Appunti di Scienze dei materiali

Scienza e tecnologia dei materiali

Introduzione ai materiali

È importante conoscere come i materiali rispondono ad uno stimolo esterno. Ad oggi esistono più di 160000 materiali diversi, i quali non riescono sempre a rispondere alle diverse esigenze del mondo moderno.

Che cos'è un materiale?

Un materiale è un qualsiasi solido che svolge almeno una funzione specifica (meccanica, termica, elettrica). Tali funzioni vengono tramutate in proprietà che il materiale deve avere (fisiche per esempio: densità, peso; meccaniche, elettriche).

Le grandi famiglie dei materiali

Ognuno di quei 160000 materiali può essere inserito in uno di questi quattro gruppi:

• Metalli (metalli puri e leghe)
• Polimeri
• Ceramici (cementi, laterizi, mattoni) e vetri
• Compositi o ibridi

Il mondo dei polimeri ha tre sottoclassi che si differenziano tanto tra loro pur avendo caratteristiche in comune (termoplastici, termoindurenti ed elastomeri o gomme); questo porta ad un diverso utilizzo dei materiali. I ceramici verranno utilizzati in applicazioni in cui abbiamo bisogno di isolamento, in cui la temperatura sale (forno delle pizze). I metalli andranno a ricoprire diverse altre applicazioni; hanno per esempio elevatissima affidabilità perché non si rompono in maniera improvvisa. I compositi sono una miscela di due materiali diversi.

Materiali e processi

Un materiale è un solido capace di svolgere una determinata funzione; ma per farlo deve avere una forma e quindi abbiamo bisogno di un processo che dia una determinata forma all’oggetto che stiamo realizzando. Devo portare avanti non solo la scelta del materiale ma anche il processo che mi permette di utilizzare quel materiale. In realtà, il processo con cui do la forma a un materiale può modificare le caratteristiche stesse del materiale. E allora la scheda del singolo materiale non è solo dipendente dalla sua natura ma si porta dietro alcune caratteristiche che dipendono dal processo specifico con cui lo andiamo a lavorare. Per questo nel momento in cui realizzo il progetto di un oggetto devo andare a valutare non solo il materiale ma anche il processo con cui darò la forma (processo primario). Inoltre, dovrò anche considerare tutti i processi secondari che intervengono in un secondo momento, nel momento in cui l’oggetto ha già la forma ma devo ancora modificare alcuni dettagli. Anche nel caso dei processi abbiamo famiglie di processi primari e famiglie di processi secondari.

La cosa più economica dal punto di vista industriale è procedere attraverso le colate; se riesco a rendere liquido il materiale, lo uso per riempire uno stampo e lo faccio tornare solido, facilità estrema con un piccolo requisito: rendere il materiale liquido. All’interno della famiglia dei processi primari ci sono poi delle piccole differenze: la colata posso farla in sabbie metallurgiche, in stampi che realizzo con la cera, ecc. Un'altra possibilità è usare delle tecniche di stampaggio, intervenendo sul materiale costringendolo a prendere la forma dello stampo (iniezione, compressione), o sfruttando la deformazione (laminazione, forgiatura, trafilatura). Altri materiali, invece, devo processarli attraverso il metodo da polveri: utilizzo come materiale di partenza una polvere e da lì attraverso altri processi (sinterizzazione per esempio) arrivo ad ottenere un componente compatto. E poi c’è una famiglia speciale di processi per i compositi: potremmo avere materiali con diverse caratteristiche. E poi le tecniche speciali che sono in fase di sviluppo ed evoluzione. Additive manufacturing è la realizzazione degli oggetti andando a costruire strato per strato la tridimensionalità (palette AVIO).

Tutti i processi primari comportano delle modifiche ma anche i processi secondari possono modificare le caratteristiche del materiale di partenza. Che cosa intendiamo con processi secondari? In realtà possiamo andare a migliorare l’oggetto che abbiamo progettato a cui abbiamo dato una forma attraverso delle lavorazioni (pallinatura, taglio) per modificare delle zone specifiche o in generale per migliorare la superficie, renderla meno rugosa. Processo secondario vuol dire anche trattamento termico. In particolare, nell’ambito dei metalli le proprietà possono essere controllate attraverso trattamenti termici. Per esempio, fare la tempra ad un metallo vuol dire riscaldarlo fino ad una temperatura che modifica non lo stato del metallo ma qualcosa all’interno. E quindi un semplice trattamento termico è in grado di modificare delle caratteristiche di un oggetto.

Dobbiamo poi andare a considerare altri tipi di processi secondari; ci può essere la necessità di creare delle giunzioni e anche qui abbiamo mille possibilità a seconda delle caratteristiche del materiale potremmo usare dei rivetti, piuttosto che il collaggio o la saldatura a caldo. I processi sono molteplici. Ci sono poi i trattamenti superficiali: rifinire la superficie, renderla splendente come uno specchio, creare dei rivestimenti che proteggano la superficie dell’oggetto (cromatura). Infine, arriveremo al prodotto finito!

Processi per il progetto

Nel momento in cui vi troverete a svolgere il progetto di un nuovo componente, il processo è molto complicato e lo si affronta passo dopo passo. Si parte dai requisiti che l’oggetto deve svolgere e che si trasformano in una lista di necessità, sulla base di questo si crea un primo step, il progetto concettuale (si va a definire qual è la famiglia di materiali a cui devo far riferimento); fatto questo si passa al progetto di massima: definisco meglio il disegno e vado a vedere le caratteristiche specifiche, la forma; sono ancora all’interno delle classi. Nella fase di progetto particolareggiato ho tutta la forma definitiva, come produrlo, quali sono le caratteristiche e questo mi porterà a selezionare il materiale migliore e il processo primario e secondario migliore. Tutto questo nel caso in cui vi troviate a sviluppare un nuovo componente. Però, molto spesso ci si trova davanti a riprogettare un componente, migliorarlo.

Torniamo alle grandi quattro famiglie che abbiamo individuato: metalli e leghe, ceramici e vetri, polimeri e compositi. Tutti questi materiali si basano sulla tavola periodica; qualsiasi materiale è fatto dalle combinazioni di questi elementi.

Classificazione dei materiali

Metalli e leghe

Definizione: i metalli sono dei materiali inorganici basati su atomi metallici che vanno ad interagire tra loro attraverso un legame metallico (condivisione degli elettroni di valenza con i protoni che vanno a sistemarsi in una struttura ordinata che chiamiamo reticolo). Tenete conto che la maggior parte dei metalli è basata su una struttura ordinata, amano l’ordine. Le leghe sono dei materiali metallici, ma si differenziano leggermente perché mentre il metallo puro al suo interno ha un unico tipo di atomo, le leghe sono la combinazione di almeno due tipologie di atomi metallici differenti, in alcuni casi sono la combinazione di atomi metalli e atomi non metallici (acciaio e ghise: leghe del ferro con atomi di carbonio).

Caratteristiche generali, da cui dipenderà il comportamento del materiale:

• Opachi, non sono trasparenti; anche se riflettono la luce in maniera diversa da un ceramico (questo dipende tanto da come lo trattiamo superficialmente)
• Ottimi conduttori di elettricità e di calore
• Elevate resistenze meccaniche ma hanno un comportamento meccanico molto particolare che si chiama duttilità (un materiale duttile riesce a deformarsi in maniera irreversibile; una volta conferito una forma la mantiene per tutta la sua vita. E questa deformazione prende il nome di deformazione plastica)
• Alluminio fonde a 660°C, il titanio a 1660°C, il tungsteno oltre i 2000°C; quindi la temperatura di fusione in generale è medio-alta (è un range molto ampio)
• Idem per le densità: il tungsteno ha una densità di 19 gr/cm³, le leghe leggere con alluminio 2,7 e il magnesio 1,65 gr/cm³; densità medio-alte
• Difetto principale: molto sensibili ad ossigeno, acqua e tutto quello che li va a corrodere; soluzione possibile: rivestimenti anticorrosione.

Essendo materiali con temperature di fusione medio-alte, normalmente il processo primario più utilizzato è la colata; industrialmente arrivare a temperature attorno ai 1000°C costa pochissimo.

Ceramici e vetri

Definizione: i ceramici sono tutti quei materiali che contengono atomi metallici e non metallici in rapporto stechiometrico fra di loro, quindi specifiche quantità, legati tra di loro da legami covalenti o ionici. La definizione a livello chimico ci permette di inserire in questa famiglia sia i ceramici con strutture cristalline, sia i vetri che sono la versione disordinata. E quindi la grande famiglia dei ceramici ha le diverse classi in base a questa definizione. E allora troveremo:

• I ceramici tradizionali: quelli derivanti dall’argilla (porcellane, mattoni)
• I vetri, essenzialmente a base silice
• I ceramici ingegneristici: quelli che derivano da un’ottimizzazione del materiale che è nata per specifiche applicazioni.

I materiali ceramici possono essere ancora classificati sulla base della loro composizione chimica perché a seconda che l’atomo non metallico sia ossigeno o altro dividiamo i materiali ceramici in:

• Ceramici ossidici silicatici: in cui oltre all’ossigeno abbiamo il silicio
• Ceramici che contengono solo atomi di ossigeno: allumina, magnesia, zirconia
• Ceramici in cui l’atomo non metallico non è un ossigeno: carburi, nitruri, boruri.

Caso particolare: diamante e grafite. Sono dei materiali, costituiti da legami covalenti, per ragioni puramente meccaniche sono molto simili ai ceramici; non hanno atomi metallici all’interno.

Caratteristiche principali:

• Isolanti, termici ed elettrici
• Temperature di fusione molto elevate (allumina fonde a 2054°C); dai 1500°C in su per ceramici ingegneristici
• Refrattarietà: resistono bene alle alte temperature; anche a temperature elevate riescono a garantirci delle prestazioni che ci garantiscono normalmente a temperatura ambiente e quindi sono gli unici che ci permettono di lavorare ad alta temperatura sottoposti a delle sollecitazioni meccaniche
• Resistono molto bene agli ambienti aggressivi
• Elevate caratteristiche meccaniche, elevate durezze
• Il difetto principale è la loro fragilità: si rompono in maniera immediata e irreversibile (subiscono solo deformazione di tipo elastica)

Non si possono realizzare componenti meccanici passando da fuso; dover fondere l’allumina vuol dire dal punto di vista industriale un costo impossibile da sostenere. E allora si sceglie un altro processo: processo da polveri. Quali sono le applicazioni? La fragilità limita tanto le applicazioni dei materiali ceramici, perché possono rompersi da un momento all’altro. E allora sono utilizzati per la realizzazione dei supporti del catalizzatore nelle marmitte catalitiche (durante la catalisi c’è lo sviluppo di un ambiente altamente aggressivo a temperature elevate), nel rivestimento dello space shuttle (rientro in atmosfera terrestre), creare rivestimenti dei metalli oppure nell’ambito biomedicale.

Polimeri

Materiali molto particolari perché basati su lunghe catene che prendono il nome di macromolecole in cui c’è uno più gruppi di atomi legati tra di loro sempre allo stesso modo che prendono il nome di monomeri che si ripetono continuamente all’interno di questa catena. Tale famiglia si basa su catene di atomi di carbonio. Richiamo di chimica: l’atomo di carbonio si può legare solo attraverso legami covalenti e ne fa quattro. Nella catena polimerica due di questi legami vanno a creare la catena e gli altri due sono utilizzati per legare tanti atomi di idrogeno, ma nelle diverse tipologie di polimero possiamo andare a sostituire gli atomi di idrogeno con altri atomi (ossigeno, per esempio); in generale per adesso ci basta sapere che all’interno dei materiali polimerici abbiamo legami covalenti all’interno della catena (legano i carboni tra di loro) e tra le diverse catene abbiamo legami di tipo secondario (dipolo-dipolo).

In base a differenze a livello di legame tra le catene andiamo ad avere tre classi dei polimeri.

• Termoplastici: unici polimeri che possiamo definire duttili, quindi in grado di deformarsi plasticamente
• Termoindurenti: polimeri che hanno un comportamento fragile
• Elastomeri: polimeri fragili con una deformazione elastica elevatissima.

La differenza dipende da come le catene interagiscono tra di loro. Caratteristiche:

• Vantaggio principale: bassa densità
• Resistenza meccanica bassissima
• Stabilità termica bassa, perché i polimeri hanno temperature di fusione molto basse (alcuni fondono a 80°C)
• Grosso vantaggio di essere facilmente formabili; processi di produzione semplici ed economici
• Non reagiscono molto bene ad ambienti aggressivi
• Alcuni di loro sono riciclabili.

Riciclare un metallo e un polimero: processo infinito per i vetri, infinito per i metalli, non è infinito per i polimeri; perché il processo di fusione va a modificare le catene e le danneggia.

Compositi

In compositi sono la combinazione vincente di due materiali: effetto sinergico che porta ad un aumento delle proprietà rispetto alla semplice somma dei due. I compositi vengono classificati in base alle quantità che costituiscono il materiale: quello in quantità maggiore prende il nome di matrice, quello che aggiungiamo prende il nome di rinforzo. Questa definizione fa sì che anche il legno venga considerato un composito naturale. Tipici materiali compositi: vetroresina (polimero con fibre di vetro); in questo modo superiamo il limite della resistenza bassa dei polimeri, mantenendo la bassa densità. Anche qui le combinazioni sono infinite.

Densità e modulo elastico

Iniziamo ad analizzare due proprietà dei materiali: densità e modulo elastico. In particolare, iniziamo dal modulo elastico. Per avviarci verso queste due proprietà torniamo a qualche concetto di chimica. Ci concentriamo sull’energia che i materiali hanno al loro interno andando a riprendere un concetto base che riguarda essenzialmente i legami chimici. Per far questo iniziamo dicendo che facciamo riferimento al modello di Bohr: nell’atomo abbiamo il nucleo dove si concentrano le cariche positive attorno al quale vanno poi a ruotare gli elettroni sugli orbitali; ma la cosa che ci interessa è che nelle trattazioni per semplicità andiamo ad assimilare l’atomo ad una sfera rigida; quindi le rappresentazioni saranno quelle di sfere bidimensionali.

Iniziamo da una coppia di atomi, che vediamo come sfere e andiamo a vedere cosa succede nel momento in cui questi atomi sono ad una distanza tale da risentire della presenza l’uno dell’altro. Nel momento in cui iniziano ad avvicinarsi, gli atomi tenderanno, attraverso la distribuzione parziale di carica, ad attrarsi in una prima fase; mentre, nel momento in cui arriviamo a distanza troppo piccole prevale la forza repulsiva. Sulla base di queste forze i due atomi tenderanno a stabilire un certo andamento della forza, sin quando non troveranno una condizione ottimale per la formazione del legame. E allora vediamo cosa succede a livello di forze che si instaurano fra gli atomi nel momento in cui la distanza tra loro inizia a modificarsi. Nella rappresentazione manteniamo uno degli atomi fisso e vediamo cosa succede nel momento in cui l’altro si avvicina; al diminuire della distanza interatomica la forza attrattiva va aumentando fino ad arrivare ad un massimo tendente all’infinito per una certa distanza. Durante l’avvicinamento entrano in gioco anche forze repulsive che avranno un andamento differente e infatti vediamo che le forze repulsive che vanno nel quadrante negativo della forza, vanno ad essere nulle a grandi distanze, iniziano poi man mano ad aumentare solo oltre una certa distanza e anche queste tenderanno, nel momento in cui gli atomi sono troppo vicini, all’infinito. Quello che mi serve per ragionare sul sistema complessivo, non sono i contributi singoli di attrazione e repulsione, ma la forza totale, ossia la risultante della somma distanza per distanza di forze attrattive e repulsive che i due atomi mettono in gioco.

Quando abbiamo un bilanciamento tra forze repulsive e forze attrattive, la forza totale è nulla. Questa è la condizione in cui i due atomi riescono a stabilire il legame tra di loro. In realtà ci conviene ragionare in termini di energia. E allora trasformiamo quella curva forza-distanza nella curva energia-distanza e andiamo a vedere che man mano che l’atomo si avvicina abbiamo un’energia del sistema che diminuisce fino ad arrivare ad un minimo oltre il quale l’energia del sistema aumenta in maniera vertiginosa. La cosa che ci interessa e che dobbiamo iniziare a comprendere è che nel momento in cui i due atomi si trovano alla distanza ottimale, in termini energetici siamo nella condizione di minima energia. Questa è la condizione che gli atomi prediligono: in qualsiasi solido, gli atomi vanno ad assumere una condizione di minima energia, la massima stabilità del sistema corrisponde a quel punto di minimo. Ovviamente anche nel caso dell’energia abbiamo il contributo energetico repulsivo e quello attrattivo che dipenderà da quelle forze che prima abbiamo visto svincolate fra di loro. Curve di Condon-Morse a distanza di legame.