Domande e risposte Scienze dei Materiali

DOMANDE SCIENZE E TECNOLOGIE DEI MATERIALI

1. Elencare le proprietà delle 3 classi di materiali

2. Duttilità e rottura duttile

3. Influenza di atomi presenti in soluzione solida sulla resistenza meccanica

di un metallo

4. Descrivere sinteticamente le principali caratteristiche e applicazioni delle

leghe di alluminio

5. Descrivere sinteticamente le principali tecnologie di fabbricazione delle

leghe metalliche utilizzabili per formare un manufatto con alta complessità di

forma, indicando anche le caratteristiche richieste alla lega per poter essere

formata mediante tali tecnologie

6. Descrivere il legame dipolare e illustrare come influenza le proprietà dei

materiali in cui è presente

7. Disegnare e commentare il diagramma sforzo-deformazione di un

polimero termoplastico amorfo che venga impiegato al di sopra della sua

temperatura di transizione vetrosa

8. Che cosa si intende per comportamento viscoelastico di un polimero?

9. Illustrare le principali tecnologie di fabbricazione di un manufatto

costituito da un polimero termoindurente

10. Illustrare le principali tecnologie di fabbricazione di un manufatto

ceramico tradizionale

11. Descrivere sinteticamente le principali proprietà dei polimeri in relazione

ai tipi di legami presenti nel solido, in particolare descrivere le principali

differenze tra polimeri termoplastici e termoindurenti

12. Tracciare come fare il diagramma sforzo- deformazione per un polimero

termoplastico al variare della temperatura di prova

13. Spiegare cosa si intende per temperatura di transizione vetrosa e scrivere la

sua influenza sulle proprietà meccaniche di un polimero amorfo o semicristallino

14. Illustrare sinteticamente le principali tecnologie di fabbricazione di un

manufatto costituito da un polimero termoplastico

15. Diagramma sforzo-deformazione per materiali duttili

16. Descrivere sinteticamente le principali proprietà dei materiali metallici in

relazione al tipo di legame presente nel solido

17. Descrivere sinteticamente come si formano i grani cristallini e come la

dimensione dei grani influenza la resistenza meccanica di un materiale metallico

18. Descrivere sinteticamente i principali metodi per aumentare la resistenza

meccanica di un materiale metallico

19. Descrivere sinteticamente le principali tecnologie di fabbricazione di un

manufatto costituito da una lega metallica

20. Descrivere sinteticamente le materie prime utilizzate e la tecnologia di

fabbricazione di un manufatto in vetro

21. Descrivere sinteticamente i vari tipi di legami interatomici e la loro

influenza sulle proprietà più importanti delle 3 principali classi di materiali

22. Descrivere cosa si intende per tenacità di un materiale e descrivere

sinteticamente come può essere determinata

23. Illustrare cosa si intende per modulo di elasticità e come è possibile

dimostrarlo

24. Descrivere sinteticamente i principali metodi di lavorazione e

caratteristiche richieste per la lavorazione termoplastica dei metalli

25. Descrivere le proprietà dei materiali in cui è presente il legame ionico

26. Descrivere il processo di ricottura

27. Descrivere sinteticamente la tempra martensitica

28. Spiegare cosa si intende per temperatura di transizione vetrosa e descrivere

la sua influenza sulle proprietà meccaniche di un polimero amorfo

29. Tracciare e commentare il diagramma sforzo-deformazione per un

polimero termoplastico al variare della temperatura di prova

30. Descrivere sinteticamente le principali proprietà dei materiali ceramici in

relazione ai tipi di legame chimico presente nel solido

31. Esplicare cos’è la rottura fragile e quali sono le sue caratteristiche.

Mostrare il comportamento fragile di un materiale sottoposto a sforzo.

32. Illustrare brevemente le tecnologie di fabbricazione di manufatti costituiti

da polimeri termoplastici ad alta e bassa complessità di forma

33. Illustrare brevemente le tecnologie di fabbricazione di manufatti costituiti

da polimeri termoindurenti ad alta e bassa complessità di forma

34. Descrivere il legame covalente e illustrare come influenza le proprietà dei

materiali in cui è presente

35. Descrivere sinteticamente le principali caratteristiche e applicazioni degli

acciai

36. Descrivere sinteticamente le principali tecnologie di fabbricazione delle

leghe metalliche utilizzabili per formare un manufatto con bassa complessità di

forma, indicando anche le caratteristiche richieste dalla lega per poter essere

formata mediante tali tecnologie

37. Che cosa si intende per incrudimento? Quali sono i suoi effetti sulle

caratteristiche meccaniche di un materiale metallico?

38. Descrivere sinteticamente le principali caratteristiche e applicazioni delle

leghe di rame

39. Tracciare e commentare il diagramma sforzo-deformazione per i materiali

duttili e fragili, evidenziando le differenze

40. Transizione vetrosa di un polimero semicristallino

RISPOSTE

Risposta 1

Proprietà dei materiali:

Materiali metallici:

Densità 1,8 – 9 g/cm​ 3

● Resistenza meccanica 90 – 1700 MPa

● Modulo di elasticità 45 – 250 GPa

● Duttilità

● Buoni conduttori elettrici e termici

●

Materiali ceramici

Densità 1,7 – 4 g/cm​

3

● Resistenza meccanica 100 – 1500 MPa

● Modulo di elasticità 70 – 1200 GPa

● Elevata durezza

● Fragilità

● Isolanti elettrici e termici

●

Materiali polimerici

Densità 0.9 – 2 g/cm​

3

● Resistenza meccanica 10 – 100 MPa

● Modulo di elasticità 0.2 – 4 GPa

● Isolanti elettrici e termici

● Duttilità; fragilità

● Influenza della temperatura

●

Risposta 2

Duttilità: ​ un materiale si può definire duttile se la sua rottura avviene dopo

un’estesa deformazione plastica. La propagazione della frattura è lenta e la

superficie di frattura è irregolare.

Rottura duttile: ​ avviene dopo che il materiale ha subito diversi segni di

deformazione plastica. Non è correlata con la direzione di applicazione dei carichi

principali (rottura fragile). Le superfici di rottura appaiono opache e fibrose.

Risposta 3

Soluzione solida → a

​ tomi dispersi in modo uniforme e casuale entro il solvente

Soluzione solida sostituzionale → ​ gli atomi di soluto vanno a sostituire quelli del

solvente nelle loro posizioni reticolari in modo casuale

Soluzione solida interstiziale → l

​ ’atomo soluto occupa siti interstiziali del

reticolo del solvente in modo casuale, non vengono occupati tutti

Le leghe a soluzione solida spesso possiedono maggiore resistenza e durezza e

una duttilità inferiore a quella dei metalli puri. Ostacolando e limitando il

movimento delle dislocazioni, le soluzioni solide aumentano la resistenza

meccanica.

Risposta 4

Leghe di alluminio

Vantaggi

migliori caratteristiche meccaniche

● più facilmente colabili

● più resistenti a corrosione

●

Serie 2000 (Alluminio - Rame)

Elevata resistenza a fatica

● Indurimento per precipitazione

●

UTILIZZI

Costruzioni aeronautiche e aerospaziali

●

Serie 3000 (Alluminio - Manganese)

Da incrudimento: bassa resistenza meccanica

●

UTILIZZI

Lattine, imballaggi

●

Serie 4000 (Alluminio - Silicio)

Da incrudimento: moderatamente alta resistenza meccanica e alta

●

colabilità

UTILIZZI

Metallo d'apporto per saldature

● Come lega di getto è usata per pressofusione

●

Serie 5000 (Alluminio - Magnesio)

Da incrudimento: resistenza meccanica migliore

● Ottima resistenza a corrosione, anche in acqua di mare

●

UTILIZZI

Stoccaggio di generi alimentari

● Trasporti

●

Serie 6000 (Alluminio - Magnesio - Silicio)

Buona resistenza a trazione

● Facile lavorabilità

● Elevata resistenza (estrusione; saldatura)

● Elevata resistenza a corrosione

● Attitudine ai trattamenti di superficie (anodizzazione)

●

UTILIZZI

Struttura mediamente sollecitata

● Applicazioni architettoniche

● Serramenti

●

Serie 7000 (Alluminio - Zinco)

(Rispetto a serie 2000)

Maggior resistenza a trazione

● Meno costosa

● Meno resistenti a corrosione

●

UTILIZZI

Componenti con prestazioni resistenziali (telai bici; cerchi in lega)

●

Risposta 5

Metallurgia delle polveri

Miscelazione e produzione di granuli tramite estrusione

● Produzione del componente tramite processo di stampaggio a iniezione

●

(come i polimeri)

Estrazione del legante (debinding) per via termica o col solvente. Il ​ brown

●

ha una porosità del 30-40% vol.

Sinterizzazione. La densità finale è del 95-98% rispetto alla lega massiva

●

VANTAGGI

Bassi scarti di lavorazione

● Utilizzabile con leghe difficilmente colabili

● Pezzi complessi con forma vicina a quella definitiva

●

Powder Injection Moulding

Forme finite e complesse

● Proprietà meccaniche più elevate della metallurgia tradizionale

● Possibilità di stampare in sequenza vari tipi di materiale

● PIù componenti

● Riciclaggio scarti

●

SVANTAGGI

Leghe ferrose (50-100 g) piccole dimensioni

● Limitazioni spessore (-0.05mm - 5mm)

● Elevato costo delle polveri

● Alto costo stampo

● Non concorrenziale con la metallurgia delle polveri tradizionale

●

Additive Manufacturing

Modellazione CAD

● Modello suddiviso in tre strati che determineranno la forma finale

● Le sezioni che costituiscono gli strati vengono costruite una dopo l’altra,

●

dal basso verso l’alto. La polvere viene distribuita in uno strato uniforme. Un

fascio laser scansiona le sezioni, causando una fusione totale o parziale delle

particelle in polvere, così da legarle tra loro. La polvere non fusa sostiene lo strato

che viene formato.

Realizzato lo strato, un pistone abbassa l’oggetto e viene aggiunto un

●

nuovo strato di polvere. Il processo di scansione con il fascio laser viene ripetuto

fino a completamento,

Le polveri vengono rimosse (poi riciclate al 95%) e l’oggetto sottoposto a

●

finitura

Leghe utilizzabili: acciaio, bronzo, cobalto-cromo, alluminio, titanio

● Settori: aeronautico, automobilistico, protesi, impianti dentari, oggetti

●

decorativi

Risposta 6

Legame dipolare→ ​ gli atomi sono globalmente neutri (stesso numero di protoni

ed elettroni) e normalmente hanno una distribuzione simmetrica delle cariche

elettriche. In particolari circostanze è possibile che la distribuzione spaziale delle

cariche positive e negative diventi asimmetrica, così si crea un dipolo

Distribuzioni asimmetriche di cariche possono essere presenti anche in molecole​ .

Il legame di van der Waals intercorre tra atomi o molecole che hanno carattere

dipolare: i dipoli elettrici interagiscono tra loro attraverso forze di tipo

elettrostatico. È relativamente debole (energia di legame ~ 10 kJ/mole)

Nei materiali polimerici i legami secondari, come il legame dipolare limitano lo

scorrimento tra le catene; ​maggiore la lunghezza delle catene, maggiore la

viscosità, la resistenza meccanica, la durezza e la temperatura di transizione

vetrosa.​ Questa influenza è dovuta all'aumento di interazioni tra le catene

[30]

polimeriche, quali forze di Van der Waals​.

Risposta 7

Al di sopra della loro temperatura di transizione vetrosa (Tg) i termoplastici di

deformano in modo elastico, andando incontro a una transizione duttile-fragile

quando vengono riscaldati oltre la loro temperatura di Tg (caratteristica dei

materiali amorfi e segna, al riscaldamento, il passaggio da un comportamento

vetroso (fragile) ad un comportamento gommoso).

Risposta 8

Comportamento viscoelastico→ ​ Sotto l’azione delle forze esterne la struttura

molecolare dei polimeri termoplastici si deforma con processi di due tipi: elastici

[(deformazioni elastiche ‘immediate’ (variazione della lunghezza e dell’angolo di

legame); deformazioni elastiche ritardate (svolgimento dei gomitoli statistici)] e

viscosi (scorrimento delle catene). ​I materiali viscoelastici si oppongono sia alle

sollecitazioni tangenziali sia alle sollecitazioni normali, generando quindi al loro

interno sia sforzi tangenziali sia sforzi normali. ​Le proprietà meccaniche di un

materiale viscoelastico dipendono da:

• tempo di carico

• temperatura

• velocità di deformazione

In un materiale viscoelastico il modulo di elasticità non è costante ma dipende dal

tempo.

Lo studio sperimentale di un materiale viscoelastico si basa su due prove:

Prova di creep (si applica un carico costante per il tempo t

​ ​ e si misura la

● deformazione al variare del tempo)

Prova di rilassamento (si applica una deformazione costante per il tempo ​ t

● e si misura lo sforzo necessario per mantenerla al variare del tempo)

(Slide 44-seguenti lezione 10 per immagini)

I processi viscoelastici sono fortemente dipendenti dalla temperatura.

Esperimenti condotti ad alte temperature e tempi brevi danno effetti

corrispondenti a esperimenti fatti a temperature basse e tempi lunghi. Lo stato di

deformazione presente nel manufatto al generico tempo t dipende dalla intera

storia di sollecitazione che il materiale ha subito in precedenza. Il modello teorico

più semplice che predica la risposta per una data storia di carico è il

principio di sovrapposizione di Boltzmann, per un materiale viscoelastico lineare

la deformazione risultante da una storia complessa di carichi applicati è la

somma algebrica delle deformazioni dovute a ciascun carico.

Risposta 9

Stampaggio a iniezione→ D

​ eriva dal PIM dei metalli. Il polimero in granuli è

● immesso in un cilindro al cui interno c’è una vite rotante che spinge i granuli

contro le pareti di un cilindro riscaldato, ciò causa la fusione; quando la

quantità del polimero fuso è sufficiente la vite si ferma e inietta il materiale

nello stampo mantenendolo in pressione in modo da limitare il suo ritiro alla

solidificazione, poi il pezzo viene raffreddato e si solidifica e viene tolto dallo

stampo. manufatti dalle forme complesse e buona precisione delle forme..

Questo processo può anche essere: stampaggio a iniezione con inserti

metallici o di altro materiale, coiniezione iniettando polimeri diversi, stamp.

A iniez. Di espansi strutturali iniettando insieme al polimero agenti

espandenti, stampaggio a iniezione. Assistito da gas iniettando gas.

Estrusione→ A

​ nalogo allo stampaggio; il polimero in granuli viene immesso

● in un estrusore, la rotazione della vite forza i granuli contro le pareti

riscaldate del cilindro fondendoli, poi il materiale è spinto nello stampo dalla

vite e poi raffreddato a T<Tg e tolto. Dopo di che viene fatta la soffiatura,

soffiando aria nel tubo in modo che le pareti si assottigliano per ottenere un

film. Manufatti dalle forme semplici.

Stampaggio rotazionale→ L

​ a polvere polimerica è posta in uno stampo freddo

● che poi viene chiuso, riscaldato e fatto ruotare su due assi, la polvere,

fondendo, si adatta alle parti dello stampo formano un guscio, poi il pezzo è

raffreddato con aria o acqua vaporizzata e poi rimosso. Manufatti di grandi

dimensioni cavi e chiusi.

Colata reattiva→ ​ Colata reattiva perché avviene una reazione chimica. Si

● lavora con pre-polimeri cioè polimeri prima della polimerizzazione che sono

più liquidi e poi la polimerizzazione avviene insieme alla formatura->

produce un materiale di qualità migliore. Manufatti con qualsiasi forma.

Stampaggio per compressione→ l

​ a resina preriscaldata è inserita in uno

● stampo riscaldato, la parte superiore dello stampo spinge la resina dentro la

cavità, continuando il riscaldamento si ottiene la reticolazione della resina

poi il pezzo è rimosso e anche le bave. Manufatti semplici.

Stampaggio per trasferimento→ ​ Deriva dalla pressofusione dei metalli. La

● resina è caricata in una camera al di fuori dello stampo che è poi chiuso e un

pistone spinge la resina preriscaldata nello stampo, poi quando il polimero è

reticolato viene tolto. Manufatti complessi.

Risposta 10

Illustrare le principali tecnologie di fabbricazione di un manufatto ceramico

tradizionale

I ceramici tradizionali sono costituiti da materie prime diffuse in natura e

possono essere plastificanti (argille) plasmabili con H2O (alla cottura presentano

un elevato ritiro), smagranti (quarzo, sabbie silicee, argilla cotta macinata) che

contrastano il ritiro e fondenti, i quali durante la cottura formano una sostanza

liquida che riempie le porosità e rende il materiale compatto. Ci sono varie

tecnologie di fabbricazione per creare un manufatto ceramico tradizionale:

PREPARAZIONE DELL’IMPASTO: materie prime macinate a secco (granuli

● grossolani) o a umido (granuli fini), a seconda di quanta acqua c’è posso

avere un materiale più o meno plastico

FORMATURA: ci sono vari processi che danno la forma al materiale

● tradizionale:

1. PRESSATURA: la miscela di polveri+H2O viene compattata tra due

stami attraverso presse idrauliche con pressioni alte in modo da

compattare il tutto. È effettuato in due tempo per far fuoriuscire tutta

l’aria dalla massa e ha forme regolari.

2. ESTRUSIONE: la massa passa attraverso una matrice con un profilo

prestabilito,poi vi è il passaggio in una camera sotto vuoto per

migliorarne la plasticità, il