Scienza e tecnologia dei materiali - parte 1

RATERL

Quinsi I2 FCACILE

ed

sinore -

Conduttività

⑧ Gli elettroni delocalizzati trasportano corrente elettrica e calore grazie alla loro capacità di muoversi

attraverso la struttura cristallina. Se fossero bloccati, non sarebbe possibile trasportare da un punto all’altra

della struttura metallica la corrente, perché gli elettroni sarebbero vincolati e non ci sarebbe questo flusso di

elettroni. Il rame è il miglior conduttore dell’elettricità dopo l’argento.

Lucentezza

8 Gli elettroni assorbono e riemettono prontamente un raggio di luce che colpisce la superficie di un metallo.

V

? la LISCIA;

Il grado di rugosità superficiale dell’oggetto influenza questa proprietà. SUP

x e con

MFLiss,

son

- logys'Lus

Una rugosità molto bassa (finitura superficiale elevata) = capacità di riflettere la luce. : Allivano.

cul

con

Arcolo

sito

↳ re

a

arrs.... in

Anche la lucentezza dipende dalla caratteristica strutturale del reticolo cristallino. la

RUGOSA SUPEFICIE

EDISPESTONE

The DE

sense

1.2.2 Tipi di deformazione: elastica e plastica

1. Reticolo non sollecitato. Configurazione iniziale.

7

2. Reticolo sollecitato che si deforma elasticamente. Rimossa la

sollecitazione la struttura torna nella configurazione iniziale.

xue

quella co

&

Deformazione transitoria o reversibile. ENECA

MINI

3. Reticolo sollecitato che si deforma plasticamente. La struttura assume una

nuova configurazione. Deformazione permanente.

& olla

+ comficumtionE InA

Tormfu

re BIOCmo

he ErEnCIA-

3

1.2.3 Materiali metallici e leghe

Nelle applicazioni pratiche, l’uso dei metalli puri è molto raro. Tipicamente si utilizzano le leghe metalliche

perché si cerca di combinare proprietà di più elementi in lega e fornire una struttura che sia più performante

per una specifica applicazione d’uso.

Leghe metalliche: materiali metallici composti da due o più elementi chimici.

Soluzione solida: si ottiene qualora la dispersione nel reticolo degli atomi aggiunti sia completa, omogenea

macroscopicamente e la struttura cristallina coincide con quella del solvente.

(Si mantiene la struttura cristallina del solvente, e all’interno di questa struttura si vanno ad aggiungere degli

atomi del materiale soluto).

- Soluzione solida sostituzionale (ordinata o casuale): la struttura non cambia, la struttura rimane

omogenea in termini di configurazioni, ma vengono sostituiti degli atomi del solvente con atomi del

soluto.

- Soluzione solida interstiziale: la struttura del solvente rimane inalterata, ma vanno ad inserirsi negli spazi

tra gli atomi del solvente degli atomi del soluto (non vi è una sostituzione, ma un posizionamento

interstiziale). soluzione sostituzionale ogni sol solida ha una max concentrazione del

soluto che può "assorbire" --> solubilità

1.2.4 Difetti nei materiali metallici

La resistenza teorica di un metallo è significativamente superiore alla resistenza reale. Nelle condizioni reali

la struttura del materiale metallico non è mai perfetta: variazione di temperatura e condizioni di sforzo vanno

a indurre delle modifiche, difettosità nel reticolo.

I materiali reali presentano una serie di difetti del reticolo cristallino che riducono fortemente la resistenza

meccanica:

- Difetti puntuali: interstiziali, vacanze, atomi sostituzionali

- Difetti lineari: dislocazioni

- Difetti superficiali: orientamento dei piani, sovrapposizione di piani

8

Difetti puntuali

1. Vacanza reticolare: in un certo nodo manca un atomo nel reticolo cristallino in una posizione

regolare. Questo causa una distorsione del reticolo, gli atomi tendono a riempire il vuoto e il

grar

luminis CHE

eForArne

b +

a D1

comportamento del materiale peggiora tendre

vacate

a

- DEC ATELACE

a

insucon fivet

2. Impurezza sostituzionale: in un certo reticolo un atomo ha un’impurezza, cioè è di un materiale

legte)

vouz(ex.

diverso, oppure ha una configurazione diversa sono

Avorie

-

3. Atomo auto-interstiziale: atomo non è posizionato in un nodo regolare ma è in una posizione

unto

sPlugged

interstiziale (posizione tra più nodi di un reticolo) glitter in

essene

potrebbe

atori un

-> MATERIALE.

CN, FALLISLE IL

4. Impurezza interstiziale: atomo di un elemento diverso che si pone in posizione interstiziale, questo

tende a sollecitare gli atomi adiacenti e ad allontanarli dalla posizione di equilibrio

Tutte questi difetti comportano una riduzione di proprietà meccaniche, riduzione di conducibilità elettriche;

più in generale una variabilità nelle proprietà del materiale rispetto a quello ideale.

Questi difetti puntuali sono causati da variazione di temperatura e uno stato di sollecitazione attivo.

Difetti lineari

I principali difetti lineari sono chiamati dislocazioni. Una dislocazione è un difetto in una struttura cristallina

che si estende lungo una linea invece che in un singolo punto come avviene nei difetti puntuali.

Nelle dislocazioni a spigolo abbiamo una linea del reticolo che viene interrotta, abbiamo una variazione a

livello elettrico della struttura del materiale. Si crea una discontinuità che deve essere compensato da una

deformazione degli altri spigoli.

La presenza delle dislocazioni a spigolo è l’aspetto principale secondo cui vengono a generarsi le deformazioni

secondo opportuni piani di scorrimento nei materiali metallici. 5) osSEMA

Uno

e

to e

D score Si

Posser Form 2E2L

SPIGon Estolm.

9

Nell’esempio abbiamo una dislocazione a spigolo e grazie all’azione di uno sforzo di taglio indotto su questo

reticolo si deforma. Si ottiene infine una nuova struttura in equilibrio che porta la dislocazione in posizione

completamente diversa. Il nuovo tipo di reticolo è fortemente deformato da quello originale.

La presenza di dislocazione a spigolo nei materiali metallici reali causa il meccanismo di deformazione.

Difetti superficiali

Le proprietà meccaniche sono legate alla configurazione della struttura cristallina ottenuta nel passaggio

dallo stato liquido allo stato solido e modifica nelle lavorazioni/trattamenti successivi.

Durante il passaggio dallo stato liquido allo stato solido si modifica la struttura regolare del reticolo cristallino

e si generano delle strutture più casuali e con delle geometrie di accrescimento che dipendono dal modo in

cui si solidifica il materiale metallico. Ci sono metodi per riportare la struttura a una regolarità cristallina

legen LASoL

SOFICAE.

FACCIO

Forse: ETA

CEAE LI

An 2

ISERE

attraverso trattamenti termici successivi. una

· worse

CHISTAUn

RETCON nati

SITORMAI

puide: dunti,

crescono siScrir,

da solidifications,

fictione di f

Ivizia nuclei

a I Poche

CRICCHE

DI

Pasta;

extrica;aument InCASO

resistent deformazione

a l l

it

corucisicit alutaro

and

A

BONDI. Diminvision

I

· velocite NOTTUlE.

air strutture.

le

propasare

fires

ball carbono

It t h e

sal leate

alPEDE ex.

A

Ghar crafite:

cristallo

arents. a Aldense

a

al

NUMER

Il 1.3 Analisi a livello macroscopico

. Le proprietà meccaniche determinano il comportamento del materiale quando viene sottoposto a lavorazioni

meccaniche e si misurano eseguendo delle prove sul materiale (prova di trazione, prova di durezza, …).

Per poter comparare misure diverse è necessario che le prove siano eseguite nelle medesime condizioni.

Normativamente ISO, CEN e UNI regolamentano le condizioni nelle quali le prove devono essere eseguite.

Le proprietà meccaniche di un materiale sono classificabili in:

- Statiche:

- Resistenza a trazione

- Resistenza a compressione

- Resistenza a flessione

- Resistenza a torsione

- Resistenza a penetrazione

- Dinamiche:

- Resistenza a urto

- Resistenza a fatica

- Resistenza a usura

I materiali possono essere soggetti a tre tipi principali di sollecitazioni: trazione, compressione e taglio.

- Trazione: si applicano due forze in verso opposto che si allontanano

- Compressione: si applicano due forze in verso opposto che si avvicinano

tecnologiche strategiche nella

↳ esempio

amo per operative

strumento

selezione/gestione famitori sono

ho .

>

10

- Taglio: forze parallele alle superfici dell’oggetto

1.4 Stati di sforzo e deformazione

1.4.1 Prova di trazione

La prova di trazione ha come obiettivo la valutazione del comportamento del materiale soggetto a sforzo

mono-assiale di trazione. La prova di trazione è ampiamente standardizzata, semplice ed economica. Fornisce

un ampio spettro di informazioni: carico di snervamento, carico di rottura, allungamento totale, anisotropia

e sensibilità alla velocità di deformazione.

Macchina per prove di trazione. Si ha tipicamente un provino tubulare che viene interposto tra una traversa

mobile e una traversa fissi. Attraverso queste traverse si induce la sollecitazione al provino, la traversa mobile

si muove e induce una certa forza sulla superficie del provino. Questa forza genera uno sforzo sulla superficie

del provino che genera delle deformazioni. Il monitoraggio delle deformazioni in funzione dello sforzo sono

quelle che andiamo a mappare all’interno di un diagramma sforzo-deformazioni per capire come reagisce

alle sollecitazioni il materiale del provino stesso. Sono prove distruttive, perché il provino è portato a rottura.

Provino circolare. Il provino si divide in zona attiva di lunghezza , attiva perché in quella zona si osservano

0

le deformazioni indotte dagli sforzi. Questo provino ha nella condizione iniziale di sezione trasversale e

0

lunghezza . Dopo aver attivato la traversa mobile, si va a indurre una certa sollecitazione che porterà a una

0 .

certa deformazione che determinerà una nuova di lunghezza e sezione trasversale di superficie

11

Sforzo (o tensione) e deformazione ideale in una prova di trazione vengono definiti in relazione all’area e

alla lunghezza originali del provino.

=

0

−

0

=

0

dove è la tensione espressa in MPa, è la deformazione in mm/mm quindi è adimensionale.

Sforzo e deformazione reale:

=

∫

= = ln

0

0

Esempio: Deformazione ideale vs deformazione reale

Una barra è uniformemente com