Schemi tecnologia dei materiali

• Materiale: aggregato di atomi o molecole avente specifiche proprietà chimiche fisiche e

meccaniche, utilizzate per la realizzazione di oggetti. Hanno una base comune e possono/

devono essere utilizzati per realizzare oggetti di tipo diverso.

• Biocompatibilità: Capacità di un biomateriale di svolgere la sua funzione desiderata rispetto

a una terapia medica, senza suscitare effetti locali o sistemici indesiderati nel ricevente o

beneficiario di tale terapia, ma generando la risposta cellulare o tissutale benefica più

appropriata in quella specifica situazione, e ottimizzando le prestazioni clinicamente rilevanti

di tale terapia.

• Scienza dei Materiali: conoscenza di base dei materiali: struttura e proprietà.

• Tecnologia dei Materiali: conoscenza applicata dei materiali per la loro conversione in

prodotti

• modulo elastico: misura della resistenza opposta ad una deformazione temporanea <—>

misura della resistenza alla separazione di atomi adiacenti—>Forza del legame interatomico

(Ftot = F(r))

• coefficiente di espansione termica: misura della variazione di lunghezza al variare della

temperatura <—> aumento della distanza media tra gli atomi all’aumentare della temperatura

—>Variazione dell’energia con la distanza interatomica E = E(r)

• σr : sforzo a rottura (per convenzione è il massimo valore dello sforzo nel diagramma

sforzo – deformazione) —>massimo sforzo sostenibile da una struttura in tensione

• σ>σs deformazione PLASTICA

• σ<σs deformazione ELASTICA (completamente recuperabile)

• σs sforzo a snervamento: sforzo massimo prima dell’inizio della deformazione plastica

• modulo di elasticità: resistenza che il materiale oppone ad una deformazione di tipo

elastico

• Incrudimento - >sono necessari sforzi sempre maggiori per deformare il materiale

• Strizione: restringimento localizzato della sezione del provino: la sezione su cui è applicata

la forza è minore di quella iniziale.ù

• Materiale fragile: ha una rottura dopo una scarsa o nulla deformazione plastica e quindi si

ha una rapida propagazione della frattura (cricca) e la superficie di questa è relativamente

piana.

• Modulo di resilienza (la resilienza in sé è diversa dal modulo di resilienza): enrgia per unità

di volume necessaria per portare il materiale dallo stato iniziale (senza sforzo applicato) fino

allo sforzo a snervamento (inizio della deformazione plastica) -> energia elastica che può

essere immagazzinata dal materiale.

• Tenacità:: energia per unità di volume che serve per portare a frattura un materiale nelle

condizioni della prova di trazione ( con un carico statico). L’area della curva sforzo-

deformazione. Un materiale tenace è un materiale che ha bisogno di una energia elevata per

arrivare a frattura (chiaramente anche qui si ha la componente e,astica che viene restituita).

• Resilienza: energia necessaria per portare a rottura il materiale in condizioni di carico

dinamico (alta velocità di deformazione) Quando si utilizza per la prova una massa a caduta

pendolare. Il modulo di resilienza, ricavato dal diagramma sforzo-deformazione, si riferisce

all’energia per unità di volume necessaria per arrivare allo snervamento in condizioni (quasi)

statiche. La resilienza, ricavata dalla prova di resilienza, si riferisce all’energia necessaria

per arrivare alla rottura del materiale in condizioni dinamiche (ma mantenendo la frattura in

campo elastico).

• Durezza: Misura della resistenza del materiale ad una deformazione plastica (localizzata)

• Fatica: riduzione della resistenza di un materiale a causa della variazione periodica e

ripetuta nel tempo di sforzo e deformazione.

• Ricristallizzazione : Se aspetto del tempo o fornisco più energia (aumento la temperatura)

scopro che gli atomi tendono a riorganizzarsi in modo tale da formare all’interno dei cristalli

deformati dei nuovi cristalli non deformati, ovvero a bassa densità di dislocazione.

• RICOTTURA: trattamento termico che sfruttando la possibilità di ricristallizzare i materiali,

permette la rigenerazione della struttura (ovvero aumento della duttilità) in una lega che

era stata precedentemente incrudita.

• Una LEGA è l’aggiunta ad un metallo base di altri atomi a carattere metallico e non

metallico, materiali più resistenti, forzo a snervamento e a rottura maggiore dei metalli base.

È così perché quando aggiungo atomi diversi si possono formare due soluzioni: soluzione

solida o formazione di una seconda fase

• materiali polimerici: Sono molecole organiche, costituite prevalentemente da atomi di

carbonio e idrogeno, con possibile presenza di ossigeno, azoto, o altri elementi quali cloro,

bromo, ecc.. I materiali polimerici vengono suddivisi in tre grandi classi: polimeri

naturali,polimeri artificiali o semisintetici, polimeri sintetici.

• termoplastici—>sono plastici (plasmabili) per effetto del calore. Si riscaldando gli si da una

forma e la si fissa raffreddandosi, ciclo che si può ripetere per un nucleo teoricamente

infinito di volte —> riciclabili

• termoindurenti —>induriscono per effetto del calore perché con il calore e la pressione

avviene una reazione chimica che blocca le catene di cui sono costituiti quindi questo blocca

la forma e non sono in prima battuta riciclabili.

• elastomeri —> possono subire elevate deformazioni elastiche possono essere sia di natura

termoplastica sia di natura termoindurente

• Polimerizzazione: Il processo di polimerizzazione consente di passare da monomeri e quindi

dalle singole unità alle catene andando a formare quelle che si chiamano macro molecole.

• reticolazione ——> vulcanizzazione, processo in cui si legano le catene con legami forti ogni

tot meri, circa 1 ogni 100 meri

• sferuliti: sono le unità componenti nei polimeri semicristallini, cioè gli, sono quindi in parte

amorfi e in parte cristallini.

• Temperatura di transizione vetrosa Tg, che segna, più che un cambiamento di fase o una

variazione significativa del volume specifico, il cambiamento di comportamento meccanico: si

passa infatti da un materiale rigido e fragile (T < Tg) ad un materiale gommoso, deformabile

e a viscosità sempre più bassa (T > Tg), fino ad arrivare alle caratteristiche di un liquido.

• isteresi: curva di carico e scarico non coincidono

• materiali metallici: sono costituiti da atomi di metalli con possibile aggiunta i atomi non

metalli legati fra loro da un legame di tipo metallico che consente di avere una struttura

cristallina compatta (elevata densità), modulo di elasticità abbastanza alto, elevata duttilità,

possibilità di deformare facilmente il materiale, resistenza meccanica abbastanza alta e una

conducibilità elettrica e termica elevata.

• Materiali ceramici: Sono materiali inorganici, costituiti da atomi di metalli e di non metalli,

uniti da legami ionici e/o covalenti. densità medio-bass, alto modulo di elasticità, elevata

durezza, scarsa resistenza a trazione, elevata resistenza alla compressione, fragilità,

isolamento termico ed elettrico, resistenza ad alta temperatura.

• matrice: permette l’utilizzo strutturale delle fibre trasmettendo alle stesse la sollecitazione

esterna e tenendole insieme—> quindi deve far avvenire un corretto trasferimento di carico

sulle fibre in modo che queste vengano sfruttate al meglio perché soltanto con una

trasmissione del carico dalla matrice alle fibre il composito può funzionare, tenere legate fra

di loro le fibre,tenere le fibre nella corretta posizione ;protegge le fibre dagli agenti

ambientali (umidità, temperatura, ecc…); conferisce al composito tenacità e resistenza alla

fatica——> evitare il più possibile la propagazione di una cricca da una fibra ad un altra.

unauriment Fino a σs a deformazione prodotta è completamente

stazione recuperata dopo che lo sforzo è stato rimosso —>

deformazione ELASTICA

Per σ > σs la deformazione diventa PLASTICA

(permanente)

• σr : sforzo a rottura (per convenzione è il massimo valore dello sforzo nel diagramma

sforzo – deformazione) —>massimo sforzo sostenibile da una struttura in tensione

• Incrudimento - >sono necessari sforzi sempre maggiori per deformare il materiale

• Strizione: restringimento localizzato della sezione del provino: la sezione su cui è applicata

la forza è minore di quella iniziale.

Lezione 23 riassuntiva

Domande:

1. Corrosione metallica: partiamo dalla biocompatibilità dei materiali metallici perché è

essenzialmente legata ai possibili fenomeni di corrosione che possono avvenire in ambienti

biologici. I fluidi biologici sono soluzione di sali in acqua, in particolare ci sono percentuali

pericolose di ioni cloro e gli ioni cloro hanno un problema nell’interazione con lo strato dell’

ossido che protegge i materiali che vengono utilizzati per applicazioni in campo biomedico

(leghe di titanio, acciai inossidabili,e leghe di cobalto). In tutti questi casi il cloro può provocare

delle rotture localizzate dello strato di ossido il quale può non riuscire a riformarsi. Questo

presuppone che avvengano dei fenomeni di corrosione in zone ristrette, ma zone con

comportamento anodico perché li avviene la dissoluzione del metallo e quindi un rilascio di ioni

metallici; avere zone anodiche molto piccole tende a concentrare le correnti di ioni e quindi

questo provoca un esaltazione del processo corrosivo. La corrosione localizzata è pericolosa non

tanto per la quantità effettiva di materiale che va in soluzione, ma perché ha un potere

penetrante molto elevato. Nei fenomeni di corrosione abbiamo bisogno di 4 ingredienti: il

metallo che si corrode (area anodica), l’area catodica dove avvengono i processi di riduzione, il

conduttore elettrico che connette le due aree e consente il moto degli elettroni e infine

l’elettrolita che consente il moto degli ioni (conduttore elettrolitico). Il processo di corrosione

è sempre una perdita di materiale metallico!!

Negli ambienti biologici dove l’ossigeno è comunque presente il processo catodico che ci

interessa è quello di riduzione dell’ ossigeno che comunque cambia in base al pH.

I metalli non hanno tutti la stessa tendenza ad ossid<arsi e a formare ioni ma si può

costruire la cosiddetta scala di nobiltà, cioè il potenziale standard di equilibrio in una cera

successione. Il metallo piu nobile è l’oro. Il magnesio sta negli ultimi posti e non è un caso

che questo metallo venga utilizzato per impianti biodegradabili perché la biodegradazione

sfrutta il processo di corrosione. In generale la corrosione può avvenire se il potenziale

di queilibio del processo catodico è maggiore di quello del processo anodico in questo

caso il processo avviene spontaneamente. La tendenza di un materiale a corrodersi, che

è legata al potenziale di equilibrio, dipende dalla soluzione con cui è a contatto.

Tipi di corrosione:

• corrosione galvanica

• Corrosione per areazione differenziale

• Corrosione generalizzata

• Corrosione localizzata (in fessura, per violatura)

• Corrosione selettiva (Intergranulare,intragranulare)

• Corrosione per erosione o sfregamento

• Corrosione sotto sforzo

• Corrosione- fatica

Usura: danneggiamento della superficie in presenza di due crosti a contatto in movimento

reciproco.

• usura adesiva (il più duro tende a portar via parte dell’altro)

• Usura abrasiva ( il più duro tende ad abradere l’altro)

• Usura per corrosione ( l’usura da strisciamento si facilitano i processi di corrosione)

• Usura per fatica (cicli di sforzi come rotolamento e strisciamento)

• Usura da erosione (impatto delle particelle sulla superficie)

• Usura da cavitazione (liquidi che scorrono molto velocemente)

Proprietà meccaniche dei materiali

Si possono determinare alcune proprietà tramite alcune prove.

• prova di trazione: permette di disegnare il diagramma sforzo

deformazione che consente di avere una serie di informazioni sul

comportamento del materiale quando è soggetto a condizioni di

carico statico.

Deformazione di tipo elastico: deformazione recuperabile, temporanea che deriva dall’

allungamento dei legami tra i materiali ma una volta rimosso lo sforzo questo viene recuperato

Deformazione di tipo plastico: deformazione permanente.

Nel primo tratto elastico del diagramma sforzo deformazione si può misurare il modulo elastico

che è la resistenza che oppone il materiale ad una deformazione di tipo elastico. Si può inoltre

determinare lo sforzo o tensione di snervamento σs, ovvero lo sforzo che discrimina tra un

comportamento di tipo elastico e un comportamento di tipo plastico praticamente viene misurato

come quello sforzo che da una deformazione residua dello 0.2%. Conoscere lo sforzo a

snervamento serve sia per la progettazione che alla formazione di questo, se si vuole dare una

forma ad un oggetto occorre superare lo sforzo a snervamento a non superi lo sforzo a rottura.

Lo sforzo a rottura σr è il massimo e indica lo sforzo che porta rottura il materiale.

L’allungamento percentuale avviene dopo la rottura del materiale ed è una misura della duttilità

del materiale.

A seconda dei materiali il comportamento elastico può essere molto diverso:

Dei metalli e dei ceramici, comportamento classico con deformazione plastica

perfetta come la molla. L’energia elastica che viene immagazzinata nella

deformazione viene completamente restituita nel momento in cui lo sforzo

viene rimosso.

Materiali come collagene. Consente di ridurre l’energia elastica e di avere

una deformabilità elevata a bassi sforzi, che diventa sempre minore via via

che lo sforzo aumenta (superato un certo valore).

Nei materiali polimerici sopratutto elastomerici. La curva di carico

non coincide con la curva di scarico. Ciò comporta che parte dell’

energia coinvolta viene dissipata principalmente come forma di calore.

E’ importante andare a vedere come stanno i materiali in

termini di modulo di elasticità e resistenza nei confronti dei

materiali biologici. Il confronto permette anche di progettare

materiali più simili possibile a quelli che fa la natura.

Ci dice anche il comportamento del materiale a frattura

perché alcuni materiali, ceramici principalmente polimeri

al di sotto della transizione vetrosa acciai a bassa

temperatura elastomeri vulcanizzati, hanno un

comportamento fragile quindi frattura o rottura dopo

una scarsa o nulla deformazione plastica.

La frattura fragile è tipicamente una rottura molto rapida e si chiama una rottura di schianto. Una

volta innescata la frattura si propaga molto rapidamente. Cosa che non avvviene se si ha una

deformazione di tipo plastico cioè se la rottura avviene dopo un estesa deformazione plastica

siamo in presenza di un materiale duttile perché l’energia che sto spendendo nel cercare di

aumentare la frattura viene spesa nello spostamento di materia coiè in deformazione plastica e

questo rallenta il processo di propagazione della frattura.

Duttilità e fragilità coinvolgono la presenza o meno di deformazioni di tipo plastico. La

deformazione elastica è sempre presente in tutti i materiali.

• tenacità: energia necessaria per portare a frattura un materiale sotto carico statico, cioè

l’area sotto la curva sforzo-deformazione

• Modulo di resilienza: energia per unità di volume necessaria per portare il materiale dallo

stato iniziale (senza carico) fino allo snervamento (energia elastica)

• Resilienza: energia necessaria per portare a rottura il materiale in condizioni di carico

dinamico (tipo martellata) con elevata velocità di deformazione.

• Tenacità a frattura: valore critico del fattore di intensificazione degli sforzi in presenza di un

difetto, è la misura della capacità che un materiale ha di opporsi alla propagazione della

frattura quando è presente un difetto. Più alta è la tenacità a frattura piu il materiale tende

ad opporsi alla propagazione della frattura in presenza del difetto.

• Durezza: misura della resistenza del materiale ad una deformazione plastica localizzata, viene

determinata attraverso le prove di durezza

• Fatica: riduzione della resistenza di un materiale a causa della

variazione periodica e ripetuta nel tempo di sforzo e deformazione.

Le curve riportano lo sforzo in funzione nel numero di cicli dopo

cui si ha rottura. Esiste un limite di fatica ovvero un valore dello

sforzo al di sotto del quale la rottura non avviene per fenomeni

di fatica ma ci sono anche materiali come le leghe di alluminio

non hanno un limite di fatica, ciò significa che anche per

sforzi molto bassi si può avere rottura magari dopo tempi molto lunghi ma per fenomeni di

fatica. Importante perché gli sforzi coinvolti possono essere non soltanto quelli compresi tra

lo sforzo a rottura e snervamento ma anche valori inferiori allo sforzo a snervamento quando

il materiale si dovrebbe trovare in campo elastico.

• Creep: scorrimento viscoso a caldo importante per temperature superiori alla meta della

temperatura di fusione (in Kevin). A sforzo costante si vede aumentare la deformazione nel

tempo

MATERIALI METALLICI

Costituiti da atomi di metalli con la possibile aggiunta di atomi non metallici legati tra loro con

legnami di tipo metallico, legami in cui si hanno ioni circondati da un mare di elettroni di valenza

quindi un legame non direzionale e in cui gli elettroni fanno contemporaneamente da schermo e

da collante ciò porta ad una elevata duttilità . Questo permette di avere atomi molto ravvicinati

che portano a strutture cristalline molto compatte ne consegue un elevata densità. Modulo di

elasticità elevato ,e pesatura di fusione relativamente alte. Alta conducibilità elettrica e termica.

I metalli puri non hanno una grande resistenza meccanica ma

si possono creare delle leghe con elementi o metallici o non

metallici. Se si vuole rafforzare un materiale metallico o si

deforma plasticamente a freddo in modo tale che non avvenga

il processo di ricristallizzazione; si moltiplicano le linee di

dislocazione che si ostacolano nel moto —> incrudimento

Si può andare ad influire sui grani cristallini, più piccoli sono i grani maggiore è la zona di

birdograno e quindi maggiori sono gli ostacoli al movimento delle linee di dislocazione che si

possono andare a mettere. Tutto funziona a temperature ambiente ma il controllo del grano

cristallino si può fare tramite il processo di solidificazione o tramite il processo di

ricristallizzazione (ricottura).

Quando si vogliono fare delle leghe funziona molto il rafforzamento per soluzione solida quindi

funzione di soluzioni solide sostituzionali o interstiziali oppure la presenza di una seconda fase

che può essere di dimensioni piu o meno piccole e di solito per stabilirne le dimensioni si utilizza

un trattamento termico.

Tecnologie di lavorazione dei materiali metallici da sapere!! Ci sono sicuro domande sulle tecniche, non

fare lista della spesa ma una piccola spiegazione

Devono esssere Caratteristiche che

devono avere le leghe per poter essere

impiegate in queste tecniche.

Fonderia lega facilmente colabile e con un basso ritiro, deformazione plastica materiale duttile,metallurgia delle polveri meno

vincoli perché si devono produrre polveri.

Altra cosa da aprire bene è il tipo di oggetti quindi se sono oggetti dalla forma semplice o o complessa.

Leghe metalliche da guardare: cosa sono quali sono i costituienti, quali sono i vantaggi gli svantaggi

e per cosa vengono utilizzati. Il progetto mi da la forma e le dimensioni dell’oggetto, la scelta

dei materiali, il processo di formatura da informazioni sulla

forma dell’oggetto ed infine il trattamento termico è basato

sulla microstruttura e tramite questo fanno ottenere le

prorpietà finali dei materiali.

1. FONDERIA

Il ridotto finito è ottenuto dalla solidificazione di una lega metallica liquida colata in una forma.

La lega deve avere una buona colabilità, un basso ritiro (perchè questo si rititrerà dal passaggio

allo stato liquido a solido ad alta temperatura e poi a solido a bassa temperatura) e un

insolubilità di elementi inquinanti.

Lo stampo dodvrà essere di un materiale preciso perche non dovrà reagire quando è in contatto

con la sostanza fusa ——> potrà essere realizzato con : terra (fusione in terra), lega metallica

(fusione in conchiglia), materiali altamente refrattari ( fusione a cera persa).

Il metallo sarà colato in uno stampo , passando da una paniera. La solidificazione comincia dai

bordi (energia piu bassa) dello stampo attraverso la formazione di nuclei del materiale solido che

successivamente si accrescono. E’ possibile quindi che si formino dei grani solidi con forme

diverse che creano disomogeneità micro strutturali o composizionali questo avviene se si

raffredda il materiale troppo velocemente.

Si può però omogeneizzare tramite i processi di diffusione la quale è un processo irreversibile

per cui si ha uno spostamento di materia per mezzo del moto degli atomi. Il moto di questi è

dato dalla differenza di concentrazione perchè tendono a muoversi proprio per annullarla.

Questi fenomeni dipendono naturalmente dalla temperatura, dal tempo e dalla specie dei

diffondenti.

Fusione in sabbia

Si cola all’interno di uno stampo (negativo) di sabbia/terra e si deve

tener conto anche della diminuzione del volume a solidificazione,

diminuzione dovuta alle lavorazioni successive e possibilità di sforno

senza danneggiare lo stampo. Nel mio stampo servono 2 canali, uno per

la colata e l’altro come sfiato per far uscire l’aria. Inoltre è necessaria

anche materozzza —> cono di ritiro dove si depositano le imperfezioni

dei materiali e i resti dei gas. Se si necessita di una parte cava si

inserisce un anima che poi sarà facilmente rimovibile.

Fusione in conchiglia

Si cola per gravità il meta