Appunti lezioni Scienze dei materiali

1. Classificazione dei materiali

ha l'obiettivo di stabilire dei collegamenti tra la struttura dei materiali e le sue

Scienza dei materiali:

proprietà. Studia le relazioni che intercorrono tra i processi produttivi e le proprietà (es acciai con diverso

processo produttivo).

la disposizione spaziale degli atomi, molecole o ioni all'interno di un materiale.

Struttura: il modo in cui il materiale risponde alle sollecitazioni esterne (ambiente, meccaniche, chimiche,

Proprietà:

termiche ecc.)

Si può effettuare una classificazione dei materiali in base al tipo di legame chimico, struttura (cristallina o

amorfa) o secondo le applicazioni.

Classificazione dei materiali in base ai legami chimici

• Legame metalli puri e leghe metalliche

metallico:

• Legame materiali composti di ossidi (ceramici tradizionali), come ceramica e vetro

ionico:

• Legame es. diamante, carburi e nitruri. Appartengono alla categoria dei ceramici avanzati

covalente:

• Legami di comprende i polimeri, le resine, termoplastici, gomme ecc. Sono fatti

Van der Waals,

essenzialmente da carbonio (formano tra di loro legami covalenti all'interno di un'unica molecola) e

da idrogeno (che formano L. di Van der Waals fra una catena e l'altra). I legami covalenti non hanno

quasi alcuna influenza sulle proprietà meccaniche.

Legame metallico (Metalli)

I metalli sono costituiti da atomi (non da molecole). Sono di norma allo stato In questo stato gli

cristallino.

atomi sono disposti in modo ordinato. Esistono poi i vetri metallici che hanno atomi metallici ma con una

struttura disordinata.

Vengono generalmente prodotti per fusione e danno origine a leghe: acciai, leghe leggere (alluminio,

titanio), leghe di rame.

prevede che ci siano dei nuclei disposti in maniera ordinata, mentre gli elettroni di

Legame metallico:

valenza non sono legati ai singoli atomi, ma formano un mare di elettroni, che schermano le cariche

positive dei nuclei. Infatti, gli ioni positivi si respingerebbero se il loro campo positivo non fosse schermato

dagli elettroni distribuiti. Un legame metallico è non direzionale: un atomo non è legato in modo specifico

ad un altro atomo. È un legame di forza medio alta (se voglio allontanare due nuclei legati, occorre molta

energia, fino alla fusione) con elettroni non localizzati.

Proprietà che sono principalmente dovute alla forza del legame:

• riguarda il comportamento elastico del materiale, cioè come il materiale si comporta

Rigidezza:

quando è soggetto ad una forza, che genera una deformazione elastica reversibile. È la forza che il

materiale oppone ad una deformazione elastica reversibile: maggiore la rigidezza, maggiore la forza

da applicare per causare una stessa deformazione.

• la resistenza che un materiale oppone all'incisione (indentazione, cioè applicare un carico

Durezza:

attraverso una punta, carico puntuale). È una proprietà collegata alle proprietà plastiche del

materiale, riguarda quindi deformazioni permanenti.

• dipende dalla forza di legame.

Temperatura di fusione:

• il cambiamento di volume che un materiale ha quando riceve una variazione di

Dilatazione termica:

temperatura contenuta al suo stato solido (sotto la temperatura di fusione). Questo è dovuto

all'allontanamento relativo degli atomi, pur mantenendo la disposizione ordinata.

Proprietà che dipendono dall'energia degli elettroni:

• gli elettroni fluiscono nella direzione del polo positivo, infatti non hanno un

Elevata conducibilità:

legame preferenziale con un atomo, quindi seguono il campo elettrico. 1

• la lucidità dipende dal fatto che gli elettroni interagiscono con le onde

Elevata riflettenza:

elettromagnetiche della luce, riflettendola per la grande maggioranza.

Legame ionico (ossidi, vetri)

È il legame tipico dei È un tipo di legame che si instaura tra un atomo metallico e uno

ceramici tradizionali.

non metallico (Ossigeno per gli ossidi), nel quale il metallo cede un elettrone al non metallo. La forza di

attrazione è di tipo coulombiano, è adirezionale, ed è il legame più comune tra i ceramici. In generale,

l'atomo del non metallo ha dimensioni maggiori rispetto a quelle del metallo. Inoltre, gli elettroni hanno

una stretta appartenenza ad un certo ione. Ogni ione assume una posizione stabile poiché risente

dell'interazione di tutti gli ioni vicini.

Legame covalente (nitruri, carburi)

È il legame tipico dei Gli elettroni sono condivisi tra atomi per saturarne la valenza. È un

ceramici avanzati.

legame direzionale, infatti gli elettroni di legame si trovano per un tempo uguale su ognuno dei due atomi

(ogni elettrone appartiene ad un legame). Es. il diamante.

Legami covalenti e ionici sono legami simili infatti sono entrambi legami molto più forti del legame

metallico. Inoltre, sono entrambi legami localizzati.

Differenze:

• Il covalente è direzionale, lo ionico è a direzionale

• Il covalente è il tipo di legame più forte

• La forza di legame dello ionico si trova tra metallico e covalente

• Gli elettroni di legame, nello ionico, appartengono ad un solo nucleo, mentre nel covalente sono

condivisi tra più nuclei

Proprietà dei ceramici che dipendono dalla tra atomi/ioni:

forza di legame

• Rigidezza

• Durezza

• Temperatura di fusione alta, infatti non possono essere prodotti per fusione

• Dilatazione termica molto bassa: gli atomi sono legati così strettamente che è molto difficile

allontanarli

Proprietà dei ceramici che dipendono dall'energia degli elettroni:

• Bassa conducibilità termica ed elettrica. Infatti, gli elettroni non sono liberi di allontanarsi dal proprio

atomo: per un elettrone, la situazione termodinamica più stabile possibile, è intorno al proprio atomo

• Bassa riflettenza: la radiazione luminosa viene assorbita o deviata dagli elettroni

Esempi di applicazione

Le proprietà piezoelettriche (proprietà di alcuni materiali cristallini di polarizzarsi, generando una differenza

di potenziale, quando sono soggetti a una deformazione meccanica) di alcuni ceramici li rendono adatti nel

campo della sensoristica. I sensori ceramici sono robusti, compatti, non hanno parti mobili soggette quindi

ad usura, affidabili anche in ambienti aggressivi (non corrodono). Usati come guarnizioni cuscinetti, valvole.

Presentano un'alta resistenza meccanica, stabilità dimensionale ad alta temperatura, eccellente stabilità

chimica. Utilizzati per guarnizioni degli iniettori, cuscinetti di pompe o parti di valvole.

Legami secondari (Polimeri)

Anche detti legami di Van der Waals, si presentano quando ci sono dei dipoli, che causano interazioni di

tipo fisico senza trasferimento di elettroni. I dipoli possono essere temporanei o permanenti. L'interazione

tra dipoli temporanei si dicono legami di London (es nei gas inerti, He). All'interno di una molecola, la

distribuzione degli elettroni non è mai perfettamente simmetrica, quindi si creano delle differenze di 2

potenziale temporanee, che a loro volta causano delle forze di attrazione elettrostatico. Questi fenomeni si

dicono In media, su un tempo relativamente lungo su scala atomica, la distribuzione

dipoli temporanei.

degli elettroni all'interno della molecola è uniforme.

I legami a idrogeno derivano da Essi sono causati da legami covalenti con leggere

dipoli permanenti.

differenze di elettronegatività: in questi casi gli elettroni di legame sono distribuiti di più sull'atomo più

elettronegativo, che ha una debole carica negativa permanente nel tempo. Nel liquido le molecole si

dispongono in modo da affacciare la parte negativa, alla parte positiva di un'altra molecola e viceversa (in

modo da avere un'interazione elettrostatica).

I sono caratterizzati da legami deboli: ne sono un esempio le termoplastiche, i termoindurenti, e le

polimeri

gomme. Essi hanno legami covalenti e di Van der Waals. Ad esempio, nel polietilene, si ha una

macromolecola di atomi di carbonio legati tra loro tramite legami covalenti, e a cui sono legati idrogeni

tramite legami covalenti. I legami che ne caratterizzano le proprietà sono i legami intermolecolari che si

formano tra diverse molecole. A seconda del tipo di polimero si possono avere dipoli permanenti o

temporanei. Polimeri come il Nylon (contengono gruppi -N-H a parziale carica positiva e -C=O a parziale

carica negativa) hanno legami ad idrogeno forti. Si dispongono in modo da affacciare i legami -N-H a quelli -

C=O, in modo da formare un ponte idrogeno. Questo causa un aumento del punto di fusione.

Nei poliesteri le interazioni dipolo-dipolo permanenti sono causate dal gruppo -C=O e da CH . Essi

2

determinano maggiore flessibilità, più basso punto di fusione.

Altri polimeri, come il polietilene non ha nessun atomo fortemente elettropositivo o elettronegativo. La

differenza di elettronegatività tra C e H è minima, quindi si parla di dipoli indotti. Questo causa punti di

fusione e resistenza meccanica ancora più bassa.

Proprietà dei polimeri che dipendono dai legami tra macromolecole:

• Elastici

• Soffici

• Temperature di fusione basse (<250°C)

• Dilatazione termica molto alta: è necessaria poca energia per allontanare le molecole dalle proprie

posizioni di equilibrio.

Proprietà dei polimeri che dipendono dall'energia (dipendono principalmente dai legami

degli elettroni

covalenti di cui sono composte le molecole):

• Bassa conducibilità termica ed elettrica

• Opachi

Ai polimeri appartiene la categoria dei polimeri ingegneristici. Essi vengono utilizzati per sopportare carichi,

anche se piccoli.

Legami misti

Si hanno quando in uno stesso materiale si osservano legami di natura diversa, che apportano ai materiali

delle caratteristiche intermedie. Ad esempio, la grafite: legami covalenti e interazioni di Van der-Waals. La

cementite, come i sistemi bronzi o ottoni, ha dei legami ionici e metallici. La silice SiO ha un legame misto

2

che dipende dalla differenza di elettronegatività dei suoi componenti. In questo legame, la % di ionicità del

legame è più alta rispetto alla % di covalenza.

Classificazione secondo la struttura

In questo tipo di classificazione ignoro la chimica del materiale, prendendo come soggetto d'indagine la

struttura. Si possono dividere in due grandi categorie: solidi cristallini e solidi amorfi (ad eccezione dei solidi

semicristallini).

Struttura atomi o ioni sono disposti in maniera ordinata (come nei metalli e ceramici tradizionali

cristallina:

e avanzati)

Struttura o vetrosa: struttura disordinata (come nei vetri e polimeri amorfi)

amorfa 3

presentano alcune zone con una struttura amorfa e alcune zone con una struttura cristallina

Semicristallini:

(come alcuni polimeri).

La silice SiO , la cui molecola ha una struttura tetraedrica, può essere cristallina o amorfa in base al

2

meccanismo di produzione: la silice cristallina, o quarzo, ha un ordine a lungo raggio, quella amorfa ha un

ordine a corto raggio (conserva cioè, solo la struttura tetraedrica).

[La silice ha una struttura che fa legare il silicio a quattro atomi di ossigeno. La differenza tra formula bruta

e molecola è dovuta dal fatto che la silice non è un materiale molecolare (formula bruta diverso da

composizione della singola molecola).]

Proprietà che dipendono dalla struttura:

• Meccanismo di fusione: i cristallini hanno una temperatura di fusione ben definita, gli amorfi fondono

per successivo rammollimento.

• Trasparenza: i materiali cristallini (o policristallini) sono non trasparenti, gli amorfi sono trasparenti.

Per quanto riguarda i polimeri, quelli trasparenti sono amorfi, quelli non trasparenti sono

semicristallini (polimeri cristallini non esistono)

Classificazione secondo le applicazioni

I materiali strutturali vengono utilizzati per sostenere un carico, altrimenti vengono detti funzionali. Quasi

tutti i materiali sono sia strutturali che funzionali.

• Strutturali: leghe, metalli, ceramici strutturali (vetri rinforzati), alcuni polimeri termoindurenti,

compositi (principalmente matrice metallica e rinforzo ceramico), CFRP (carbon fiber reinforced

polymer)

• Funzionali: nitruri, carburi, ceramici avanzati, polimeri termoplastici

Materiali compositi

Sono materiali in cui si distinguono una matrice, fase continua, e una fase rinforzante o tenacizzante, o

particelle. Possono risultare utili per:

• Aumentare la durezza di materiali metallici: metalli con rinforzi ceramici

• Aumentare rigidità e resistenza a trazione di materiali polimerici: polimeri con rinforzi di fibre di vetro

o carbonio ceramico

• Ridurre il peso: ceramici con rinforzo metallico 4

2. Proprietà elastiche dei materiali

L'applicazione di una forza ad una struttura crea uno stato di sollecitazione che determina una

σ

deformazione. Si definisce sforzo o tensione il rapporto tra la forza F e la superficie A.

ε

La deformazione in seguito a una sollecitazione di trazione o compressione è uguale all'allungamento

fratto la lunghezza iniziale.

È un numero positivo se la forza è di trazione, negativo se di compressione.

Se la forza viene applicata in direzioni non parallele all'asse della trave, si hanno degli sforzi di taglio. In

γ

questo caso, la deformazione in seguito ad una sollecitazione di taglio risulta:

θ

Dove è l'angolo di taglio, d è lo spostamento laterale misurato, e b è la distanza tra gli assi delle due forze,

G il modulo di taglio.

Le prove di trazione vengono fatte per studiare la deformazione del provino in funzione dei carichi

applicati. In fare elastica lineare vale la legge di Hook, che descrive l'equazione di una retta passante per

l'origine, il cui coefficiente angolare varia in base al tipo di materiale. Questa legge descrive la prima fase

della deformazione del materiale, in cui esso si comporta in modo elastico lineare. Sia E il modulo di Young:

La prova di pressione idrostatica consiste nell'immergere il provino in un olio a cui viene applicata una

pressione, che quindi corrisponde all'applicare una forza distribuita su tutta la superficie. Vale la relazione:

Dove K è il modulo di elasticità cubica.

Si osserva che il modulo elastico dipende strettamente dalla forza di legame. Il modulo elastico decresce

generalmente in questo modo: Covalenti>Ionici>Metallici>Polimeri. A parità di forze di legame conta anche

la struttura: una struttura ordinata ha un modulo elastico maggiore di una struttura amorfa (es. i vetri).

Per i compositi vale la il modulo elastico di un composito equivale alla media pesata

regola delle miscele:

sul volume, dei moduli elastici dei materiali di cui è composto.

Il modulo elastico, essendo strettamente collegato alla forza di legame, segue un andamento simile alla

temperatura di fusione: E maggiore, T di fusione maggiore.

All'applicazione di un carico (sempre nel campo elastico), gli atomi (/molecole) si allontanano leggermente

nella direzione dell'asse del carico, allungando il legame in quella direzione, aumentando la loro energia,

per cui tendono a tornare in una posizione di minima energia, cioè quella che si ha per il carico applicato

nullo.

La curva di Condon-Morse rapporta la distanza di legame tra due atomi alle forze con cui esso risponde, per

tornare in una posizione ad energia minima. Si osserva che la parte di questa curva vicina alla distanza di

legame a riposo, assume un andamento lineare che ripercorre fedelmente l'andamento della curva di

trazione dello stesso materiale, in fase elastica. In particolare, la differenza tra un legame forte e uno

debole sta nella pendenza della curva di Condon-Morse, poco pendente (<<90°) per i legami deboli e molto

pendente per i legami forti. 1

Il modulo elastico ha una dipendenza dalla temperatura, infatti, all'aumento di T aumenta la distanza tra gli

atomi, per cui la forza di legame diminuisce.

Tutto ciò non vale però per i polimeri: infatti nella trazione di una fibra polimerica, aumentano gli angoli di

legame tra i C appartenenti alla catena principale; inoltre le molecole si allungano (precedentemente sono

più arrotolate) nella direzione dell'applicazione del carico.

In generale per tutti i tipi di acciaio, il tratto elastico lineare coincide, poiché i legami più importanti sono

quelli tra atomi di Fe e non è molto dipendente dalle piccole quantità di atomi diversi che vi sono in esso.

Quello che succede una volta superata la fase elastica lineare dipende da materiale in materiale:

• i materiali fragili si fratturano, come ad esempio i vetri e i ceramici, che mancano di una fase

Frattura:

di deformazione plastica;

• Le deformazioni continuano, ma in campo plastico. Se in questa fase rimuovo

Plastiche permanenti:

il carico, il materiale si riaccorcia ripercorrendo tutta la fase elastica, ma sarà più lungo dello stato

iniziale, del contributo dato dalla deformazione plastica. È una caratteristica dei materiali duttili. In

essi il limite di elasticità coincide con quello di linearità: finché la curva è una retta, la deformazione è

elastica. In questo caso il modulo elastico è unico, e descrive sia le deformazioni in fase di carico, che

in caso di scarico

• cioè non sono più proporzionali alle forze. Si

Le deformazioni restano elastiche, ma non più lineari,

dice deformazione anelastica o viscoelastica, tipica dei materiali polimerici o delle ghise. In questo

caso la curva di scarico è diversa dalla curva di carico, per cui ho due moduli elastici: uno per il carico

e uno per lo scarico. Questo si verifica quando le deformazioni hanno una dipendenza dal tempo: a

differenza delle deformazioni plastiche permanenti, che sono istantanee, il materiale ha un "tempo di

recupero" dalla de