Domande di Tecnologie dei materiali - Prima parte

Proprietà delle 3 classi principali di materiali

Metalli: sono costituiti da atomi metallici disposti in una struttura cristallina ordinata e ad alta densità di

compattazione. Il legame predominante è quello metallico, di tipo non direzionale: gli elettroni di valenza

formano una nuvola mobile che circonda gli ioni positivi. Questa mobilità elettronica conferisce elevata

conducibilità termica ed elettrica, mentre la capacità degli atomi di scorrere rende il materiale duttile e

deformabile plasticamente. Presentano temperature di fusione medio alte. Per ottimizzare le

caratteristiche meccaniche e chimiche, si utilizzano spesso le leghe.

Polimeri: sono macromolecole organiche basate su lunghe catene di carbonio e di idrogeno (più O, N, Cl,

ecc), tenute insieme da forti legami covalenti intramolecolare e legami secondari più deboli tra le catene.

Si classificano per origine o per comportamento termico: termoplastici, termoindurenti ed elastomeri.

Generalmente offrono bassa densità, resistenza alla corrosione e isolamento elettrico e termico. Tuttavia,

presentano basse proprietà meccaniche, soffrono il fenomeno dello scorrimento viscoso (creep) e hanno

una limitata resistenza alle alte temperature.

Ceramici: materiali inorganici composti da elementi metallici e non metallici. La struttura può essere

cristallina, amorfa o mista. Cono caratterizzate da legami forti (ionici e covalenti) che conferiscono elevate

temperature di fusione, grandi rigidità, durezza e resistenza alla compressione; al contrario, sono materiali

intrinsecamente fragili. Dal punto di vista funzionale, sono eccellenti isolanti termici ed elettrici e

presentano un’ottima inerzia chimica.

Sforzo a snervamento di un materiale, come di determina

Lo sforzo a snervamento (σ ) rappresenta la soglia di transizione tra il comportamento elastico e quello

y

plastico di un materiale. Finché lo sforzo applicato rimane inferiore a tale valore, il materiale si deforma in

modo reversibile, recuperando la geometria iniziale alla rimozione del carico. Superata questa soglia, si

innescano deformazioni plastiche permanenti. Poiché nei metalli la transizione non è sempre netta, si

definisce il carico di snervamento convenzionale: esso corrisponde allo sforzo necessario per produrre

una deformazione plastica residua dello 0,2%. Operativamente, si determina sul diagramma sforzo-

deformazione tracciando una retta parallela al tratto elastico-lineare, traslata sull’asse delle ascisse al

valore di deformazione ε=0.002; il punto di intersezione tra questa retta e la curva del materiale identifica

lo snervamento.

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

La duttilità è la proprietà meccanica che misura la capacità di un materiale di subire elevate deformazioni

plastiche prima di giungere a rottura. Il meccanismo di frattura duttile è lento e graduale, preceduto da un

evidente avvertimento visivo. In una prova di trazione, si osserva inizialmente un restringimento

localizzato: qui lo stato di sollecitazione evolve da uniassiale a triassiale. A livello microscopico, questo

induce la nucleazione di microvuoti interni dovuti alla rottura del legame atomici; tali vuoti tendono ad

espandersi ed unirsi, riducendo la sezione resistente fino alla formazione di una cricca macroscopica e

alla rottura finale.

La fragilità è la tendenza di un materiale a rompersi bruscamente con scarsa o nulla deformazione

plastica. In questo caso, il collasso è improvviso poiché il materiale non è in grado di assorbire energia

deformandosi: lo sforzo di rottura coincide con il limite di snervamento. La frattura fragile è caratterizzata

da una rapida propagazione della cricca.

Legame dipolare, illustrare come influenza le proprietà dei materiali in cui è presente

I legami secondari nascono dalle interazioni elettrostatiche tra dipoli elettrici. Sebbene gli atomi siano

globalmente neutri, la distribuzione della nuvola elettronica può diventare asimmetrica, generando poli

positivi e negativi.

Legame di Van der Waals: scaturisce dall’attrazione coulombiana tra l’estremità positiva di un dipolo e la

ragione negativa di uno adiacente. Tali dipoli possono essere temporanei o indotti. È un legame debole:

basta una modesta energia termica per aumentare l’agitazione degli atomi e rompere questi legami. Sono

fondamentali nei polimeri, dove le forze di Van der Waals tra le catene molecolari determinano

caratteristiche macroscopiche come la resistenza meccanica e la deformabilità.

Legame a Idrogeno: è un caso particolare e più forte di interazione di polare, che si instaura quando un

atomo di idrogeno è legato covalentemente a elementi fortemente elettronegativi (O, N, F, Cl). Ciò crea

una distribuzione asimmetrica permanente di carica.

Entrambe le tipologie, essendo legami a bassa energia, conferiscono basse temperature di fusione, bassa

densità e proprietà di isolamento termico ed elettrico.

Legami interatomici e la loro influenza sulle proprietà più importanti delle 3 principali classi di

materiali

I legami interatomici primari fondamentali sono tre: ionico, covalente e metallico. Essi definiscono

intrinsecamente le caratteristiche meccaniche e fisiche dei materiali.

Legame ionico: si instaura tra atomi con elevate differenze di elettronegatività, dove atomi a bassa energia

di ionizzazione cedono elettroni ad altri con alta affinità elettronica, generando ioni positivi e negativi

attratti da forze elettrostatiche. È un legame non direzionale che vincola fortemente gli elettroni, rendendo

i materiali isolanti elettrici. La natura di questo legame spiega la fragilità tipica dei ceramici.

Legame covalente: avviene tra atomi con affinità simile che condividono gli elettroni di valenza su orbitali

comuni. È fortemente direzionale: ciò limita la densità di compattazione e rende il materiale isolante

termico ed elettrico. La rigidità geometrica degli orbitali ostacola lo scorrimento plastico, conferendo

elevata durezza ma anche fragilità e altissime temperature di fusione. È caratteristico di molti ceramici e

costituisce lo scheletro dei polimeri.

Legame metallico: si forma quando gli atomi rilasciano gli elettroni valenza in una nube delocalizzata che

avvolge gli ioni positivi del reticolo. La mobilità di questa nube garantisce l’elevata conducibilità termica

ed elettrica tipica dei metalli. Essendo un legame non direzionale, permette ai piani reticolari di scorrere

reciprocamente senza che il legame si rompa, giustificando così la loro eccellente duttilità, malleabilità e

l'alta densità strutturale.

Creep

Il creep è un fenomeno di deformazione plastica dipendente dal tempo che si manifesta quando un

materiale è sottoposto a uno sforzo costante, tipicamente a temperature elevate. A differenza della

deformazione elastica, quella da creep non è recuperabile. Osservando l’evoluzione nel tempo sotto

carico costante, si nota inizialmente una deformazione istantanea, seguita da un progressivo aumento

dell’allungamento che può condurre alla frattura. L’entità di questo fenomeno dipende drasticamente

dalla temperatura. In ambito progettuale si effettuano due valutazioni principali: la velocità minima di

allungamento e il tempo a rottura per un dato sforzo e temperatura. Poiché i test reali richiederebbero

tempi lunghissimi, si ricorre spesso a prove accelerate aumentando la temperatura per estrapolare il

comportamento a lungo termine. Tuttavia, questa operazione è rischiosa poiché il materiale potrebbe

attivare i meccanismi di deformazione differenti a temperature diverse; per mitigare questo errore si

utilizza il parametro di Larso