Appunti scienze dei materiali

SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

1-STRUTTURA E CLASSIFICAZIONE

Come definiamo un materiale?

Un materiale è un componente solido che ha lo scopo di assolvere una specifica funzione, viene

scelto in base all’applicazione e alla funzione stessa.

La materia (tutto ciò che ha massa) è costituita da un aggregato di atomi, si presenta in diversi stati,

questo dipende dal modo in cui atomi o molecole sono legate. Questi stati in cui la materia può

presentarsi, sono determinati dall’equilibrio tra energia di coesione (tende ad avvicinare gli atomi)

ed energia termica (tende ad allontanarli), le due situazioni estreme sono rappresentate dai fluidi e

dai solidi.

Fluidi (gas o liquidi): caratterizzati dall’assenza di una forma propria, volume che dipende dalla

temperatura, nel caso dei gas dipende anche dalla pressione.

Solidi: forma propria, ma volume sempre in funzione della temperatura.

STRUTTURA DEI SOLIDI

Hanno una struttura di tipo - cristallino (struttura ordinata a livello atomico o molecolare, metalli)

- amorfo (struttura disordinata simile a quella dei liquidi, vetri)

- semicristallino struttura mista, materiali polimerici)

Ci sono anche strutture più complesse con la contemporanea presenza di una fase liquida e di una

fase solida, come ad esempio i gel (assumono comportamento prossimo a quello solido o a quello

liquido a seconda del numero e del tipo di legami tra particelle).

La struttura di un materiale ne determina le proprietà e il suo studio può essere effettuato a diversi

livelli di dettaglio:

-struttura atomica o molecolare (atmosfera A*=10 alla -10; descrive in che modo atomi o molecole

che costituiscono il materiale sono legati tra loro)

-9

-livello nanometrico (nanometro, nm -> 1nm=10 m) -6

µm->

-microstruttura (micrometro (MICRON), 1µm = 10 m ; struttura osservata con

microscopio, consente di individuare l’eventuale presenza di diverse fasi o costituenti)

-macrostruttura (m/cm/mm, a occhio nudo)

1) STRUTTURA A LIVELLO MACROSCOPICO

Il materiale è valutato nel suo insieme, viene considerato come continuo e omogeneo e si

considerano proprietà medie valide in tutto il suo volume.

Materiale isotropo -> se le proprietà del materiale sono le stesse in tutte le direzioni

Materiali anisotropo-> se le proprietà possono essere definite solo in riferimento a una direzione

Per caratterizzare un materiale dal punto di vista tecnologico si effettuano delle prove sperimentali

e i risultati ci indicheranno la curva sforzo-deformazione, gli indici di durezza, la conducibilità

elettrica, la temperatura di transizione duttile fragile, l’indice di rifrazione, il coefficiente di

dilatazione termica.

2) STRUTTURA A LIVELLO MICROSCOPICO

Per microstruttura si intende un livello di dettaglio dove si possono individuare le singole fasi o

particelle che lo costituiscono.

I materiali in genere sono costituiti da entità separatamente identificabili, a volte elementi

costitutivi diversi vengono miscelati tra loro (ad esempio gli aggregati e la pasta cementizia nel

calcestruzzo). L’analisi della microstruttura consente di capire caratteristiche dei materiali e aspetti

del loro comportamento (geometria, proprietà chimiche fisiche meccaniche, caratteristiche

dell’interfaccia). Molto spesso le zone di separazione rappresentano delle discontinuità nella

struttura e possono introdurre modi di comportamento diversi da quelli riferiti alle proprietà delle

singole fasi o particelle (esempio: nei materiali metallici i bordi di grano sono regioni di discontinuità

del reticolo cristallino che a bassa temperatura ne aumentano la resistenza meccanica).

Molti materiali tipo laterizi, legno o calcestruzzo, sono caratterizzati da una struttura porosa.

Ad aumentare della porosità abbiamo una diminuzione della resistenza meccanica. Se i pori sono

isolati tra loro e pieni di gas danno al materiale caratteristiche di isolamento termico, mentre se i

pori sono comunicanti, rappresentano una via d’accesso per le specie aggressive.

3) STRUTTURA A LIVELLO MOLECOLARE

A livello molecolare il materiale viene considerato come un aggregato di atomi o molecole.

Tra più atomi o molecole possono formarsi vari tipi di legami chimici, i legami che si vengono a

formare influenzeranno sia la struttura che le sue proprietà.

I legami chimici possono diversi in -legami forti

-legami deboli

I legami forti sono:

Legame covalente: viene spigato dalla regola dell’ottetto, quando due o più atomi mettono in

Ø compartecipazione due o più elettroni di valenza, il legame che si ottiene è forte e direzionale.

Il diamante ha solo legami covalenti (fonde a 4000°C)

Legame ionico: in questo caso c’è la cessione di elettroni di valenza da un atomo metallico a un

Ø altro non metallico, si vengono così a formare due ioni con diversa carica che si attraggono per

effetto della forza elettrostatica. C’è un accostamento di cariche di segno opposto (alternanza

di anioni e cationi), è adirezionale (le cariche + e – sono alternate, ma si possono avvicinare

nello spazio).

Legame metallico: è il legame tipico di tutti i metalli e leghe metalliche. Ciascun atomo metallico

Ø mette in compartecipazione i suoi elettroni di valenza che sono liberi di muoversi e di propagare

all’interno del materiale; gli elettroni di valenza sono delocalizzati. Gli atomi si dispongono

creando un reticolo cristallino in cui gli ioni metallici si trovano ai nodi del reticolo e gli elettroni

di valenza sono liberi di muoversi, il legame che si viene a creare è adirezionale.

Alluminio ha legame metallico (fonde a 660°C)

I legami deboli invece sono di tipo elettrostatico e si formano quando atomi o molecole che non

hanno una distribuzione uniforme interagiscono tra loro (ad esempio il legame van der Waals e il

legame idrogeno)

Legame secondario: è, ad esempio, quello del ghiaccio ed è formato da molecole di H2O,

Ø c’è una debole attrazione tra i dipoli momentanei o permanenti ed è un legame debole. Pur

essendo neutro l’ossigeno è elettro negativo, tende quindi ad attirare verso di se gli elettroni

del legame che ha formato con i due atomi di H. Abbiamo una delocalizzazione

dell’ossigeno: una parzialmente negativo verso O e l’altra parzialmente positivo verso H. C’è

una debole attrazione tra le cariche di segno opposto, quindi tra una molecola e l’altra si

instaura un legame chimico debole. Il ghiaccio fonde a 0°C (la temperatura è così bassa

perché legata da legami chimici deboli) diventa allo stato liquido perché si rompono i legami

chimici.

Il legame secondario interviene in altre tipologie di materiale, ad esempio nei polimeri. I

polimeri sono inizialmente originate da macromolecole costituite essenzialmente da

carbonio e idrogeno. Nella maggior parte di polimeri abbiamo altri elementi, come

l’ossigeno e l’azoto. In presenza di uno o dell’altro all’interno della macromolecola si creano

centri di carico positivi o negativi, con la carica negativa vicino ai più elettronegativi (O e A).

Altri esempi sono il nylon e la grafite, la grafite in particolare ha 4 elettroni di valenza

nell’orbitale più esterno, mette a disposizione 3 elettroni di valenza per creare legami forti,

il quarto crea una carica negativa delocalizzata; i singoli strati di grafite sono quindi tenuti

insieme dal legame chimico secondario.

CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI

I materiali vengono classificati in quattro classi, in base ai legami chimici:

1) Materiali metallici: sono caratterizzati da legami metallici, sono composti da un metallo puro

o più elementi metallici miscelati tra di loro (lega). Possono anche contenere elementi non

metallici come il carbonio, ossigeno o azoto (esempio gli acciai sono leghe ferro-carbonio).

A temperatura ambiente la maggior parte dei metalli sono allo stato di solidi cristallini. Essi

si dividono in due classi: metalli e leghe ferrose; metalli e leghe non ferrose (ad esempio

rame, alluminio). In generale i metalli:

-elevata resistenza meccanica e tenacità,

-facilmente deformabili a freddo e a caldo

-ottimi conduttori di calore e elettricità

2) Materiali polimerici (materie plastiche): sono caratterizzati da due tipi di legami, quello

covalente e quello secondario, sono materiali composti da lunghe catene di molecole, alle

catene sono fissati altri elementi o gruppi di atomi. I polimeri possono essere amorfi o

semicristallini (non sono mai interamente cristallini). In generale i polimeri:

-bassa resistenza meccanica

-flessibili e deformabili

-stampabili dopo riscaldo a bassa temperatura

-isolanti termici e elettrici

-basso peso specifico

-soggetti a rammollimento o decomposizione a temperature relativamente basse

3) Materiali ceramici: sono materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici,

sono esclusivamente caratterizzati da legami covalenti e ionici. Possono essere cristallini,

amorfi o semicristallini. In genere:

-duri e fragili

-elevata resistenza a compressione ma non a trazione

-isolanti termici e elettrici

-elevata resistenza chimica

4) Materiali compositi: quando vengono combinati due o più materiali appartenenti alle tre

classi precedenti, si raggiunge una combinazione di proprietà migliore rispetto ai singoli

costituenti. È in genere formato da materiale da rinforzo + materiale con funzione di matrice.

PROPRIETA’ DEI MATERIALI

1. Durezza: si spiega dalla forza di legame, il diamante è il materiale più duro, dove ho un

legame covalente puro. La durezza delle pietre viene in genere misurata con la scala di Mohs

(che va da 1 a 10) che ordina i minerali in funzione della possibilità di graffiarsi a vicenda; in

base questa scala il talco presente il valore di durezza più basso, pari a 1 (si graffia con

un’unghia), mentre il diamante presenta il valore più alto (graffia tutti gli altri materiali).

2. Densità: è data da d=massa/volume. La densità di un materiale ceramico è minore di quella

di un metallo perché con il materiale ceramico ci sono direzioni e angoli da rispettare. La

(g/cm3)

densità è il rapporto tra la massa e il volume di un corpo ed è influenzata

soprattutto dalla struttura molecolare del materiale – in particolare dalla massa degli

elementi costituenti – e dalla geometria del corpo. Per esempio il vetro ha densità maggiore

del mattone a causa dei processi di fusione e raffreddamento che rende il vetro esente da

porosità.

3. Conducibilità termica: il metallo conduce termicamente ed elettronicamente, ha la capacità

di condurre calore perché ha elettroni di valenza delocalizzati quindi possono vagare nella

nube elettronica e trasportano con se calore e carica elettrica. I ceramici invece non hanno

elettroni delocalizzati e quindi sono scarsamente conduttori di calore e di carica elettrica.

4. Dilatazione termica: è un parametro che dipende unicamente dalla forza di legame, è

l’aumento della lunghezza/dimensione del materiale in funzione della temperatura. Si

DL/L DL a

calcola come (dove è data da lunghezza finale – iniziale (L )). è il coefficiente di

0 0

dilatazione termica ed è un parametro tecnologico che quantifica la dilatazione termica del

materiale (unità di misura è °C alla -1). Maggiore è la forza di legame minore è la dilatazione

termica.

Le caratteristiche del legame chimico influenzano inoltre anche quest’altre proprietà:

• Temperatura di fusione

• Conduttività termica ed elettrica

• Dilatazione termica

• Rigidezza

• Resistenza a rottura

• Duttilità o fragilità

PRINCIPO DI AZIONE-REAZIONE

Nel momento in cui sollecitiamo un materiale esso reagisce deformandosi.

1. TEST A COMPRESSIONE: il materiale viene compresso da una pressa meccanica ed esso

risponde andando a difendersi, quindi tende a esercitare un’azione uguale e contraria,

quando la compressione finisce il materiale riacquisisce la sua forma iniziale (vale anche per

il test a trazione)

2. TEST A TRAZIONE: è il test più significativo per i materiali metallici

Resistenza a rottura: è la sollecitazione massima che il materiale sopporta prima della rottura

(ceramici>metalli>polimeri), più il legame chimico è forte più il materiale è resistente a rottura.

Modulo elastico: è l’entità della contro-reazione che il materiale oppone al tentativo di

deformazione (ceramici>metalli>polimeri)

Abbiamo due tipi di deformazioni possibili:

-reversibili o DEFORMAZIONE ELASTICA

-irreversibili o DEFORMAZIONE PLASTICA, dove il materiale rimane deformato anche togliendo la

sollecitazione

Abbiamo due tipi diversi di comportamento:

-Fragile: abbiamo una deformazione elastica fino a rottura (es. materiali ceramici)

-Duttile: abbiamo sia deformazioni elastiche e plastiche prima di rompersi (es. metalli)

Bisogna quindi analizzare sia il legame chimico che la struttura dei materiali. Le strutture atomiche

si dividono in:

-Amorfe (vetri)

-Cristalline (ceramici e metalli) che si dividono in -monocristalline (un solo cristallo)

-policristalline (formato da tanti grani cristallini)

-Semicristalline (materiali polimerici)

Nella struttura cristallina ho gli atomi tutti

organizzati in maniera ordinata e ripetibili (a

corto e lungo raggio), si può dividere in:

monocristallina: gli atomi partono in maniera

ordinata per tutto il materiale

policristallina: è la struttura tipica della maggior

parte dei ceramici e dei metalli

La struttura amorfa è formata da tetraedri di SiO ed ha una struttura disordinata.

4

La struttura semicristallina è caratterizzata da una struttura mista con aree amorfe e aree

cristalline, come quella dei materiali polimerici in cui nelle macromolecole si distinguono aree

amorfe e aree cristalline

.

Anche la struttura ha degli effetti sui materiali:

-TRASPARENZA E OPACITA’: Ad esempio la struttura amorfa del vetro da origine alla trasparenza

perché non ci sono bordi di grano (quindi non ci sono le interfacce) e la radiazione luminosa non

incontra ostacoli e quindi riesce ad attraversare il materiale

-ISOTROPIA: quando il materiale ha le stesse proprietà indipendentemente dalla direzione lungo la

quale vengono misurate (materiale monocristallino= anisotropo; materiale policristallino e

amorfo=isotropo)

-PERFORMANCE: maggiore o minore resa, efficienza (materiale monocristallino più efficiente del

policristallino)

DIFETTI NEI MATERIALI CRISTALLINI

I cristalli ideali sono diversi dai cristalli reali che hanno dei difetti.

I metalli allo stato solido hanno atomi disposti nello spazio secondo una struttura tridimensionale

ordinata e ripetitiva, chiamata reticolo cristallino. I nuclei occupano i nodi del reticolo cristallino, gli

elettroni degli strati interni restano legati ai nuclei, quelli dello strato esterno invece sono liberi di

muoversi. Nei materiali metallici, dato che il legame metallico è adirezionale (non ha una direzione

precisa), la disposizione degli atomi nello spazio rispetta solo il criterio di massimo riempimento del

volume. In genere ci sono 3 tipi di strutture cristalline: struttura cubica a facce centrate (alluminio,

rame, piombo), esagonale compatta (zinco, magnesio, titanio) e cubica a corpo centrato (non è una

struttura compatta, quindi il legame non è completamente adirezionale, tipica del ferro e del cromo)

4 tipologie di difetti:

-Zero dimensionali (puntali) -> vacanze-interstizi

-monodimensionali (di linea) -> dislocazioni

-bidimensionali (di superficie) -> bordi di grano

-tridimensionali (di volume) -> inclusioni, pori

1. ZERO DIMENSIONALI: ci permettono di spiegare come passare da un materiale puro a una

lega metallica e come faccio a giuntare tra di loro metalli diversi. Quindi ci permettono di

spiegare la coesistenza di atomi di metalli diversi nello stesso reticolo cristallino e sono alla

base della formazione delle leghe metalliche; spiegano anche il movimento degli atomi

all’interno del reticolo cristallino nel materiale allo strato solido (diffusione allo stato solido).

L’atomo si sposta e crea un vuoto detto VACANZA.

SOLUZIONE SOLIDA- lega

Le leghe sono una miscela tra un metallo A e un metallo B, creo quindi una soluzione.

Abbiamo due tipi di soluzioni: interstiziale e sostituzionale.

Una soluzione interstiziale è ad esempio l’acciaio che è formato da ferro + carbonio dove il ferro è

solvente, perché presente in quantità maggiore, mentre il carbonio è soluto in quanto è presente in

quantità minore nella miscela. Gli atomi del soluto sono sufficientemente piccoli da occupare i vuoti

all’interno del reticolo cristallino del solvente.

Una soluzione sostituzionale è ad esempio il duralluminio (alluminio+ rame) o l’acciaio inossidabile

(carbonio+ferro+nichel+cromo) dove il solvente è il ferro. In queste soluzioni gli atomi del soluto

sostituiscono del solvente nelle normali posizioni reticolari. Anche se la struttura del solvente

rimane inalterata generalmente gli atomi di soluto e di solvente hanno dimensioni diverse e quindi

ha luogo una progressiva distorsione del reticolo al crescere del contenuto di solvente.

Esiste un limite di solubilità ovvero una quantità massima di soluto che può essere ospitata nel

reticolo del solvente.

DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO

E’ quello che succede nelle operazioni di saldatura, se porto alcuni metalli ad alta temperatura li

ossido e quindi saldo. Però si può saldare anche senza portare il materiale allo stato liquido,

utilizzando le basse temperature + la pressione, utilizzando le vacanze (sfrutto il difetto).

Le conseguenze che può avere la diffusione allo stato solido sono:

-cementazione (carburazione) degli acciai

-densificazione (sinterizzazione) dei ceramici

2.