Appunti Materiali

APPLICAZIONI DEI MATERIALI/

LOUSTEAU

LEZ 1 ; pag.13

INTRO CLASSI DEI MATERIALI

Materiali divisi in classi, definite in base alla struttura chimica del materiale:

POLIMERI

METALLI

CERAMICI-VETRI E LEGANTI

LIGNEI

PROPRIETÀ dei materiali

Fondamentali x selezionare quello + adatto allo scopo;

Dipendono da:

- Natura atomi e LEGAMI

- Distribuzione e disposizione spaziale atomi e molecole: STRUTTURA

- DIFETTI nella distribuzione

ATOMO

- Circa 100 atomi STABILI IN NATURA

- Atomi differiscono x numero neutroni (ioni) e protoni ed elettroni

- Modello atomo di Bohr

basato su orbitali stabili con livelli energetici determinati che ospitano un

numero definito di elettroni. Gli elettroni possono muoversi da un livello all’altro

cedendo o acquisendo energia. Modello descrive atomo e la sua

struttura elettronica.

- COMPORTAMENTO FISICO-CHIMICO ATOMO DIPENDE SOPRATTUTTO DAI

SUOI ELETTRONI DI VALENZA (livello energetico + esterno)

Mendeleev aveva avvicinato nella tavola periodica elementi dal

comportamento simile, senza essere a conoscenza degli elettroni di valenza, la

distribuzione è comunque uguale gruppi

con atomi con lo stesso numero di elettroni di valenza negli stessi

(colonne)

-> ATOMI tendono a formare legami chimici x COMPLETARE LIVELLO DI VALENZA

e raggiungere la stabilità elettronica.

->ELETTRONEGATIVITÀ (X): capacità di attrarre elettroni altro atomo x

completare valenza; aumenta nei gruppi vicini ai gas nobili xk acquisiscono

elettroni, mentre quelli lontani dai gas nobili con 1 o 2 e- di valenza tendono a

cederli, quindi sono meno elettronegativi.

-> ELEMENTI CHIMICAMENTE INERTI se livello energetico di valenza completo con

8 elettroni (2 x elio) perché NON ha tendenza a formare nuovi legami

LEGAMI

COVALENTE

 ΔE < 1.5

PURO: atomi uguali o con uguale X -> coppia elettronica divisa in

o modo simmetrico

Molecola POLARE

POLARE: X diversa, elettroni spostati verso atomo + elettronegativo

o si forma DIPOLO ELETTRICO: molecola con una parte elettricamente

+ e altra -

Molecola APOLARE

Atomi CONDIVIDONO fino a 3 coppie di elettroni

Orbitali elettroni condivisi sovrapposti

FORTE xk atomi completano valenza, si crea una molecola STABILE

x rompere legame necessaria >>> Energia; E legame = 520-1250

DIREZIONALE -> materiale fragile, scarsa conduzione xk atomi

stabili

Composti o elementi(H2); solidi, liquidi, gas

Es. Idrogeno H2, carbonio in catene

IONICO

 ΔE > 1.5

Tanta ΔE -> si formano 2 IONI (uno + e uno -) xk

atomo con >X “strappa” elettroni da atomo con <X,

NO condivisione ma ATTRAZIONE ELETTROSTATICA tra cariche opposte

FORTE Energia= 625-1550kJ/mol

Materiale fragile, scarsa conducibilità (conducono da liquidi)

Solo composti, solidi con alta Tm

METALLICO



Tra atomi elementi metallici x formare AGGREGATI CRISTALLINI

IONI + in posizioni fisse e ordinate nello spazio circondati da NUVOLA

ELETTRONICA MOBILE DI ELETTRONI DELOCALIZZATI (non legati a un atomo

specifico ma ceduti dagli atomi e condivisi. Si spostano creando e

distruggendo legami ogni frazione di secondo.

(attrazione reciproca tra nuvola e ioni + xk di cariche opposte)

-> legame responsabile proprietà macroscopiche elementi metallici

come CONDUCIBILITÀ TERMICA ED ELETTRICA, LUCENTEZZA

MELLABILITÀ e DUTTILITÀ xk offre movimenti ai nuclei atomici

FORTE

E = 100-800

Ma metalli hanno bassa E ionizzante (necessaria ad allontanare e- da

atomo)

DEBOLE



INTERAZIONI ELETTROSTATICHE tra molecole o gruppi atomi con distribuzione

elettrica asimmetrica (DIPOLO ELETTRICO)

X macromolecole legami deboli che danno RESI A SOLLECITAZIONI come polimeri

Idrogeno

o Van Der Waals x dipolo molto debole

o

E<40

CLASSI DI MATERIALI dipendono da legami:

SOLIDI METALLICI



Duttili e malleabili, conduttori e lucenti x nube elettronica

METALLI

SOLIDI COVALENTI



1 o pochi tipi di atomi

Alte T fusione

Es. diamante

SOLIDI IONICI



Ioni molto uniti

Alte T fusione

Duri e fragili,

NON conducono xk elettroni tutti occupati nelle valenze (tranne che

liquidi)

Es. NaCl, CERAMICI

SOLIDI MOLECOLARI (legami deboli)



Basse T fusione

Es. LEGNO, zuccheri

STRUTTURA

Distribuzione spaziale atomi e difetti nella distribuzione conferiscono proprietà

macroscopiche a materiale. 3 tipi di struttura:

- CRISTALLINA

Atomi/gruppi disposti in modo ORDINATO E RIPETITIVO nello spazio secondo un

reticolo

Legami forti

Materiali duri e resistenti con Tm alte

RETICOLO CRISTALLINO METALLICO

o

Può essere facilmente deformato x la presenza delle dislocazioni (difetti di

linea) che consentono gli scorrimenti di parti del reticolo su altre -> def

plastica

RETICOLO CRISTALLINO dei CERAMICI

o

NON può essere deformato plasticamente

Dopo che forma è stata fissata con trattamento termico non + alterabile

Oggetti resistenti ma fragili: non deformabili

- AMORFA

Atomi/gruppi disposti in modo DISORDINATO nello spazio

Legami FORTI DENTRO molecole, DEBOLI TRA molecole lungo le catene

-> caratt meccaniche < dei cristallini

Es. Vetro e alcuni polimeri

- SEMICRISTALLINA

Coesistenza struttura amorfa con Tg e cristallina con Tm>Tg

Es. Polimeri

POLIMERI

CARATTERISTICHE

Costituiti da MACROMOLECOLE: atomi legati tra loro con covalenti (forti) in

lunghe catene tenute insieme da legami deboli (elettrostatici)

PROPRIETÀ

MECCANICHE DEBOLI

 INERZIA CHIMICA

 Bassa DENSITÀ -> leggerezza

 ISOLANTI termici ed elettrici

 Tm basse



LEZ. 2 ; pag. 110

METALLI

DEFINIZIONE

MATERIALI INORGANICI COMPOSTI DA da ELEMENTI METALLICI (o non in alcune

leghe)

CARATTERISTICHE generali

Metalli puri su tavola periodica,

LEGAME

METALLICO: cationi (ioni+) occupano posizioni fisse e ordinate nello spazio

(STRUTTURA CRISTALLINA METALLICA COMPATTA) elettroni di valenza atomi

messi in comune formano Nube elettronica -> duttilità, malleabilità e

conducibilità

- Legame forte

- Adirezionale

Struttura cristallina può prendere i 3 RETICOLI+ COMPATTI tra i 14 del RETICOLO

DI BRAVAIS:

- EC, Esagonale Compatto (CPH)

- CFC, Cubico a faccia centrata (FCC)

- CCC, cubico a corpo centrato (BCC)

Con diverse P e T i metalli possono cambiare struttura cristallina -> poliformismo

o ALLOTROPIA

Es ferro

SOLIDIFICAZIONE

Metalli prodotti dal fuso raffreddato in 2 stadi:

1. Nuclei di solidificazione dispersi

2. Cristalli-> struttura a grani cristallini-> ognuno con reticolo di

orientamento DIVERSO, delimitati da BORDI DI GRANO (no unico cristallo)

Dimensioni grani:

Fine (ca 0.4 μm)

intermedio (ca 4 μm)

grosso (ca 40 μm)

DIFETTI

- Puntiformi:

Vacanze;

Atomi interstiziali (stesso metallo o diverso->lega);

Atomi Sostituzionali-> lega ma atomi DEVONO avere dimensioni simili

(lega è elemento metallico o non, ospitato nel reticolo metallico-

>SOLUZIOINE SOLIDA)

- Lineari:

Dislocazioni: successioni di atomi in posizioni non reticolari->piani atomici

reticoli possono scorrere gli uni sugli altri

->deformabilità plastica -> DUTTILITÀ

- Di superficie

Bordi di grano: superficie di confine tra grani cristallini adiacenti

+Fragili del cuore a T elevate, quindi materiale si frantuma lungo essi

->FRATTURA INTERCRISTALLINA

-Fragili del cuore a T NON elevate, quindi materiale si frantuma attraverso

grani stessi

->FRATTURA TRANSCRISTALLINA

PROPRIETÀ

GENERALI

DENSITÀ alta circa 2g/cm



MECCANICHE

+ Elevate tra tutti i materiali x legami forti

> DUTTILITA’ -> def plastica

 >MALLEABILITA’ -> def plastica

 ELASTO-PLASTICI

 Tratto elastico: solo def reticolo, NO alterazione struttura reticolo

Dopo limite elastico (TYS) Yield deformazione permanente: scorrimento

parte cristallo su altra x DISLOCAZIONI

> E 30-200 GPa

 FRAGILE a rottura a basse T

 NON resistenti ad agenti atmosferici senza trattamenti -> corrosione



TERMICHE

Conduttori x nuvola elettronica



ELETTRICHE

Conduttori x nuvola elettronica



OTTICHE

OPACHI, LUCENTI x nuvola elettronica



RAFFORZAMENTO METALLI

- INCRUDIMENTO:

def plastica a freddo, scorrimento dislocazioni

+dislocazioni e interazione tra loro, ma - movimento

-dimensione cristalli

> resi, >sforzo snervamento; <duttilità

- TRATTAMENTI TERMICI:

- RICRISTALLIZZAZIONE

A caldo, T elevate x annullare incrudimento-> +duttilità

Riarrangiamento struttura cristallina

+grani, alcuni +grandi di altri

-dislocazioni

- TEMPRA

Riscaldamento ad alte T fino a fare convertire struttura reticolo cristallino

in un'altra con DISTORSIONE, successivo rapido raffreddamento x fissare

struttura -> fase NON stabile MARTENSITE

+duro

+fragile

Dopo viene eseguito RINVENIMENTO (riscaldamento) riprende un po’ di

duttilità, diminuendo di poco le caratteristiche meccaniche

COMPROMESSO

- PRECIPITAZIONE

Aggiunta a metallo precipitazione di altro elemento solido nel reticolo

cristallino

-deformazione

- ALLIGAZIONE:

LEGA

Creare con 1 metallo in quantità > ; 2 o + elementi metalli o non, come

impurezze/ atomi nel reticolo, leghe sono:

soluzioni solide Interstiziali, ACCIAIO

 soluzioni solide Sostituzionali, OTTONE

 Composti intermetallici reticoli diversi da quelli degli elementi

 puri che lo compongono

PROPRIETÀ DELLE LEGHE, progettate x avere qualità migliori

+RESI xk soluto si oppone a scorrimento dislocazioni

+RESI A CORROSIONE dei componenti

+DURE dei componenti

-CONDUTTORI dei puri

<Tm del componente che fonde meno

O MOLTO + O MOLTO – TENACI dei puri

TIPI FERROSE

 NON FERROSE



FERRO

Metallico

POLIFORMO o ALLOTROPICO -> cambia struttura cristallina con T

FORME ALLONTROPICHE DEL FERRO

A Tamb -> alpha c.c.c.

A 912°C -> gamma c.f.c.

A 1394°C -> delta torna a c.c.c.

A 1539°C -> liquido

Da fase gamma a alpha raffreddamento varia x tempra(velocità di

raffreddamento) e x elementi di lega che variano T trasformazione

LEGA

SEMPRE in con C + altri

ACCIAI C <2.06% di solito 0.2-1%

 GHISE C >2.06% di solito 1.5-5.5%



Altri elementi:

- Si SILICIO -> +Resi, -saldabilità

- Cu RAME -> -corrosione

- Mn MANGANESE -> +durezza, -elasticità

- Cr CROMO -> -corrosione, +durezza ma NON -elasticità

ACCIAI , comuni “acciai al carbonio”

*CRYSTAL PALACE, grattacieli SCUOLA DI CHICAGO, ancora

Da metà 800, liberty

oggi

RESISTENTE, TENACE, ECONOMICO E FACILE DA LAVORARE

<C +deformabili: TENERI E PLASTICI -> lamiere, armature, carrozzerie

>C +DURI E FRAGILI-> lame, cuscinetti

COMPOSIZIONE

Fe

 C

 Tracce di altri componenti



CLASSIFICAZIONE per tenore di carbonio e processo di tempra

• EXTRADOLCI: lamiere, tubi, bulloni;

• DOLCI: chiodi, ferri da costruzione;

• SEMIDURI: componenti di macchine;

• DURI: rotaie, cavi, tondini;

• EXTRADURI: coltelli, molle.

CLASSIFICAZIONE per lega

NON legati

 Legati

 Debolmente legati: elementi in lega <5%

o Alto legati: elemento in lega >5%

o

CLASSIFICAZIONE per uso

Da costruzione di uso comune

 Di base

o Di qualità

o

Da costruzione speciali

 Inox

 Austenitici

o Ferritici

o Martensitici

o

Utensili

 Particolari



ACCIAI DA COSTRUZIONE

>SFORZO R, SALDABILITÀ, STAMPABILITÀ

DI BASE: Fe+C

o Produzione con tecnologia semplice

E ca 300MPa

DI QUALITÀ: Fe+C+microleganti

o Produzione con tecnologie innovative (tempra) x migliorare proprietà,

saldabilità

E ca 450MPa

Qualità permette:

< dimensioni,

No finitura, <costi

Usare acciai di qualità microlegati al posto di quelli speciali, <costi

* acciai Cor-Ten: strato aderente ossido di ferro-> non serve verniciatura o

zincatura

SPECIALI: Quasi solo C o debolmente legati

o

Tempre e rinvenimento -> +resi e tenacità

X componenti meccanici sotto elevate sollecitazioni

ACCIAI INOX

leghe Fe-C-Cr con altri elementi x migliorare Ni e Mo

Cr>12% -> PASSIVABILITÀ-> proprietà materiale di formare AUTONOMAMENTE

con contatto con aria strato ossido sottilissimo e invisibile -> no corrosione

AUSTENITICI Ferro c.f.c. NON magnetico -> MIGLIORI RESI A CORROSIONE,

o + costosi

FERRITICI Ferro c.c.c. MAGNETICO, no nichel

o DUPLEX (austeno-ferritici)

o MARTENSITICI reticolo cristallino distorto, no nelle strutture di Bravais,

o MAGNETICO -> MIGLIORI CARATT MECCANICHE

NON sono immuni a corrosione, soprattutto con cloruri (acqua e aria mare)

GHISE

Leghe Fe+C con C 2.5-4%

CLASSIFICAZIONE

In base a come è presente C:

CEMENTITE Fe3C, + raro



GHISA BIANCA

Particelle di GRAFITE solo C



GHISA GRIGIA

Dipende da composizione, V di raffreddamento e trattamento termico

con LAMINETTE di GRAFITE che si formano con Si

+ utilizzata, < costo

PROS

- Fondono bene

- < costo

- Resi a corrosione atmosferica

CONS

- FRAGILI

- < caratteristiche meccaniche

- NO DEFORMABILI x def plastica, né freddo né caldo

METALLICI NON FERROSI

>duttilità

>lavorabilità

>resi a corrosione

>conducibilità

<densità

ALLUMINIO Al, 13

<<<<DENSITÀ (1/3 Acciaio)

>E

>Estrudibilità

>conducibilità

RESI a corrosione atmosfericaa con film naturale che si riforma a contatto con

atmosfera, ma corrosione in sitcontesti molto acidi o molto alcalini

RICICLABILE 100%

Es. Ediliza x serramenti e rivestimenti

CLASSIFICAZIONE

Con aluminium association 4 cifre x famiglia, varianti e purezza

SERIE 1000- Al puro

 COMPATIBILE con alimenti

Riflettività, anti scintilla, non magnetico, saldabile

SERIE 4000 con Si->durezza

 >fluido

<coef dilatazione termica

>resi a usura

Es. Getti, x alimentari

SERIE 7000 con Zn + Mg

 CARATTERISTICHE MECCANICHE + ELEVATE TRA LE LEGHE

Sensibilità a tensocorrosione

SERIE 5000 e 6000 con Mg + <1% Si e Mn

 Resi a corrosine

TITANIO, Ti, 22

4 elemento + abbondante su crosta terrestre

PROPRIETÀ

>>costo sia lui che leghe; rapporto resi-peso medio-alto

<densità, peso contenuto

BIOCOMPATIBILE

ATOSSICO

>>RESI A CORROSIONE in moti ambienti x formazione spontanea FILM OSSIDO

PROTETTIVO TiO2

Puro resi > di leghe !!!!CASO

Film: Spesso pochi nanometri

Idrofilo (Idrofilico): assorbire legare e trattenere acqua

Semiconduttore

Può assumere proprietà fotocatalitiche (purificare aria riducendo

inquinamento)

Può essere aumentato con tecniche elettrochimiche fino a centinaia di

nanometri che migliora biocompatibilità e atossicità

>>RESI A FATICA MA risente di intagli e spigoli vivi

Bassa espansione termale

Buona saldabilità

Effetto colore/arcobaleno:

Dovuto a riflessione e rifrazione del raggio luminoso in spesso film di ossido->

interferenza ottica -> titanio può assumere diverse colorazioni

STRUTTURA

e.c. fase alpha a T=885°C

c.c.c. fase beta fino a 1668°C

USI

- usato con zirconia in ambito dentistico (proprietà ed espansione termale

simile)

- + leggero di acciaio ma prestazioni meccaniche simili -> ruoli strutturali

- Rivestimenti esterni *Guggenheim Bilbao

- Articoli sportivi

- Design: lampade, oggetti effetto cangiante

PRODUZIONE

Lavorabilità accettabile, processi complessi -> >>costo

Riduzione di tetracloruro di titanio con magnesio

LEGHE DI TITANIO

4 gradi in relazione a tenore di ossigeno

PROPRIETÀ RISPETTO A PURO

> costo

> resi mecc

<lavorabilità

<resi a corrosione!!!

STRUTTURA

- Fase alpha e.c.

duttile, SALDABILE -> aerospaziale

- Fase be