un conduttore elettrico e termico, ha un’alta densità ed è un materiale deformabile.

alta,

Legami deboli

Sono legami dipolari. Gli atomi sono globalmente neutri e hanno una distribuzione simmetrica delle cariche,

ma ci possono essere situazioni in cui non si ha simmetria di carica e si forma un dipolo (es. gas nobili). Si può

permanenti all’interno di molecole in cui si crea un eccesso di

avere la formazione di dipoli carica positiva da

una parta e un eccesso di carica negativa dall’altra. Si crea un legame dato da forze di tipo elettrostatico. I

batteri possono aderire alla superficie dei biomateriali attraverso le forze di Van der Waals. Se la superficie

del materiale è molto liscia i batteri aderiscono bene e formano il biofilm, diventando resistenti agli antibiotici.

Si ha bassa energia di legame e quindi bassa temperatura di fusione, non ci sono elettroni liberi.

Legame ad idrogeno

È un legame covalente tra atomi molto piccoli e molto elettronegativi (ossigeno, azoto, fluoro, cloro) e

idrogeno. Gli atomi elettronegativi tendono a trattenere l’elettrone dell’atomo di idrogeno e si crea una

distribuzione asimmetrica della carica. È mediamente più forte del legame dipolare, quindi dove si stabilisce

si hanno materiali più resistenti. Lezione 3, 28 settembre 2022

Struttura cristallina

In una struttura cristallina le proprietà sono fortemente condizionate dalla direzione. Un singolo cristallo ha

proprietà anisotrope, in cui la risposta del materiale dipende dalla direzione di applicazione della sollecitazione.

Un materiale amorfo ha proprietà isotrope, in cui il comportamento del materiale non dipende dalla direzione

di applicazione della sollecitazione. La struttura cristallina è formata da cristalli, ovvero architetture in cui gli

atomi sono disposta in maniera regolare e periodica nello spazio per una distanza molto maggiore della distanza

interatomica. La dimensione di un cristallo varia tra il micron e un centinaio di micron. La ripetizione della

stessa disposizione di atomi per un certo numero di volte forma la cella elementare.

La cella elementare ha due ruoli fondamentali:

-dare la geometria;

la posizione degli atomi all’interno della struttura geometrica.

-individuare

La cella elementare non ha una posizione fissa nello spazio perché nella realtà gli atomi vibrano ed oscillano

intorno alla posizione di equilibrio.

I reticoli di Bravais descrivono i cristalli presenti in natura attraverso sette sistemi cristallini e quattro tipi

fondamentali di disposizione degli atomi.

Si possono avere:

-cristallo cubico a corpo centrato: si ha un atomo aggiuntivo al centro del cubo. Consente un maggior

degli atomi, ovvero contente di abbassare l’energia del sistema e quindi essere migliore dal

impaccamento

punto di vista termodinamico. Gli atomi occupano il 68% dello spazio;

-cristallo cubico a facce centrate: al centro di ciascuna faccia si ha un atomo aggiuntivo. Consente di avere il

massimo impaccamento di atomi (tutti della stessa dimensione). Gli atomi occupano il 74% dello spazio;

esagonale, con un atomo al centro dell’esagono e tre atomi a

-cristallo esagonale compatto: è un prima a base

metà del prisma. È una struttura ad alto impaccamento, infatti gli atomi occupano il 74% dello spazio

disponibile. fattore d’impaccamento (74%).

La struttura cubica a facce centrate e quella esagonale compatta hanno lo stesso

Questo perché hanno i primi due piani di atomi uguali e poi si differenziano nel terzo piano: se gli atomi si

dispongono negli spazi vuoti sempre nello stesso modo si forma una struttura cubica a facce centrate, mentre

se gli atomi si dispongono in modo alternato negli spazi vuoti allora si forma una struttura esagonale compatta.

I monocristalli sono strutture formate da un solo cristallo macroscopico. In questo caso le proprietà

macroscopiche del cristallo dipendono dalla direzione di applicazione della sollecitazione (proprietà

policristallina è formata da tanti cristalli uno accanto all’altro. In questo caso i singoli

anisotrope). La struttura

cristalli sono diretti in direzioni diverse le une rispetto alle altre. Il risultato è che la risposta del materiale è

diversa in funzione dei singoli cristalli e quindi si ottiene un materiale con proprietà isotrope. Non tutti i

materiali hanno la stessa struttura cristallina: esistono materiali che hanno la stessa composizione ma diversa

disposizione nello spazio e in questo caso si parla di polimorfismo.

Difetti

In un cristallo reale è sempre presente un certo numero di difetti che non disturbano l’ordine a lungo raggio. I

difetti condizionano le proprietà tecnologiche del materiale e possono essere classificati in:

-difetti di punto: si concentrano intorno ad una posizione reticolare;

-difetti di linea: si concentrano su una linea di atomi;

-difetti di piano: coinvolgono piani reticolari.

c’è qualcosa in meno o più rispetto ad una posizione reticolare e sono:

Nei difetti di punto

-vacanza: atomo che manca in un sito atomico. La posizione può essere occupata da altri atomi, permettendo

un relativo movimento degli atomi. Il numero delle vacanze aumenta all’aumentare della temperatura (sfruttato

nella diffusione); atomo in più all’interno

-atomo interstiziale: del reticolo. Provoca una distorsione del reticolo e gli atomi

intorno alla distorsione hanno un’energia mediamente più alta rispetto agli atomi lontani;

Nei solidi ionici si possono avere:

-doppia vacanza (difetto di Schottky): doppia mancanza dello ione positivo e ione negativo;

-difetto di Frenkel: uno ione positivo va ad inserirsi in un sito interstiziale nel cristallo ionico. Possono

conducibilità ionico visto che c’è un movimento di ioni.

consentire una certa

I difetti di linea sono quelli che provocano distorsioni del reticolo concentrate attorno ad una linea. Sono:

si ha l’inserimento di

-dislocazione a spigolo: data una serie di piani di atomi, ad un certo punto del cristallo

mezzo piano aggiuntivo di atomi che provoca una distorsione;

-dislocazione a vite: si ha un taglio del cristallo e poi uno scorrimento laterale. La disposizione degli atomi

rispetto alla linea di taglio è a elica;

I difetti di piano sono distorsioni del reticolo legate ad un piano e sono:

-bordo di grano: nella zona di confine gli atomi hanno una disposizione che non è quella ottimale; quindi, si

ha un cattivo impaccamento degli atomi ed un’elevata presenza di difetti. La zona di bordo grano è più reattiva

al centro; quindi, reagisce prima se per esempio si usano agenti chimici;

-superficie: gli atomi in superficie non sono legati al massimo numero di atomi possibile e questo condiziona

le proprietà del materiale.

Come si analizza la microstruttura?

Solitamente si usa il microscopio ottico. Il problema dei metalli è che, essendo opachi, non lasciano passare la

luce visibile e quindi per rendere visibile la loro microstruttura si devono fare delle operazioni:

-avere la superficie il più liscia possibile;

-una volta ottenuta una superficie a specchio, si usano attacchi chimici che mangiano la zona di bordo grano.

In questo modo si riesce a vedere la microstruttura del materiale.

Il microscopio ottico riesce a vedere solo fino a un migliaio di ingrandimenti e permette di vedere solo

superficie piane. Per vedere ingrandimenti maggiori o superfici non perfettamente piane si può usare il

microscopio a scansione elettronica. Nel microscopio ottico si lavora con la luce, mentre nel microscopio a

scansione elettronica si usano fasci di elettroni che permettono di avere una maggiore tridimensionalità del

materiale e di vedere microstrutture più fini.

Un’altra tecnica che può essere usata è quella della diffrazione a raggi X. Permette di avere informazioni sulla

forma e sulla dimensione della cella elementare e sulla disposizione degli atomi. Di solito si fa interagire il

materiale con un fascio di raggi X che ha una lunghezza d’onda confrontabile con il passo reticolare.

Proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche sono: modulo di elasticità, sforzo a snervamento, sforzo a rottura, allungamento

percentuale a rottura, resilienza, tenacità a frattura e durezza. Le proprietà meccaniche sono una risposta

quantificabile del comportamento del materiale quando è soggetto ad azioni meccaniche. Questa risposta viene

determinata da prove specifiche, fatte in diverse condizioni: carico quasi statico (non cambia nel tempo), carico

dinamico, carico ciclico, ad alta temperatura, localizzate. Le prove sono delle modalità di svolgimento di

delle norme: per l’Italia si hanno le norme

applicazioni di una sollecitazione al materiale. Le prove seguono

UNI con estensione europea (EN).

Le sollecitazioni a cui può essere soggetto un materiale sono:

-trazione e compressione: nella sollecitazione a trazione si ha un aumento della lunghezza, mentre nelle

sollecitazioni a compressione si ha una diminuzione della lunghezza. Si hanno sforzi perpendicolari rispetto

alla superficie;

si definisce lo sforzo di taglio τ, la forza di taglio F fratto l’area su cui sta agendo la forza. In questo

-taglio:

caso la deformazione è data dalla variazione di lunghezza d fratto la distanza tra le due facce su cui stanno

forze (angolo θ);

agendo le

-flessione;

-torsione.