Domande e risposte, Scienza e Tecnologia dei Materiali

Domande e risposte: scienza e tecnologia dei materiali

Temperatura di transizione vetrosa

Spiegare cosa si intende per temperatura di transizione vetrosa e descrivere la sua influenza sulle proprietà meccaniche di un polimero amorfo. La temperatura di transizione vetrosa (TG) è caratteristica dei materiali amorfi e segna il passaggio dal comportamento vetroso, che è fragile, a gommoso, che rende il materiale più deformabile e poco rigido. Nel polimero amorfo, questa temperatura dipende dal peso molecolare, che influenza la rigidità della catena. Se la TG è maggiore di quella di utilizzo, il polimero diventa rigido e fragile, mentre se la TG è minore, allora il polimero si comporta come gomma ed è facilmente deformabile ma con scarsa rigidezza e resistenza meccanica.

Comportamento viscoelastico

Illustrare che cosa si intende per comportamento viscoelastico di un polimero. Il comportamento viscoelastico di un polimero è ciò che accade alla sua struttura molecolare e dipende dal tempo di carico, dalla temperatura e dalla velocità di deformazione, cambiandone le proprietà meccaniche. In particolare, il suo modulo di elasticità non è costante ma dipende dal tempo, infatti la forma non riprende immediatamente.

Diagramma sforzo/deformazione

Tracciare e commentare il diagramma sforzo/deformazione dei materiali duttili e fragili, evidenziandone le differenze. Nel materiale fragile avviene una rottura dopo una scarsa o nulla deformazione plastica e la superficie di frattura è relativamente piana. Nei materiali duttili, invece, la rottura avviene dopo un’estesa deformazione plastica, quindi si parla di una lenta propagazione di frattura e dove in questo caso la superficie è irregolare.

Polimero termoplastico e temperatura

Tracciare e commentare il diagramma sforzo/deformazione di un polimero termoplastico al variare della temperatura di prova. A temperatura ambiente, i polimeri termoplastici presentano un’estesa plasticizzazione con fenomeni di stiro a freddo e inoltre la strizione si estende su tutto il provino gradualmente.

Proprietà dei materiali ceramici

Descrivere sinteticamente le principali proprietà dei materiali ceramici in relazione al tipo di legame chimico presente nel solido. Il legame presente nei materiali ceramici è sia quello ionico che quello covalente. Nei solidi ionici, la disposizione degli atomi è determinata sia dalla dimensione relativa degli ioni che dalla necessità di bilanciare le cariche elettroniche per mantenere la neutralità carica. Per i solidi covalenti dipende dalla direzione del legame chimico. Entrambi i tipi di legame hanno alta energia di legame e quindi alta temperatura di fusione, risultando in materiali duri ma poco deformabili, quindi fragili. Sono isolanti termici ed elettrici, con bassa densità poiché ci sono molti spazi vuoti, quindi sono molto leggeri.

Proprietà dei polimeri

Descrivere sinteticamente le principali proprietà dei polimeri in relazione ai tipi di legame presenti nel solido, in particolare descrivere le differenze tra polimeri termoplastici e termoindurenti. Il polimero è costituito da catene di unità (meri) legate con legami covalenti, così da formare lunghe catene di atomi di carbonio. Sono materiali leggeri perché hanno bassa densità e temperature di rammollimento e fusione. Inoltre, con il passare del tempo, perdono di rigidezza. Sono isolanti termici ed elettrici. Nella catena sono presenti questi legami covalenti che risultano forti e limitano la mobilità dei meri lungo di essa, mentre tra le catene è presente un secondo legame più debole (di Van der Waals) che limita lo scorrimento tra le catene. La struttura finale risulterà non lineare. I polimeri termoplastici sono appunto plastici, quindi facilmente plasmabili per effetto del calore, inoltre sono poco duri e duttili; mentre i termoindurenti hanno il comportamento inverso, cioè induriscono per effetto del calore e sono duri, resistenti e fragili.

Proprietà dei materiali metallici

Descrivere sinteticamente le principali proprietà dei materiali metallici in relazione al tipo di legame presente nel solido. Il legame presente nei materiali metallici è appunto quello metallico, che porta il materiale a essere considerato come un reticolo di ioni positivi uniti da un’atmosfera di elettroni. Così si possono spiegare le proprietà del materiale come l’elevata conducibilità elettrica e quella termica, la duttilità e la malleabilità.

Tecnologie di fabbricazione delle leghe metalliche

Illustrare sinteticamente le principali tecnologie di fabbricazione di un manufatto costituito da una lega metallica. Le principali tecnologie per la fabbricazione di manufatti in lega metallica sono:

• Fonderia: si tratta di prendere un metallo, riscaldarlo, portarlo a fusione e colarlo in uno stampo (il negativo del pezzo da ottenere). La lega deve avere una buona colabilità e riempire bene lo stampo, quindi leghe più viscose non entreranno bene. Nel passaggio dallo stato liquido a solido e da solido ad alta temperatura a solido a bassa temperatura, il materiale tende a diminuire il proprio volume, quindi è importante scegliere un materiale a basso ritiro, cioè che non diminuisca eccessivamente (es. le ghise). Un’altra cosa da considerare sono gli elementi inquinanti che non devono entrare in contatto con il materiale liquido, perché insolubili. Anche lo stampo deve avere delle proprietà, come ad esempio non collassare ad alte temperature, mantenere le caratteristiche meccaniche e non reagire con il metallo fuso. Lo stampo può essere realizzato con tre stampi diversi:
  • Terra (o sabbia): usato da molto tempo, fusione in terra adatta a moltissime leghe anche con temperature di fusione elevate (processo di solidificazione più lento).
  • Leghe metalliche: fusione in conchiglia, in questo caso devo usare un materiale dalle temperature di fusione più bassa.
  • Materiali altamente refrattari: si intende la fusione a cera persa e una temperatura di fusione più alta (fusione a cera persa, metodo più antico), sono per materiali di tipo ceramico con temperatura di fusione molto alta e soprattutto non reagiscono con il materiale utilizzato.
• Deformazione plastica: la caratteristica richiesta dalla lega in questo caso è principalmente la duttilità e le operazioni di deformazione plastica possono essere effettuate:
  • A caldo: maggiori variazioni di forma, assenza di incrudimento (per effetto della ricristallizzazione) e superficie ossidata (necessari trattamenti di finitura).
  • A freddo: maggiori potenze specifiche degli impianti, minori variazioni di forma, incrudimento (maggiori caratteristiche meccaniche) e buona finitura senza necessità di ulteriori trattamenti.
• Forgiatura (sia a caldo che a freddo): il materiale è costretto ad assumere la forma voluta mediante un maglio o una pressa e si ottengono pezzi di forma complessa con proprietà meccaniche buone, perché non ci sono problemi di vuoti e porosità residue. Se la forma che si vuole ottenere è complessa, si può utilizzare una serie di operazioni di forgiatura in successione. Esistono diversi tipi di stampi, sia quelli dalla forma semplice che complessa, ed è importante ricordare che il metallo è allo stato solido. Le irregolarità e le impurità saranno nella parte esterna, ovvero la parte che successivamente verrà tolta e rifusa (riutilizzata).
• Laminazione (sia a caldo che a freddo): il materiale passa attraverso due cilindri, lisci o scanalati, rotanti in senso opposto (controrotanti) che ne riducono la sezione provocando un allungamento. La riduzione avviene con più passaggi e in questo tipo di deformazione meccanica nel metallo, possono essere utilizzati trattamenti termici come la cottura. Con i cicli di laminazione si possono produrre non solo lastre piatte ma anche prodotti con sezione semplice che si estendono in lunghezza (gli oggetti possono essere molto piccoli come estremamente grandi).
• Estrusione (sia a caldo che a freddo): anche in questo caso si producono oggetti che si sviluppano in lunghezza. Il materiale viene spinto, con elevata pressione, a fuoriuscire attraverso un foro sagomato.