Appunti di tecnologia dei materiali

TECNOLOGIA DEI MATERIALI

STRUTTURA DELLA MATERIA

Almeno per tutti gli stati di aggregazione finora studiati nei materiali, è risultato che lo stato di aggregazione che ci interessa di più è quello SOLIDO. I materiali si possono classificare in base a tanti parametri:

• La natura chimica
• La struttura o vedremo cosa si intende per "STRUTTURA"
• Le proprietà (fisiche, chimiche, tecnologiche, che vedremo nelle prossime lezioni)
• Le applicazioni

STRUTTURA

Per struttura si intende la STRUTTURA a livello MACROSCOPICO e SUB MICROSCOPICO di un materiale.

La struttura è importante perché a parità di COMPOSIZIONE CHIMICA è possibile trovare sostanze che hanno la STESSA FORMULA CHIMICA ma proprietà molto DIVERSE in funzione della loro STRUTTURA, che può essere AMORFA o CRISTALLINA.

A parità di composizione chimica, quindi, due materiali, uno AMORFO e l'altro CRISTALLINO, tendono a avere proprietà diversa. Ad esempio:

- Un materiale amorfo di solito è trasparente

- Un materiale cristallino, di solito, è opaco

Vi sono anche tante altre proprietà fisiche che possono essere diverse tra due materiali che hanno la stessa composizione chimica ma diversa struttura (cioè cristallina o amorfa). Il tipico esempio è il seguente:

ES. ESEMPIO

Consideriamo la seguente sostanza: SiO₂

Questa si chiama biossido di silicio (nomenclatura IUPAC) o anche silice. Nonostante la formula della silice sia solo SiO₂, a seconda che abbiamo a che fare con silice amorfa o silice cristallina avremo due materiali completamente diversi:

• Silice amorfa: un tipico esempio di silice amorfa è il vetro
• Silice cristallina: un tipico esempio di silice cristallina è il quarzo

Il vetro e il quarzo sono totalmente diversi:

• Il vetro è trasparente
• Il quarzo è opaco

Ma vediamo di capire meglio cosa vuol dire amorfo e cristallino.

FIGURA GEOMETRICA DI BASE che ("mattone") si RIPETE IN TUTTE LE DIREZIONI!

Nel caso di QUARZO questo "mattone" è un CUBO, mentre nel caso della CRISTOBALITE questo "mattone" è un PRISMA A BASE ESAGONALE! Quindi, in generale, potremmo avere tante possibilità!

—> Il risultato è che se la formula chimica della sostanza è la stessa ma il MATTONE DI BASE della struttura cristallina è diverso, vengono fuori due tipi di materiali completamente DIVERSI come il QUARZO e la CRISTOBALITE.

Allora, possiamo dire che mentre i materiali AMORFI NON hanno un ordine geometrico preciso, quelli cristallini sono costituiti da atomi o molecole che seguono un preciso ordine geometrico nello spazio regolare: cioè, questo ordine ha un nome ed è "CELLA ELEMENTARE" o "CELLA UNITARIA" che è come se si RIPETESSE NELLE 3 DIREZIONI, CREANDO UNA STRUTTURA 3D DETTA "RETICOLO CRISTALLINO"!!

Un altro esempio di solido CRISTALLINO è il CLORURO DI SODIO (NaCl): dentro un granello di sale abbiamo milioni di ioni ^Na+ e ^Cl- che si dispongono secondo un RETICOLO CRISTALLINO dato dalla ripetizione in tutte le direzioni di una CELLA UNITARIA CUBICA contenente ioni ^Na+ e ioni ^Cl-.

SISTEMA ORTOROMBICO

Si tratta di un sistema che comprende celle a parallelepipedo con base rettangolare a≠b. Esso comprende 4 tipologie di celle:

1. CELLA ORTOROMBICA SEMPLICE
2. CELLA ORTOROMBICA A BASE CENTRATA
3. CELLA ORTOROMBICA A CORPO CENTRATO
4. CELLA ORTOROMBICA A FACCE CENTRATE

SISTEMA TRIGONALE (O ROMBOEDRICO)

Questo sistema è anche detto "ROMBOEDRICO" perché la cella è costituita da un prisma in cui ogni faccia è un rombo

Difetti nei Reticoli Cristallini

Non è affatto vero che i reticoli cristallini, come si potrebbe pensare, siano perfetti. Nei reticoli cristallini si possono avere vari tipi di difetti di vario tipo:

• Difetti di punto (puntuali)
• Difetti di linea (dislocazioni)
• Difetti di superficie

1) Difetti di Punto

Sono difetti che si creano in corrispondenza di punti ben precisi (isolati) del reticolo cristallino. Vediamo qui due esempi:

2) Vacanze

Di lato è mostrata la rappresentazione bidimensionale di un reticolo a cella cubica. Un primo difetto puntuale è rappresentato dalle cosiddette "vacanze", che sono dei punti nel reticolo cristallino in cui dovrebbe esserci un atomo, il materiale c’è il nulla.

atomo ESTRANEO (come accade nel caso dell’ACCIAIO, il CARBONIO), dovuta alla presenza nel medesimo interstizio di uno IONE (Na⁺ in questo caso) che di fatto fa parte del RETICOLO CRISTALLINO del materiale in esame.

- DIFETTI DI SCHOTTKY:

è dato dalla comparsa di DUE VACANZE (come è possibile notare nella figura b e nel precedente osservando gli scorsi noti evidenziati in arancione). Le due vacanze NON sono casuali; si tratta di:

1. VACANZA DI UN CATIONE (Na⁺, in questo caso)
2. VACANZA DI UN ANIONE (Cl^-, in questo caso)

Ma perché se manca uno IONE POSITIVO deve mancare pure uno IONE NEGATIVO? Il motivo è che se non fosse così, allora il dado ionico non risulterebbe più EQUILIBRATO ELETTRICAMENTE: se mancasse solo uno IONE POSITIVO (Na⁺), si avrebbe un ECCESSO di CARICHE NEGATIVE di ioni (Cl^-), e viceversa!

2) DIFETTI DI LINEA (O DISLOCAZIONI)

Questi ultimi difetti sono un po’ più complessi, per cui cercheremo di sintetizzarli per evitare confusioni; d’ora in poi noi chiameremo i difetti di linea DISLOCAZIONI.

Esistono 2 FAMIGLIE di dislocazioni:

PLASTICO. Un materiale DUTTILE si distingue da un materiale FRAGILE per il fatto che un materiale DUTTILE si può deformare mentre un materiale FRAGILE no.

Così si ROMPERÀ, considererò se lo deformiamo POCO, NON è detto che un materiale DUTTILE abbia un comportamento PLASTICO: esso avrà un comportamento ELASTICO, ossia si DEFORMA MA, appena lo schiacciamo, esso RITORNA ELASTICAMENTE alla forma ed alle DIMENSIONI INIZIALI.

Se invece, deformiamo un materiale DUTTILE di più, sottoponendolo a forze MAGGIORI, questo subirà una deformazione PLASTICA (irrecuperabile).

DUTTILITÀ = Attitudine di un materiale a lasciare Brandelli mentre viene piegato; rimaneggiato; rotto.

COMPORTAMENTO PLASTICO = è il comportamento che manifesta un materiale DUTTILE quando si deforma PLASTICAMENTE, cioè quando si deforma in modo PERMANENTE.

Consideriamo poi una bottiglia di plastica (che è fatta di un materiale POLIMERICO detto "PET") e la schiacciamo POCO, essa non comprimere; ma appena viene placata, essa ritorna alla forma iniziale.

Se invece, schiacciamo la bottiglia in modo più VIOLENTO, essa si deformerà PLASTICAMENTE, cioè in modo permanente.

La stessa cosa accade in una LAMINA IN METALLO, se le comprimiamo LATERALMENTE.

Formano gli acciai e proviamo di guardare al microscopio un campioncino di acciaio a temperatura ambiente:

Osservando un pezzo infinitesimo di acciaio, noi noteremmo che a temperatura ambiente l’acciaio presenta vari strati alternati:

• Alcuni strati sono scuri (sono quelli campiti e matita nello figura da spazio) che hanno un colore quasi nero
• Alcuni strati sono più chiari (di grigio chiaro)

Vedremo più avanti che:

• Gli strati più chiari (grigio chiaro) sono fatti di ferro con pochissimo carbonio (massimo lo 0,02%) tutti gli strati piu chiari hanno la stessa composizione chimica poiché contengono tutti la stessa % di carbonio (max 0,02%) tali strati costituiscono la 1a fase del materiale .
• Gli strati più scuri (quasi neri) sono fatti di ferro con un percentuale di carbonio molto maggiore: tali strati sono molto più scuri proprio perché contengono più carbonio ed il carbonio è nero! -> Gli strati più scuri contengono una % di carbonio intorno al 6%! Tali strati costituiscono la 2a fase del materiale .