Applicazioni dei materiali nel design

APPLICAZIONE  DEI  MATERIALI   Lezione  1  

Le  unità  più  piccole  in  assoluto  sono  gli  ATOMI,  che  sono  indivisibili.  Gli  atomi  hanno  un  nucleo  di  PROTONI  

(carichi  +)  e  neutroni,  e  degli  ELETTRONI  (carichi  -­‐)  che  girano  sugli  orbitali.  Quelli  sugli  orbitali  più  esterni  sono  

di  valenza,  che  devono  essere  8:  se  non  sono  8  vengono  CONDIVISI  per  completarsi  (questo  è  il  LEGAME).  

!  Legame  COVALENTE  -­‐  Gli  atomi  condividono  fino  a  3  coppie  di  elettroni;  se  i  due  atomi  hanno  la  stessa  

elettronegatività  (

capacità  di  attrarre  elettroni)  è  PURO,  sennò  è  POLARE  e  forma  un  dipolo  (+)  e  (-­‐).  Il  legame  

covalente  è  un  legame  forte,  quindi  serve  molta  energia  per  romperlo;  

!  Legame  IONICO  -­‐  Un  atomo  è  molto  più  elettronegativo  di  un  altro,  perciò  l’elettrone  viene  “scippato”  e  si  

formano  due  IONI,  uno  (+)  e  l’altro  (-­‐).  Il  legame  allora  è  dovuto  alla  forza  elettrostatica  fra  cariche  opposte.  

!  Legame  METALLICO  -­‐  Avviene  solo  fra  metalli  (i  maggiori  elementi  in  natura).  I  metalli  tendono  a  cedere  gli  

elettroni  di  valenza  e  trasformarsi  in  ioni  positivi,  i  quali  si  dispongono  in  modo  ordinato  secondo  RETICOLI  

CRISTALLINI,  mentre  gli  elettroni  ceduti  formano  una  

nube  elettronica  che  fa  da  “collante”  agli  ioni  (+).  Gli  

elettroni  in  questa  nube  non  hanno  più  un  atomo  particolare,  ma  si  muovono  da  un  atomo  all’altro.  

La  classificazione  delle  classi  di  materiali  è  legata  al  tipo  di  legame,  si  distinguono  3  CLASSI  DI  MATERIALI:  

METALLI  →  Legame  METALLICO  (grazie  alla  nube  di  elettroni  mobili,  conducono  bene  elettricità  e  calore);

CERAMICI  →  Legame  IONICO  e  COVALENTE  (legami  forti,  infatti  serve  molto  calore  per  fondere  i  ceramici);  

POLIMERI  →  Lunghe  catene  tenute  insieme  da  legami  COVALENTI,  ma  fra  le  catene  ci  sono  legami  deboli.  

Atomi  e  molecole  che  formano  un  materiali  possono  disporsi  in  modo  più  o  meno  ordinato,  con  struttura:  

!  CRISTALLINA  -­‐  Ordinata  e  ripetitiva,  caratterizzata  da  legami  FORTI  (ce  l’hanno  metalli  e  ceramici).  Tuttavia,  il  

reticolo  cristallino  dei  metalli  può  essere  deformato,  per  via  di  DIFETTI  (manca  un  atomo,  un  atomo  è  in  una  

posizione  insolita,  un  atomo  di  un  altro  elemento  nella  struttura  di  un  elemento,  impurità…).    

!  AMORFA  -­‐  Atomi  e  molecole  si  dispongono  in  modo  disordinato;  i  legami  sono  forti  all’interno  delle  

molecole,  ma  deboli  fra  le  varie  molecole  (vetri  e  alcuni  polimeri).  

!  SEMI-­‐CRISTALLINA  -­‐  Quando  coesistono  struttura  amorfa  e  cristallina,  parte  delle  molecole  sono  disposte  in  

modo  ordinato,  il  resto  è  disordinato.  Una  parte  del  materiale  avrà  dunque  legami  più  forti  di  un’altra.  

Alcune  proprietà  dei  materiali  sono:  RIGIDITÀ,  RESISTENZA,  TENACITÀ,  DUTTILITÀ,  CONDUCIBILITÀ  TERMICA  

ed  ELETTRICA,  DURABILITÀ,  COSTO,  TRASPARENZA  e  DENSITÀ.  Quest’ultima  è  la  massa  per  unità  di  volume,  

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definita  come  ρ  =  M/V  e  si  misura  in  kg/dm .  È  strettamente  legata  al  numero  atomico  degli  atomi:  i  METALLI,  

che  hanno  un  alto  numero  atomico,  hanno  anche  un’elevata  densità;  i  POLIMERI  hanno  una  bassa  densità,  

perché  hanno  un  basso  numero  atomico;  la  densità  dei  CERAMICI  è  invece  molto  diversificata.  Il  COSTO  può  

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essere  sia  in  base  al  peso  (si  misura  in  €/kg)  sia  in  base  al  volume  (si  misura  in  €/dm )  e  sono  correlati  fra  loro.  

  Lezione  2  

I  METALLI,  puri  o  in  lega,  non  sono  una  scoperta  recente  per  l’uomo  (si  conoscono  da  millenni).  I  metalli  sono  

duttili  e  malleabili  (si  può  facilmente  cambiare  la  loro  forma  aumentando  la  temperatura).  La  struttura  

cristallina  che  li  caratterizza  è  COMPATTA,  hanno  un  legame  METALLICO,  in  cui  gli  ioni  positivi  sono  tenuti  

insieme  da  una  nube  elettronica  che  fa  da  collante.  Il  matematico  Bravais  studiò  queste  struttura  e  ne  scoprì  

l’unità  minima,  il  reticolo  di  Bravais.  Ci  sono  3  modi  in  cui  gli  atomi  dei  metalli  si  possono  disporre  nello  spazio:  

a.  Struttura  cubica  a  corpo  centrato,  in  cui  l’impaccamento  (rapporto  spazio  occupato/vuoto)  è  0,68  

b.  Struttura  cubica  a  facce  centrate,  con  impaccamento  0,74  

c.  Struttura  esagonale,  sempre  con  impaccamento  0,74         a.                          b.                      c.  

Molte  proprietà  dei  metalli  sono  giustificate  dal  loro  tipo  di  legame  

(ad  esempio,  la  DUTTILITÀ  deriva  dallo  scorrimento  dei  piani  dei  reticoli,  per  via  delle  dislocazioni)  e  dalla  

struttura  reticolare  cristallina  (in  un  metallo  non  c’è  solo  un  cristallo).  Inoltre  ogni  struttura  può  avere  difetti:  

!  PUNTIFORMI  -­‐  Vacanza  (facilita  la  diffusione  e  la  formazione  di  leghe),  atomi  interstiziali  o  sostituzionali;  

!  LINEARI  -­‐  Dislocazioni  (a  spigolo  o  a  vite)  che  facilitano  la  deformazione  plastica:  quando  un  metallo  è  

sottoposto  a  una  forza,  in  un  primo  momento  torna  alla  condizione  iniziale  (comportamento  elastico)  ma  

superata  una  soglia  il  metallo  si  deforma  (comportamento  plastico).  La  soglia  è  lo  SFORZO  DI  SNERVAMENTO  

(σ  =  F/A )  che  determina  la  DEFORMAZIONE  (ε  =  (L-­‐L )/L ).  C’è  proporzionalità  diretta  fra  le  due  variabili,  

0 0 0

secondo  il  modulo  di  Young  E  (che  segue  la  legge  di  Hooke:  σ  =  Eε);  ogni  materiale  ha  un  suo  modulo  di  Young.  

L’effetto  delle  dislocazioni  è  condizionato  da  due  fenomeni:  INCRUDIMENTO  e  RICRISTALLIZZAZIONE.  Il  primo  

si  ha  nel  caso  in  cui  due  dislocazioni,  scorrendo,  s’incontrano  (è  difficile  a  questo  punto  che  scorrano  ancora).  

La  seconda  si  ha  quando  all’aumentare  controllato  della  temperatura  (alla  quale  il  materiale  non  fonda)  c’è  un  

riarrangiamento  degli  atomi  nel  cristallo,  che  diminuiscono  le  dislocazioni.  La  DEFORMAZIONE  PLASTICA  può  

avvenire  sia  a  caldo  che  a  freddo  (a  temperatura  ambiente):  nel  primo  caso  il  metallo  può  assumere  forme  più  

varie,  non  incrudisce  e  ossida  la  superficie;  nel  secondo  caso  incrudisce  e  ha  una  buona  finitura  in  superficie.  

!  SUPERFICIALI  (Bordi  di  grano)  -­‐  I  reticoli  possono  orientarsi  e  formare  grani,  che  fra  loro  sono  divisi  da  bordi:  

i  grani  possono  essere  FINI,  INTERMEDI  o  GROSSI.  A  temperature  non  elevate  i  bordi  sono  più  resistenti  dei  

grani  (frattura  transcristallina)  a  temperature  elevate  sono  più  resistenti  i  grani  (frattura  intercristallina).  

Raramente  i  metalli  vengono  utilizzati  PURI:  più  spesso  sono  impiegati  sotto  forma  di  LEGHE,  che  conservano  

il  comportamento  metallico  ma  possono  essere  progettate  per  ottenere  proprietà  migliori.  Nella  lega  un  

elemento  metallico  o  non  metallico  si  unisce  a  uno  metallico  (soluzioni  solide,  in  cui  il  metallo  è  il  SOLVENTE  e  

l’elemento  di  lega  il  SOLUTO).  Le  leghe  migliorano  le  proprietà  meccaniche  e  diminuiscono  le  dislocazioni.  I  

meccanismi  di  rafforzamento  sono   allignazione,   incrudimento,   trattamento  termico  e   precipitazione.  

ALLIGNAZIONE  -­‐  Serve  per  modificare  la  resistenza,  ovvero  la  capacità  di  sopportare  forze  senza  rompersi  o  

deformarsi  permanentemente  (se  elasto-­‐plastico  la  grandezza  è  lo  σ ,  se  elastico  è  lo  σ ;  u  di  misura:  MPa);  

SN R

INCRUDIMENTO  -­‐  Aumenta  le  dislocazioni,  i  loro  scorrimenti,  quindi  fa  cristalli  più  piccoli  e  più  resistenti;  

TRATTAMENTO  TERMICO  (Tempra)  -­‐  Riscaldamento  per  riorganizzare  la  struttura  e  rapido  raffreddamento  per  

congelare  quella  nuova  (gli  atomi  così  non  hanno  tempo  di  riorganizzarsi).  Poi  è  seguita  da  un  rinvenimento.  

La  TENACITÀ  è  la  capacità  di  assorbire  energia  di  deformazione,  e  la  facilità  di  propagazione  di  una  “cricca”  o  

un  difetto  all’interno  del  materiale  (il  contrario  di  tenace  è  fragile).  Nella  curva  sforzo-­‐deformazione,  il  

materiale  assorbe  energia  di  deformazione:  quando  ha  comportamento  elastico  è  reversibile,  

quando  ha  comportamento  plastico  no;  quando  si  rompe  si  creano  due  nuove  superfici  (anche  in  

questo  caso  non  è  reversibile).  L’area  sottesa  alla  curva  misura  la  tenacità,  e  per  aumentarla  

bisogna  aumentare  rigidità,  resistenza  o  duttilità  del  materiale.  

  Lezione  3  

Il  FERRO  cambia  struttura  reticolare  a  seconda  della  temperatura  (a  911°C  e  a  1392°C).  Non  è  mai  utilizzato  

puro,  ma  sempre  in  lega  con  altri  elementi  come  il  carbonio  (se  questo  è  meno  del  2,06%  la  lega  è  ACCIAIO,  se  

è  di  più  è  GHISA).  Gli  ACCIAI  erano  classificati  in  base  all’uso  (da  costruzione  generale,  da  costruzione  speciali,  

inossidabili,  da  utensili,  per  usi  particolari)  ma  è  una  classificazione  superata:  oggi  la  norma  UNI  100027-­‐1  li  

suddivide  in  due  categorie,  in