Domande e risposte Tecnologia dei materiali

Aumento della resistenza meccanica dei materiali metallici

Attraverso quali metodi è possibile aumentare la resistenza meccanica di un materiale metallico. Si può aumentare il limite di snervamento grazie alla precipitazione dispersa di composti fini all’interno di un materiale, si può rigenerare la grana cristallina in modo da aumentare il bordo del grano per bloccare le dislocazioni. Inoltre si può operare un incrudimento per lavorazione meccanica, in questo caso tuttavia si perde la duttilità del materiale.

Bordo del grano nei materiali cristallini

Cosa s’intende per bordo del grano in un materiale cristallino? E qual caratteristiche presenta un materiale policristallino rispetto ad un monocristallo? Il bordo del grano è un difetto del reticolo cristallino di un materiale. Un materiale è fatto da molti cristalli e la zona di transizione da un cristallo ed il successivo prende il nome di Bordo del Grano. Questa è una zona altamente distorta che può essere per esempio attaccata dalla corrosione ma tuttavia non è in generale una zona fragile. Il bordo del grano ha una intrinseca capacità di blocco delle dislocazioni e quindi un materiale con più bordo del grano sarà un materiale più resistente ma fragile.

Dislocazioni nei materiali cristallini

Cosa si intende per dislocazione in un materiale cristallino? E quale fenomeno macroscopico è associato al loro moto. Le dislocazioni sono difetti tridimensionali cristallini. Ad esse corrisponde un “mancato volume” di atomi. Al loro moto è associata la deformazione plastica.

Incrudimento dei materiali

Cosa si intende per incrudimento dei materiali? Rappresentare graficamente l’entità del fenomeno per le strutture cristalline cubiche. L’incrudimento di un materiale corrisponde al blocco totale delle dislocazioni. Su un diagramma sigma-epsilon un materiale incrudito risulterà un materiale fragile, quindi con un campo plastico trascurabile. Di notevole importanza è la rappresentazione sul diagramma sigma-epsilon dei CFC in cui c’è un continuo blocco e sblocco delle dislocazioni.

Lavorazione a caldo dei metalli

Cosa si intende per lavorazione “a caldo” di un materiale metallico? E quali vantaggi e svantaggi presenta rispetto alle lavorazioni “a freddo”? Per lavorazione a caldo si intende una lavorazione sopra alla temperatura di ricristallizzazione. Presenta notevoli vantaggi in quanto consente di allentare le tensioni che derivano dalla lavorazione meccanica.

Legami primari

Cosa si intende per legame primario? Descriverne sinteticamente le principali tipologie. I legami primari sono quelli più resistenti. In linea generale sono: ionici, covalenti, metallici.

Legami secondari

Cosa si intende per legame secondario? Descriverne sinteticamente le principali tipologie.

Frattura fragile e teoria di Griffith

Illustrare il meccanismo di frattura fragile dei materiali in base al criterio energetico di Griffith (bilancio energetico nel processo di propagazione della fessura). La teoria di Griffith riesce a spiegare perché i valori di sforzi che provocano la frattura rapida di un materiale si discostano notevolmente dai valori reali. La supposizione di Griffith è che ci siano dei difetti all’interno del materiale, delle cricche, delle fessure che determinano una moltiplicazione degli sforzi. Gli intagli superficiali per esempio corrispondono ad una mancanza di legami. Questi legami mancanti devono scaricare l’energia che competerebbe a loro ai legami sottostanti. Il legame su cui si scarica tutta l’energia non può sopportare più di un determinato sforzo e quindi si rompe. Questo si ripete finché la fessura non è talmente grande da provocare una rottura rapida.

Recovery e ricristallizzazione

Illustrare il meccanismo di recovery e ricristallizzazione di un materiale cristallino. La dimensione grana cristallina influenza quando inizia la deformazione plastica. Le dimensioni dei cristalli possono variare a seguito di un passaggio di stato. La grana cristallina si genera nel momento in cui sto raffreddando. Quando raffreddo il materiale ho la creazione di nuclei di solidificazione ed un accrescimento di questi nuclei. A seconda se è favorita l’enucleazione o l’accrescimento avrò una grana cristallina grossa o fine. Più nuclei ho più la grana cristallina sarà fine. La ricristallizzazione è una generazione di nuova grana cristallina. Riduzione della grana senza passaggi di stato: devo operare dapprima un incrudimento, in seguito all’incrudimento il materiale ha un contenuto energetico maggiore. Gli atomi sono pronti per diffondere tramite un riscaldamento. Nei piani in cui le dislocazioni si sono mosse c’è un contenuto maggiore energetico, se riscaldo la barretta in questi piani sarà favorita la generazione di nuovi nuclei di cristallizzazione. È sostanzialmente la stessa struttura che rigenera la grana cristallina. Una volta arrivato a questo processo posso ricristallizzare effettivamente. La temperatura a cui avviene la ricristallizzazione varia tra 0.6 a 0.4 della temperatura di fusione in funzione di quanto è incrudito il materiale.

Riduzione della grana cristallina

Illustrare il metodo di ricristallizzazione utilizzato per ridurre la grana cristallina senza ricorrere ad un passaggio di stato. Vedi domanda precedente.

Difetti nei materiali cristallini

Illustrare sinteticamente i principali tipi di difetti nei materiali cristallini. Si dividono in difetti unidimensionali (vacanze ed interstizialità), difetti bidimensionali (mancanza o abbondanza di piani) e tridimensionali (dislocazioni).

Indurimento strutturale

Illustrare sinteticamente un esempio di indurimento strutturale nelle leghe metalliche. Vedi domande successive.

Orientazione preferenziale

Illustrare il fenomeno dell’orientazione preferenziale in un materiale policristallino.

Solidificazione dei metalli puri

Illustrare sinteticamente il meccanismo a due stadi di solidificazione di un metallo puro. Qual è l’influenza della temperatura? La solidificazione di un metallo puro avviene attraverso due passaggi: si ha dapprima una formazione di nuclei di solidificazione ed successivamente un accrescimento di quest’ultimi. Il primo fenomeno è di tipo Termodinamico mentre il secondo di tipo energetico. A seconda del grado di sottoraffreddamento con cui opero la solidificazione favorisco una delle due fasi. Un grado di sottoraffreddamento maggiore mi crea più nuclei di solidificazione ma a causa della “bassa” temperatura gli stessi si accresceranno molto lentamente.

Allotropia e resistenza dei metalli

Cosa si intende per allotropia e come può essere sfruttata per aumentare la resistenza di un metallo? L’allotropia consiste nell’esistenza di diversi reticoli cristallini stabili a diverse temperature. Può essere sfruttata per aumentare la resistenza di un metallo per esempio temprando a temperatura ambiente una struttura CFC anziché una struttura CCC. Difatti se raffreddo abbastanza velocemente una fase austenitica di struttura CFC me la ritroverò a temperatura ambiente. Contrariamente se raffreddo lentamente alla fine della solidificazione la fase austenitica si trasformerà in una fase ferritica.

Sinterizzazione

Descrivere sinteticamente le fasi attraverso le quali si realizza la sinterizzazione. La sinterizzazione è un processo di fabbricazione dei materiali ceramici avanzati e sfrutta la tecnologia delle polveri. Si tratta di una fabbricazione a umido partendo da una polvere. La polvere viene impastata attraverso un “legante”, una sorta di colla. A seguito di questo impasto viene applicata un’elevata pressione in contemporanea ad un riscaldamento. In questo modo i granelli di polvere a causa della elevata pressione e temperatura tendono a diffondere e ad unirsi. Inoltre il legante inserito evapora molto velocemente. Questo processo ha l’enorme vantaggio di creare meno vuoti, in quanto non è presente l’acqua.

Prova di trazione e informazioni ricavabili

Quali principali informazioni si possono ricavare da una prova di trazione su un materiale? La prova di trazione di un materiale e il diagramma sforzo-deformazione che possiamo ricavare ci forniscono informazioni su: carico di snervamento, modulo elastico, carico di rottura, allungamento a rottura, e tenacità a rottura.

Prove meccaniche convenzionali e tecnologiche

Cosa si intende per prova meccanica convenzionale? E quali sono le differenze con una prova reale (tecnologica)? Una prova meccanica convenzionale fa uso principalmente di provini che vengono sottoposti a delle prove causando la loro rottura. La prova tecnologica invece consiste in prove non distruttive in cui vengono sfruttate tecnologie elettroniche per la determinazione di fessure interne.

Resilienza nei materiali

Cosa si intende per resilienza dei materiali? Descrivere la prova eseguita per determinare tale proprietà. La prova di resilienza è condotta tramite il pendolo Charpy e misura l’energia necessaria per determinare la rottura in campo elastico di un materiale. La resilienza è quindi definita come la capacità di un materiale di resistere a sollecitazioni veloci ed intense. È anche definita come l’area sottesa al grafico della curva sforzo-deformazione. La resilienza è usata anche per stabilire l'intervallo di temperature in cui avviene il passaggio da comportamento duttile a comportamento fragile (transizione duttile-fragile) e pertanto il valore minimo della temperatura (temperatura di transizione) per la quale il materiale può essere utilizzato restando duttile. I metalli con reticolo cubico a corpo centrato diventano fragili alle basse temperature, mentre quelli con reticolo cubico a facce centrate rimangono duttili anche alle basse temperature. La tenacità invece è il lavoro necessario per rompere un materiale in una prova di trazione statica.

Scorrimento viscoso (Creep)

Cosa si intende per scorrimento viscoso (Creep) di un materiale? Illustrare l’andamento del fenomeno nel tempo al variare del carico applicato e della temperatura. Lo scorrimento viscoso è dovuto all’applicazione di un carico continuo su un materiale e al suo utilizzo a elevata temperatura. Le sollecitazioni che a temperatura ambiente possono provocare deformazioni elastiche ad elevate temperature potrebbero generare delle deformazioni plastiche. La temperatura alla quale si presenta il fenomeno dello scorrimento è circa metà della temperatura di fusione (infatti il fenomeno è dovuto alla diffusione) Diagrammando la deformazione in funzione del tempo si nota un primo tratto in cui è presente una deformazione molto veloce. Un secondo tratto definito stazionario in cui si ha un andamento rettilineo (Creep secondario) ed un terzo tratto in cui si ha un andamento che porta rapidamente a frattura.

Rottura per fatica

Descrivere sinteticamente il meccanismo di rottura per fatica di un componente non fessurato. Quando il materiale è sottoposto ad una sollecitazione le dislocazioni si muovono sui piani di scorrimento orientati nella direzione dello sforzo. Questi si incrudiscono ed alla sollecitazione successiva non sono più quelli favoriti per il movimento delle dislocazioni e quindi saranno altri piani a muoversi. Questo determina delle asperità in superficie che rappresentano l’innesco del processo che genererà delle fessure. Una volta generata la fessura il materiale avrà lo stesso comportamento a fatica di un componente fessurato.

Prove di durezza

Illustrare sinteticamente le diverse tipologie di prove di durezza sui materiali. La prova di durezza avviene attraverso una scalfittura superficiale del materiale e viene successivamente misurata l’area della scalfittura. Esistono varie prove in relazione allo strumento utilizzato per la scalfittura per esempio la prova Vickers. Si può inoltre legare il modulo di durezza al limite di snervamento del materiale tramite un coefficiente.

Trasformazione congruente ed eutettica

Cosa si intende per trasformazione congruente in una lega binaria? Fornire un esempio grafico.

Cosa si intende per trasformazione eutettica? Fornire un esempio grafico. In un diagramma di equilibrio