Appunti scienze dei materiali

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.

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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. MONODIMENSIONALI: attraverso questo difetto possiamo spiegare il comportamento

macrodimensionale del materiale, spiegano la capacità dei metalli di deformarsi

plasticamente e la duttilità (la deformazione plastica avviene per scorrimento delle

dislocazioni)

La T al contrario indica la dislocazione. Abbiamo la parte sopra che è considerata un cristallo perfetto

perché gli atomi sono tutti al proprio posto, mentre nella parte sotto abbiamo la dislocazione, che

è un difetto dei cristalli utile nel momento in cui il cristallo viene sottoposto ad una sollecitazione

meccanica (ad esempio la sollecitazione di taglio). Nel momento in cui lo sollecitiamo, individuiamo

la dislocazione all’interno del materiale. L’atomo instabile (A) tende a legarsi a (C) e siccome non

può avere più di 4 legami, rompe il legame con un altro atomo (B). A sua volta (B) cerca la sua

stabilità legandosi con un altro atomo. Quando la dislocazione arriva all’estremità del materiale esso

è deformato plasticamente, ovvero non può più tornare alla sua forma originale a meno che non ci

sia un’altra sollecitazione meccanica (a livello pratico si può spiegare piegando una forchetta).

Per avere questo tipo di comportamento abbiamo bisogno di un materiale cristallino (ceramici o

metalli), solo con i metalli posso indurre una deformazione plastica (ovvero sono duttili).

Questo perché in un materiale metallico, la sua struttura mi consente di fare spostare il piano

atomico senza rompere il materiale, in quanto la nube elettronica segue gli spostamenti. Nei

materiali ceramici non si può propagare la dislocazione perché i legami sono molto forti e non

permettono ad essa di propagarsi (arriva alla rottura ma non si deforma). Nei legami ionici è ancora

diverso, porto le cariche dello stesso segno vicine e quindi il materiale andrà a rompersi perché

destabilizza la struttura.

3. BIDIMENSIONALI: (nei policristalli) equivalgono ai bordi di grano che sono le superfici

presenti tra i grani cristallini che si formano in seguito alla solidificazione del metallo.

All’interno del grano gli atomi sono ordinati, mentre nei bordi gli atomi creano una

situazione di parziale disordine.

I bordi di grano ostacolano la dislocazione, dobbiamo applicare una pressione maggiore

(monocristallo è più duttile) e quindi contribuiscono ad aumentare la resistenza del materiale alla

deformazione. Essi sono meccanismi di rinforzo.

Il materiale convenzionale è più duttile di quello artificiale in quanto i bordi di grano in quello

convenzionale sono minori e quindi abbiamo un minor numero di ostacoli da superare.

4. TRIDIMENSIONALI: non sono più difetti della struttura, ma della macrostruttura del

materiale. La struttura macroscopica è più affetta da questi tipo di difetti.

-Effetto della struttura sull’isotropia

Il legno è un materiale anisotropo, è formato da una serie di anelli e all’interno di ogni anello esso è

composto da fibre cave allineate una alle altre in una determinata posizione.

Il calcestruzzo non viene mai sottoposto a un test a trazione, ma solo a compressione. E’ isotropo

perché ho la resistenza meccanica ovunque io lo pressi.

La microstruttura ha quindi un effetto sull’isotropia, la ghisa ad esempio è prodotto affinché abbia

rinforzi che ne alterino le caratteristiche meccaniche e sono difetti rispetto alla matrice ferrosa. La

porcellana ha una matrice vetroso in cui sono annegate particelle di seconda fase (ex. quarzo)

-Effetto della struttura sulla porosità

Il difetto che ha un ruolo fondamentale nei materiali ceramici è la porosità. Esistono materiali densi

e poroso (ad aumentare dei pori diminuiscono le prestazioni meccaniche). I materiali metallici sono

esenti da porosità (dovuto al processo di “versaggio”).

2-LE PROPRIETA’ DEI MATERIALI

Le proprietà dei materiali si dividono in: -meccaniche (analizzano il comportamento meccanico)

-fisiche (proprietà termiche, ottiche, acustiche)

-chimiche (analizzano la durabilità del materiale)

PROPRIETA’ MECCANICHE

Quando su un corpo agisce una forza si possono avere diverse conseguenze in funzione dell’entità

della forza, del tipo di materiale e della geometria del corpo. Se la forza è sufficientemente piccola,

il corpo si deforma la variazione delle sue dimensioni è solo temporanea e recuperata quando viene

rimossa la forza (comportamento elastico). Aumentando la forza può aver luogo una deformazione

che non viene più recuperata (deformazion