Appunti Scienza e Tecnologia dei Materiali

Scienze e Tecnologia

dei Materiali

CdL Disegno Industriale, a.a. 2018/2019, Prof. F. Borgioli

Introduzione

1.1 Scienza e Tecnologia dei materiali

1.2 Struttura degli atomi

1.3 Legame ionico

1.4 Legame covalente

1.5 Legame metallico

1.6 Legame di Van der Waals (o dipolare) e Legame a Idrogeno

1.7 Struttura cristallina

1.8 Struttura amorfa

1.9 Struttura semicristallina

Tipi di materiali

2.1 Materiali metallici

2.2 Materiali polimerici

2.3 Materiali ceramici

Principali proprietà dei materiali

3.1 Proprietà generali

Densità

Costo

3.2 Proprietà meccaniche

Curva sforzo-deformazione

Grandezze ottenibili dalle curve sforzo-deformazione

Rigidità (o rigidezza)

Resistenza

Duttilità (deformabilità plastica)

Resilienza

Tenacità

Durezza

Fatica

Creep

3.3 Proprietà chimico-fisiche

Conducibilità termica

Conducibilità elettrica

Magnetismo

Massima temperatura di servizio

Durabilità

3.4 Proprietà ottiche

Trasparenza

Tipi di sforzo e deformazione

4.1 Trazione o compressione

4.2 Taglio, Flessione e Torsione

Materiali Metallici

5.1 Legame chimico e struttura cristallina

5.2 Difetti reticolari

Difetti di punto

Difetti di linea (o dislocazioni)

Difetti di piano (o superficie)

Incrudimento

Ricristallizzazione

Deformazione plastica

5.3 Struttura delle Leghe metalliche

Soluzioni solide interstiziali

Soluzioni solide sostituzionali

5.4 Meccanismi di rafforzamento dei metalli

5.5 Tecniche di lavorazione dei metalli

Solidificazione

Diffusione

Lavorazioni di Fonderia

Deformazione Plastica

Metallurgia delle Polveri

5.6 Corrosione dei metalli

Accoppiamenti galvanici

Rivestimenti

5.7 Suddivisione dei metalli utilizzati

5.8 Ferro

5.9 Acciai (caratteristiche)

Diagramma Ferro - Carbonio

Trattamenti termici degli acciai al carbonio

Raffreddamento lento degli acciai al carbonio

Trasformazione martensitica

Trasformazioni isotermica dell’austenite

5.10 Trattamenti termici degli acciai

Ricottura

Normalizzazione

Tempra martensitica

Rinvenimento

5.11 Classificazione acciai

Acciai da costruzione

Acciai speciali da costruzione

Acciai inossidabili

Resistenza alla corrosione

5.12 Ghise

5.13 Rame e leghe di rame

5.14 Alluminio e leghe di alluminio

5.15 Titanio e leghe di titanio

Materiali Polimerici

6.1 Struttura dei materiali polimerici

Polimerizzazione

Legami presenti nei materiali polimerici

Costituzione dei polimeri

Configurazione dei polimeri

Conformazione dei polimeri

6.2 Temperatura di transizione vetrosa

Polimeri amorfi

Polimeri semicristallini

6.3 Proprietà meccaniche dei materiali polimerici

Diagramma sforzo-deformazione

Deformazione viscoelastica

Creep (scorrimento) viscoelastico e Rilassamento

Frattura dei polimeri

Proprietà meccaniche degli Elastomeri

6.4 Altre proprietà meccaniche

Fatica

Invecchiamento dei polimeri

Degrado dei polimeri

Infiammabilità

6.5 Materie plastiche

6.6 Tecnologie di lavorazione

Stampaggio a iniezione

Estrusione

Stampaggio rotazionale

Calandratura

Termoformatura

Soffiatura

Colata reattiva

Stampaggio per compressione

Stampaggio per trasferimento

Riciclo della plastica

Materiali Ceramici

7.1 Struttura dei materiali ceramici

Proprietà

7.2 Proprietà meccaniche

Diagramma sforzo-deformazione

Deformazione delle strutture

Influenza della porosità

Durezza

7.3 Classificazione dei materiali ceramici

7.4 Ceramici Tradizionali

Materie prime

Preparazione dell’impasto

Formatura

Essiccamento

Cottura

Rivestimento

7.5 Ceramici Avanzati

Preparazione delle polveri

Formatura

Sinterizzazione

7.6 Vetri

Proprietà

Comportamento viscosità-temperatura del vetro

Materie prime

Tipi di vetro

Produzione del vetro - Macinazione, dosaggio e miscelazione

Fusione

Affinazione e omogeneizzazione

Formatura

Trattamenti termici

1. Introduzione

1.1 Scienza e Tecnologia dei materiali

Va analizzata la differenza delle due discipline: ​

- Scienza dei materiali​ : è la conoscenza di base della struttura interna, delle proprietà e dei

​

metodi di lavorazione dei materiali; ​

- Tecnologia dei materiali​ : l’​ utilizzo della conoscenza di base e applicata ai materiali, al fine

di convertirli nei prodotti finali (o quasi).

1.2 Struttura degli atomi ​

​ ​ ​ ​ ​

Gli atomi sono costituiti da tre particelle subatomiche: i protoni, i neutroni e gli elettroni

. Il nucleo è

​ ​

composto da protoni e neutroni (costituisce quasi l’intera massa dell’atomo), mentre gli elettroni

​

​ ​

costituiscono gli orbitali elettronici​ : in quelli più esterni vi sono gli elettroni di valenza

, i quali

​

determinano i​ legami t

ra gli atomi di una molecola o di un aggregato.

​

La massima stabilità chimica si verifica quando sono presenti 8 elettroni nel livello energetico più

-​

​ ​

​

esterno: gas nobili

. Quando non si raggiungono 8 e​ , gli atomi tendono a “riarrangiarsi”

, formando

​

legami con altri atomi. Gli atomi spaiati, singoli, formano tra loro i legami chimici: elemento

​

rilevante è l’​ energia di legame → energia necessaria per separare due atomi e portarli a una

distanza infinita​ (ciò dipende dal tipo di legame). ​ ​

​ ​

I legami che si possono instaurare sono di tipo ionico, covalente o metallico

, e sono considerati

​ ​

legami primari​ ; si possono formare anche legami deboli​ , quali legami a idrogeno e legami di Van

​

der Waals

.

Le proprietà dei materiali (deformabilità, capacità di assorbire energia e lavorabilità) sono correlate

a fattori quali: natura degli atomi e dei legami, tipo e architettura delle molecole, interazioni tra

molecole, disposizione spaziale degli atomi e presenza di difetti.

1.3 Legame ionico ​

-

​

​

I legami ionici si possono formare tra metalli e non metalli​ : comporta la cessione di e da un

​

-

​ ​

​ ​

atomo all’altro

, di cui uno presenta nel livello energetico più esterno pochi e , mentre l’altro

​

-

​

necessita dello stesso numero di e per arrivare a

​ ​

8. L’atomo che cede elettroni diventa ione a carica

​

positiva (​ catione​ ), quello che li riceve diventa ione

a carica negativa (​ anione​ ), portando così

all’​ attrazione reciproca (grazie a forze

coulombiane, di conseguenza non ci sono elettroni

liberi). ​

Tale legame è adirezionale, cioè l’​

energia di

​

legame è la stessa in tutte le direzioni

, a causa

​

della simmetria sferica del campo di attrazione tra

ioni. ​

E’ presente nei materiali fragili

, come i ceramici: richiede un’​ elevata temperatura di fusione ed

​

alta energia di legame​ . Da questo tipo di legame derivano materiali con bassa densità, duri e

fragili, isolanti termici ed elettrici.

1.4 Legame covalente ​ ​

Tale legame avviene tra atomi con piccole differenze di elettronegatività e che sono vicini l’uno

​ ​

all’altro nella tavola periodica​ . Il legame covalente puro si forma quando due atomi mettono in

​

-

​ ​

compartecipazione tra loro un o più e di valenza (

il nr massimo di legami dipende da tale numero),

​

-

​

​

in modo da raggiungere la configurazione stabile

; e​ condivisi possono essere considerati

​

appartenenti a entrambi gli atomi. Un atomo può mette in

​

compartecipazione un solo elettrone (​ legame covalente

​

​

semplice), due elettroni (​ legame covalente doppio

) ed

​

​

infine​ tre elettroni (​ legame covalente triplo

).

​ ​

E’ un legame direzionale​ , ovvero può esistere solo se gli

​

orbitali atomici hanno:

- energie dello stesso ordine;

- massima sovrapposizione;

- stesse caratteristiche di simmetria. ​ ​

Il legame covalente si può formare t​ ra atomi ugual​ i (C-C) o tra atomi diversi​

: un atomo può

​ ​

formare contemporaneamente più legami covalenti semplici

: i materiali polimerici sono composti

da lunghe catene di atomi di carbonio legati tra loro da legami covalenti, impegnando due dei 4

legami covalenti possibili per ciascun atomo. I rimanenti due vengono usati con altri atomi in grado

​

di formare altri legami. I materiali che presentano tale legame possiedono: alta energia di legame,

alta temp di fusione, sono isolanti termici ed elettrici, hanno bassa densità e sono duri e fragili.

1.5 Legame metallico ​

-

​ ​ ​

Si trova nei metalli e nelle loro leghe​ : tali materiali possiedono 1, 2 o max 3 e​ di valenza​ , i quali

​

non sono legati ad un particolare atomo del solido e sono più o meno liberi di muoversi tra tutti

gli atomi vicini​ , formando una nuvola di carica elettronica a bassa densità​ : si determina una

-

​

forte attrazione elettrostatica tra i nuclei (+) e la nuvola elettronica (-). I rimanenti e​ (non di

valenza) formano i “centri ionici”​ , i quali possiedono una carica (+) della stessa entità della carica

​

​

- -

​

elettrica posseduta dagli e​ di valenza di ciascun ato​ mo. Gli e liberi schermano le cariche positive

​ ​

dei centri ionici

, in modo da neutralizzare l’azione delle forze elettrostatiche repulsive in modo

reciproco. ​

E’ un legame adirezionale​ , e ciò

​

comporta alta deformabilità del

materiale: gli ioni possono

​

scorrere l’uno sull’altro senza

-

​

​

distruggere il legame. Gli e

liberi agiscono da “collante” per

trattenere insieme i centri ionici;

tale legame può essere sia

​

debole che​ forte.

I materiali che presentano

​

questo legame sono conduttori

elettrici e termici, altamente

duttili e presentano alta densità,

grazie alla posizione vicina degli

atomi.

1.6 Legame di Van der Waals (o dipolare) e Legame a Idrogeno

​ ​

Sono legami fisici​ , ovvero interazioni elettrostatiche che si instaurano tra molecole che

​

presentano dipoli elettrici

, e sono più deboli di quelli primari.

Es. molecola d’acqua: due atomi di H sono uniti tramite legame covalente ad un atomo di O. Gli

​

​

elettroni di tale legame sono attratti dall’atomo di O, più elettronegativo dell’H

; si forma quindi una

​ ​

​ ​

parziale carica (+) sugli atomi di H

, ed una parziale carica (-) sull’atomo di O

, il che origina un

dipolo​ . ​

L’interazione dipolo-dipolo (tra molecole

d’acqua) è detta legame a idrogeno​ , altrimenti

​

si parla di legame dipolo-dipolo​ . Quando i dipoli

​

sono molto deboli (es. C-H), dove le cariche

localizzate sui due atomi è molto piccola, si parla

​

di interazioni di Van der Waals​ . ​

I materiali con legami secondari presentano bassa energia di legame, bassa temp. di fusione, sono

isolanti termici ed elettrici e hanno bassa densità.

1.7 Struttura cristallina ​

Gli atomi (o gruppi) sono disposti nello spazio i

n

​

modo ordinato e ripetitivo​ : gran parte dei

​

materiali metallici e ceramici presentano tale

​

struttura. Siccome i legami che caratterizzano i

​ ​

materiali cristallini sono d

i tipo forte​ , tale

struttura permette un’​ elevata resistenza alle

sollecitazioni​ . ​

A differenza dei ceramici, un reticolo cristallino

​

metallico può essere facilmente deformato

​

​ ​ ​

grazie alla presenza di difetti reticolari

, le dislocazioni​ , ovvero lo scorrimento progressivo che

consente la rottura e la riformazione di pochi legami per volta​ :

​

- scorrimento a spigolo;

​

- scorrimento a vite;

​

- scorrimento misto.

​ ​

La deformabilità plastica della struttura cristallina dei metalli è una proprietà fondamentale​ :

​ ​

consente di ottenere semilavorati quali lamiere, barre, fili, prodotti stampati.

​

​ ​ ​ ​

Il reticolo cristallino d

ei materiali ceramici non permettono la deformazione​ : una volta che la

forma di un pezzo ceramico è stata stabilizzata tramite trattamento termico (vetrificazione o

sintetizzazione), essa non può essere più modificata.

​ ​ ​ ​

La disposizione degli atomi nello spazio può presentare il fenomeno di polimorfismo​

: due o più

​

tipi di cristallo che hanno la stessa composizione ma diversa cella elementare

, sono detti polimorfi

(es. Fe e Ti cambiano la cella elementare all’aumentare della temperatura).

1.8 Struttura amorfa ​

​ ​

I gruppi di atomi o molecole si dispongono nello spazio in modo disordinato, a

nche se al loro

​ ​

interno sono uniti da legami forti: le caratteristiche meccaniche sono inferiori rispetto a quelle

​ ​ ​

​ ​

delle strutture cristalline

. Presentano tale disposizione i vetri ed alcuni polimeri

.

1.9 Struttura semicristallina

​ ​ ​ ​

Struttura cristallina e struttura amorfa possono coesistere​ , dando vita alla struttura

​ ​

semicristallina​ , presente in molti materiali polimerici: parte delle macromolecole sono disposte

in modo amorfo e parte in modo cristallino​ . Esistono polimeri completamente amorfi, bensì i

​

polimeri cristallini p

ossono presentare una​ percentuale di cristallinità del 90%.

A causa dell’​ alta temperatura di fusione delle zone cristalline, i polimeri semicristallini mostrano

​

​

una minore tendenza al comportamento fragile

, a differenza dei polimeri amorfi.

2. Tipi di materiali ​ ​

Normalmente sono divisi in tre classi principali​ : materiali metallici, polimerici (materie plastiche) e

​ ​

materiali ceramici; rilevanti sono anche i materiali compositi. Questi verranno analizzati in base

​

alla struttura interna ed alle varie proprietà:

- fisiche (es. densità);

- meccaniche;

- funzionali: descrivono il comportamento termico, elettrico, magnetico e ottico.

​

Durante la progettazione si cerca un insieme di valori di proprietà che definiscono il materiale

​ ​

che meglio risponde alle esigenze del progetto

, sia riguardo le prestazioni del prodotto finito sia

​

riguardo la sua realizzabilità dal punto di vista tecnologico (processi come formatura, giunzione e

finitura). Pertanto la scelta progettuale dovrà tenere in considerazione la selezione di un materiale,

le tecnologie di lavorazione e la forma finale.

2.1 Materiali metallici

​ ​

Sono sostanze organiche composte da uno (o più) elementi metallici​ , quali ferro, rame,

​ ​ ​ ​

alluminio, nichel e titanio

, e possono contenere anche elementi non metallici, quali carbonio,

​ ​

azoto e ossigeno

. Presentano una struttura cristallina dove gli atomi sono disposti in modo

​

ordinato. Altre proprietà sono: buoni conduttori termici ed elettrici, buona resistenza meccanica e

duttilità a temperatura ambiente, infine una buona resistenza meccanica ad alta temperatura.

​

I metalli e le leghe​ si dividono in​ due classi:

​ ​

- metalli e leghe ferrose​ : contenuta una grande percentuale di ferro​ . Usati nelle industrie

aerospaziali, biomedicale (leghe di titanio, cobalto e acciai inossidabili), energetica ecc;

​ ​ ​

- metalli e leghe non ferrose​ : non vi è contenuto ferro​ , oppure solo una piccola quantità

(alluminio, rame, zinco).

2.2 Materiali polimerici ​

Chiamati anche materie plastiche, sono materiali organici composti da numerose unità

​

​ ​

(​ monomeri​ ) a base di atomi di carbonio​ , che si legano tra loro in modo ripetitivo, tramite l

egami

​

covalenti​ , formando lunghe catene molecolari (macromolecole): tali catene possono essere

​ ​

lineari, ramificate o reticolate​ . Le varie macromolecole sono invece legate tra di loro dai legami

​ ​

deboli, ed essere si possono dispors

i nello spazio in modo disordinato o parzialmente ordinato

(semicristallini). ​

I polimeri presentano caratteristiche quali inerzia chimica e ambientale, bassa densità, isolamento

- ​

termico ed elettrico (gli e​ di valenza sono vincolati per i legami covalenti), modeste caratteristiche

meccaniche e si “rammolliscono” a temperature non elevate, permettendo comunque un’alta

lavorabilità.

2.3 Materiali ceramici

​ ​ ​ ​

Sono materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente in

rapporto costante e formano reticoli cristallini sostenuti da legami forti, ionici o covalenti

​

(eccetto il vetro). I ceramici si dividono in:

​

- tradizionali (argille, porcellane);

- avanzati​ (composti puri come l’allumina);

- vetri;

- cementi.

Tali materiali presentano un’​ elevata resistenza meccanica a compressione, ma bassa resistenza a

​

-

​ ​

trazione; sono isolanti termici ed elettrici (e​ sono vincolati), elevata resistenza ad alte temp, ed

infine hanno un comportamento a frattura fragile. ​

I ceramici non possono essere deformati plastic