Domande e risposte, Scienza e Tecnologia dei Materiali

DOMANDE E RISPOSTE: Scienza e Tecnologia dei Materiali (prof.ssa Borgioli)

1) 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 fa risultare 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.

2) 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.

3) 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.

4) 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.

5) 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 e sia 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, il materiale risulterà duro ma poco deformabile

quindi fragile. Sono isolanti termici e elettrici, con bassa densità poiché ci sono molti spazi vuoti,

quindi sono molto leggeri.

6) 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

Wan 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.

7) 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 può spiegare

le proprietà del materiale come l’elevata conducibilità elettrica e quella termica, la duttilità e la

malleabilità.

8) Illustrare sinteticamente le principali tecnologie di fabbricazione di un manufatto costituito

da un lega metallica.

Le Principali tecnologie per la fabbricazione di manufatti in lega metallica sono:

A) 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 dello stato liquido a solido e

da solido a alta temperatura a solido a bassa temperatura, il materiale tende a diminuire il proprio

volume e 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 3 stampi diversi:

1. Terra (o sabbia: usato da molto tempo): fusione in terra= adatto 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 temperatura

di fusione più bassa

2. 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.

B) 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.

1. Forgiatura (sia a caldo che a freddo): in questo caso 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 ho problemi di vuoti e porosità residue. Se 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 ma anche complessa ed è importante

ricordare che il metallo è allo stato solido. Le irregolarità e le impurezze saranno nella parte esterna

ovvero la parte che successivamente verrà tolta e rifusa (riutilizzata).

2. Laminazione (sia a caldo che a freddo): il materiale passa attraverso 2 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 comunque prodotti con sezione semplice che si estendono in

lunghezza (gli oggetti possono essere molto piccoli come estremamente grandi).

3. Estrusione (sia a caldo che a freddo): anche in questo caso produco oggetti che si sviluppano in

lunghezza. Il materiale viene spinto, con elevata pressione, a fuoriuscire attraverso un foro

sagomato, d