Appunti Scienza e tecnologia dei materiali, Disegno Industriale

Scienze e tecnologie dei materiali

Dal progetto al prodotto

Progetto

- Necessità di immettere sul mercato l'oggetto da progettare

• Requisiti
• Utilizzatori
• Costo finale
• Forma e dimensioni

La scelta del materiale

Più materiali che vengono scelti per:

• Requisiti del prodotto (caratteristiche dei materiali)
• Forma e dimensioni
• Tecnologia di produzione
• Costo finale del prodotto

Tecnologie di lavorazione

Esistono molte tecnologie scelte per:

• Materiali
• Forma e dimensioni
• Costo finale del prodotto

I materiali prendono forme/colori diversi per come si dispongono nello spazio, ad esempio il politilene è una plastica basata sulla molecola del tilene; lo troviamo nei dispenser per i saponi e anche nella pellicola da cucina.

L'uso sbagliato di materiali provoca anche grandi problemi, come l'affondamento del Titanic (concausa: comportamento fragile dell'acciaio dello scafo a -2°C → transizione duttile fragile) o nel Boeing 737 ci fu una perdita in volo della fusoliera (causa: rottura da fatica).

Macrocategorie di materiali

Materiali metallici (generali)

Hanno gli atomi metallici con possibile aggiunta di atomi non metallici (materiale inorganico).

Proprietà: duttilità, buona resistenza alle sollecitazioni meccaniche, buona rigidezza, ottimi conduttori di elettricità e calore.

Tecnologie di lavorazione: cambiano la loro forma senza rompersi, l'attitudine alla deformazione plastica (per ottenere forme più complesse non è possibile); fonderia, fondere per mettere in uno stampo; metallurgia delle polveri, formare un materiale metallico come si produce la ceramica (molta stampa 3D utilizza le polveri).

Materiali ceramici (generali)

Hanno gli atomi metallici e non metallici (ossigeno, allumina...).

Proprietà: elevata durezza, fragilità, elevata rigidezza, isolante termico ed elettrico, buona resistenza ad alte temperature (non cambiare in termini di struttura né di proprietà).

Tecnologie di lavorazione: i ceramici tradizionali (a base argilla...) e avanzati → formatura di polveri con successiva cottura; il vetro → viene riscaldato fino a farlo diventare quasi liquido, fusione o rammollimento.

Materiali polimerici (generali)

Hanno atomi non metallici (a base carbonio).

Proprietà: bassa densità, resistenza meccanica bassa, bassa rigidezza, duttilità e fragilità, alta influenza della temperatura.

Tecnologie di lavorazione: i termoplastici → li formo per calore, riscaldamento, formatura, raffreddamento; i termoindurenti → riscaldamento, formatura, reazione chimica.

Proprietà dei materiali

Le proprietà dei materiali possono essere quantificate mediante prove di laboratorio, servono infatti dati scientifici per poter applicare un materiale a un progetto. Ad esempio, una padella da cucina è un materiale di buon conduttore di calore, formata da una lega metallica di alluminio o acciaio inossidabile; con conduttività termica andiamo a indicare la capacità di un materiale di condurre calore (acciaio inox k(t)=16,2 W, alluminio k(t)=200W).

Proprietà di interesse per la scelta di un materiale:

• Proprietà meccaniche: modulo di elasticità, resistenza allo snervamento e alla trazione, tenacia alle fratture, resistenza a fatica, resistenza allo scorrimento viscoso, resistenza alla fatica termica.
• Proprietà fisiche: densità, proprietà termiche, elettriche, magnetiche e ottiche.
• Proprietà di superficie: resistenza corrosione, all'ossidazione, all'usura, rugosità.
• Proprietà tecnologiche: deformabilità e caldo/freddo, colabilità, saldabilità, lavorabilità a macchine utensili.

Da tenere presente anche le sollecitazioni ("la forma segue la funzione"):

• Resiste a compressione (debole a trazione e flessione)
• Resiste a trazione
• Resiste a flessione
• Durabilità degli oggetti: oggetto stesso e materiale.

Una sedia, ad esempio, deve sostenere chi si siede: rigidezza; non rompersi: resistenza; essere leggera: densità; sensazione di calore: proprietà termiche; resistere nel tempo: durabilità; costo: materiali + tecnologie di lavorazione.

Requisiti

Forma dell'oggetto e proprietà dei materiali. Vi sono proprietà che dipendono dalla forma e altre dai materiali.

Proprietà

• Densità: massa per unità di volume (ρ=m/V) m=ρ·v
• Modulo elastico: misura della resistenza opposta a una deformazione temporanea
• Conduttività elettrica: misura della facilità di conduzione della corrente elettrica (conduttori e isolanti)
• Conduttività termica: misura della facilità (o meno) di condurre corrente elettrica
• Coefficiente di espansione termica: misura della variazione di lunghezza al variare della temperatura
• Temperatura di fusione: temperatura di passaggio dallo stato solido a quello liquido

Macrostruttura/microstruttura

1μm(micron)= 10^-6 m.

Vi sono proprietà dipendenti dalla forma dell'oggetto (es. taglio pane), proprietà dipendenti dalla microstruttura (es. resistenza meccanica), proprietà dipendenti dalla struttura a livello atomico (es. densità, modulo elastico).

I materiali sono costituiti da atomi

Nella struttura atomica abbiamo: particelle con carica neutra (neutroni), carica positiva (protoni) e carica negativa (elettroni).

Dimensioni: atomo d= 10^-10 m, nucleo d=10^-14 m.

Gli atomi stanno in regioni dello spazio chiamate orbitali elettronici (zone dello spazio in cui vi è un'alta probabilità di trovare l'elettrone) e possono avere solo specifici valori dell'energia (sono quantizzate).

Gli elettroni di valenza occupano gli orbitali più esterni.

Legame chimico

Molte delle proprietà dei materiali dipendono dalle forze interatomiche; gli atomi tendono ad interagire per formare aggregati la cui energia è più bassa di quella degli atomi separati.

Molte delle proprietà dei materiali dipendono dalle forze interatomiche (es. duttilità e fragilità).

Interazione tra due atomi isolati

• Forza attrattiva: tipo di legame tra gli atomi
• Forza repulsiva: repulsione delle nuvole elettriche
• Energia di legame: energia che deve essere fornita per separare i due atomi e portarli ad una distanza infinita.

L'energia di legame e la forma della curva E=E(r) dipendono dal tipo di legame.

Relazione tra alcune proprietà macroscopiche e legame atomico

Modulo elastico: misura della resistenza opposta ad una deformazione temporanea, misura della:

• Resistenza alla separazione di atomi adiacenti → forza del legame interatomico (Ftot= F(r))

Coefficiente di espansione termica: misura della variazione di lunghezza al variare di temperatura, c'è quindi un aumento di distanza media tra gli atomi all'aumentare della temperatura → variazione dell'energia con la distanza interatomica E=E(r)

Temperatura di fusione: temperatura di passaggio da solido a liquido, necessaria energia per rompere i legami → energia di legame.

Legami

• Forti: ionico, covalente, metallico
• Deboli: dipolari

Cambiano le energie coinvolte.

Legame ionico

Si instaura tra atomi di bassa energia di ionizzazione e atomi con alta affinità elettronica; gli atomi con bassa energia di ionizzazione tendono a cedere elettroni agli atomi con alta affinità elettronica → formazione di ioni positivi e negativi. Ad esempio NaCl. È un legame elettrostatico, cioè non ci sono elettroni liberi. Legame non direzionale. Alta energia di legame e altissime temperature di fusione.

In generale, i materiali formati dal legame ionico hanno un'alta energia di legame, alta temperatura di fusione, sono isolanti elettrici e termici, hanno bassa densità e sono duri e fragili.

Legame covalente

Si instaura tra atomi che hanno valori circa uguali di affinità elettronica e potenziale di ionizzazione (stessa tendenza a cedere e prendere elettroni). Gli elettroni di valenza sono condivisi da due nuclei, disponendosi su orbitali comuni ai due atomi. Due orbitali atomici possono combinarsi se hanno energie dello stesso ordine, massima sovrapposizione e stesse caratteristiche di simmetria. Si formano se si trovano nella direzione giusta, il legame covalente è direzionale.

Materiali formati dal carbonio hanno un legame covalente; il carbonio forma degli orbitali ibridi, forma degli orbitali diversi. Il carbonio forma una struttura planare, atomi con legame molto forte mentre il legame tra piani è molto più debole (ecco perché la grafite si sfalda nei piani) e va ad esempio a formare la grafite. Il diamante ha una struttura invece con 4 orbitali sp³. Il carbonio forma 3 legami di tipo diverso (due orbitali sp, 3 orbitali sp², 4 orbitali sp³).

Grafene = materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio (nanotubo di carbonio, Premio Nobel 2010). Il Vantablack è formato da nanotubi di carbonio allineati verticalmente: assorbe il 99,9% della luce.

Caratteristiche dei materiali: alta energia di legame, alta temperatura di fusione, isolante elettrico e termico, bassa densità, duro e fragile, legame direzionale (non tutte le posizioni saranno consentite).

Legame metallico

Gli atomi sono così vicini che gli elettroni di valenza sono attratti dai nuclei degli atomi vicini, gli elettroni di valenza sono debolmente legati agli ioni positivi e possono muoversi facilmente nel cristallo. Gli ioni positivi sono circondati da un "gas" di elettroni liberi. È un legame non direzionale, per questo ha un'alta deformabilità: gli ioni possono scorrere l'uno sull'altro senza distruggere completamente il legame, inoltre la presenza di elettroni liberi produce un'alta conducibilità elettrica e termica.

Lattina - bicchiere di vetro

Caratteristiche dei materiali: abbastanza alta energia di legame, alta temperatura di fusione, è un conduttore elettrico e termico, alta densità, duttile.

Legame di van der Waals (o dipolare)

Gli atomi sono globalmente neutri e normalmente hanno una distribuzione simmetrica delle cariche elettriche, è possibile che la distribuzione spaziale delle cariche positive e negative diventi asimmetrica (si crea un dipolo). La distribuzione asimmetrica può essere presente anche nelle molecole. I dipoli elettrici interagiscono tra loro attraverso forze di tipo elettrostatico. È relativamente debole.

Una forma particolare di legame dipolare è il legame ad idrogeno: un atomo di idrogeno, presente in un legame covalente (O-H, F-H) causa una distribuzione asimmetrica permanente di carica. L'atomo di H interagisce con atomi elettronegativi (O, N, F, Cl). Troviamo questo tipo di legame nei polimeri. Temperature basse di fusione, bassa energia di legame, isolante termico ed elettrico, bassa densità.

Struttura e geometria cristallina

Gli atomi sono disposti in modo regolare e periodico nello spazio per una distanza molto maggiore della distanza interatomica (ordine lungo raggio). Per ogni cristallo si può individuare una cella elementare, che ne definisce la geometria e la posizione degli atomi.

Ho strutture diverse a seconda della disposizione degli atomi:

• Cristallo cubico a corpo centrato
• Cristallo cubico a facce centrate
• Cristallo esagonale compatto

Queste sono le strutture più dense che si possono ottenere, infatti si trovano in quasi tutti i metalli.

Strutture cristalline nei materiali ceramici

Nei solidi ionici ho una disposizione determinata dalla dimensione relativa degli ioni e dalla necessità di bilanciare le cariche elettriche per mantenere la neutralità di carica.

Nei solidi covalenti: la disposizione è determinata dalla direzione del legame chimico.

Strutture cristalline nei materiali polimerici

Sistemazione delle catene molecolari nella cella elementare per il politilene.

Monocristallo (calcite) → proprietà anisotrope (non uniformi)

Policristallo → Proprietà isotrope (uniformi)

Polimorfismo

Due o più tipi di cristallo che hanno la stessa composizione ma diversa cella elementare sono detti polimorfi (come il carbonio).

Ferro: Fe alfa → Fe gamma (912 gradi)

Titanio: Ti alfa → Ti beta (882 gradi)

C'è bisogno di un microscopio particolare che rifletta la luce, un microscopio ottico. Si utilizzano speciali attacchi chimici (spray) per evidenziare la microstruttura.

Ciclo dei materiali

• Metalli = legami metallici
• Ceramici = legami ionici o covalenti
• Polimeri = legame covalente (intramolecolare) e van de Waals (intermolecolare).

L'oggetto va dimensionato secondo il materiale. Le proprietà meccaniche dei materiali sono quantificabili dal comportamento del materiale soggetto a prove specifiche.

Condizione di sollecitazione

Più comune:

1. Trazione e compressione (forze che agiscono perpendicolari al materiale)
2. Taglio (forze che agiscono parallele al materiale)
3. Flessione
4. Torsione

Trazione e compressione: con una forza di trazione si ha l'allungamento del materiale, con quella di compressione si ha un accorciamento del materiale. Con un materiale uguale e dimensioni diverse cambiano i dati di conseguenza, ha grande importanza la geometria dell'oggetto.

Conviene lavorare in termini di forza per unità di superficie. Sforzo nominale Deformazione nominale Taglio: (s= forza di taglio, A₀= area su cui agisce la forza τ = 0 di taglio) γ= = tan Prova di trazione Diagramma sforzo-deformazione: nell'andamento lineare si ha un comportamento elastico (cioè la deformazione prodotta è completamente recuperata dopo che lo sforzo è stato rimosso).

Modulo elastico: la deformazione prodotta è completamente recuperata dopo che lo sforzo è stato rimosso → deformazione elastica.

Legge di Hooke: solamente per sforzi lineari. Un materiale è più elastico se ha un basso modulo elastico (E), viceversa un alto modulo elastico, meno elastico.

Es. acciaio E=210 Gpa alluminio E=70 GPa.

Anche per gli sforzi elastici a taglio si può scrivere: , con G= modulo di scorrimento. = · Modulo di Poisson: È un numero che varia da 0 a 0,75; è una proprietà di ciascun materiale che misura il grado in cui il campione di materiale si restringe o si dilata trasversalmente in presenza di una sollecitazione monodirezionale longitudinale: ε = − = −

Comportamento elastico non lineare: Viscoelasticità. Comportamento elastico: ad esempio il materasso a molle torna subito nella sua forma dopo la pressione. Comportamento viscoelastico: ad esempio il materasso memory, dopo la forza ci mette un po' a tornare alla forma originale. Un comportamento elastico dipende quindi dal tempo.

La deformazione plastica è permanente > Al di sopra di questo sforzo la def plastica è permanente.

Sforzo di snervamento:

• Lo snervamento: è il valore dello sforzo oltre il quale comincia la deformazione plastica.
• Per convenzione è lo sforzo (esprimibile tramite MPa, che produce), una deformazione plastica residua del 0,2%. Al di sopra di questo sforzo, la deformazione è permanente (di tipo plastico). Macroscopicamente si ha un cambiamento di forma dell'oggetto, atomicamente corrisponde ad uno spostamento degli atomi.
• Non vale per materiali con comportamento elastico non lineare. Punto di snervamento: punto oltre il quale la curva σ/ε non segue più un andamento lineare.

Sforzo di rottura:

Dopo lo snervamento, lo sforzo necessario per continuare la deformazione plastica nei metalli cresce fino a raggiungere un valore massimo (M) e poi decresce fino a frattura (F).

Sforzo di rottura (per convenzione, espresso in MPa, è il massimo)=valore dello sforzo nel diagramma sforzo-deformazione. È il massimo sforzo sostenibile da una struttura in tensione. In corrispondenza dello sforzo massimo, si comincia a formare un piccolo restringimento di sezione (strizione), dove vengono localizzate tutte le deformazioni.

Incrudimento e strizione

Duttilità

Rappresenta la misura della def plastica che il metallo può subire senza rompersi (fragilità= metallo con scarsa def plastica, def a rottura <5%). La duttilità può anche essere espressa come:

• Allungamento percentuale: (L_f − L₀) / L₀ × 100%
• Strizione percentuale: (A₀ − A_f) / A₀ × 100%

È fondamentale perché indica ai progettisti il grado a cui una struttura può deformarsi plasticamente e il grado di deformazione consentito durante la fabbricazione dei componenti. Posso avere possibili diversi diagrammi di sforzo-deformazione, ad esempio la lattina se cade si "accartoccia", il bicchiere di vetro si rompe. La fragilità e la duttilità dipendono solo dalla deformazione plastica dell'oggetto, se trovo numeri grandi, il materiale ha un comportamento tendenzialmente duttile.

Rottura