Lezioni, Scienze dei materiali

MATERIA: SCIENZE DEI MATERIALI

ARGOMENTI TRATTATI

• Struttura e classificazione dei materiali
• Proprietà, deformazioni e comportamenti dei materiali
• Materiali metallici (proprietà e diagrammi)
• Difetti dei cristalli
• Calcestruzzo e malte
• Pietre e rocce
• Materiali ceramici
• Vetri

STRUTTURA E CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI

Le proprietà classificano i materiali

ORGANIZZAZIONE NEI SOLIDI → STRUTTURA AMORFA: senza regolarità nei cristalli

STRUTTURA CRISTALLINA BEN DEFINITA

ES: SiO₂ = silice presente sia in natura come quarzo (struttura cristallina) che come vetro (solido amorfo)

Stesso materiale (Si) ma con 2 strutture diverse hanno → proprietà diverse, i due materiali

→ LE PROPRIETÀ DELL'ORGANIZZAZIONE DELLA STRUTTURA CLASSIFICANO I MATERIALI

Solidi cristallini: forma geometrica che si ripete rigorosamente

solidi amorfi: no geom. che si ripete

i mattoni da costruzione sono gli stessi nel cristallo di quarzo e nel vetro ma nei 2 mat si dispongono in maniera ↑ anche le caratteristiche dei 2 materiali sono diverse.

CRISTALLI

Cristallo di quarzo: i piccoli atomi si dispongono in esagono e anche il cristallo sarà esagonale

Cristallo di diamante: interamente in carbonio

• Costituito da un solo cristallo (MONOCRISTALLO)

La maggior parte dei materiali invece sono POLICRISTALLINI (maggio, tavolo ecc.) sono atomi disposti in maniera ordinata ma con più cristalli che formano il materiale (orientati diversamente ma cali)

APPROFONDIMENTO

MAP 1 e 17 (par. 2.1)

Cella elementare cubo → Replicata in tutte le direzioni forma una struttura regolare, cioè cristallina

Tra i solidi cristallini e quelli amorfi esistono i solidi semicristallini, come in alcuni materiali polimerici (es polietilene HDPE o LDPE)

LE CURVE DI CONDON-MORSE

sono curve che rappresentano l'energia che tiene unita la materia

Prendo 2 atomi: (minima quantità per avere met.) Quando gli atomi sono vicini l'En è minima, per poterli staccare ci vuole + en. Allontandosi troveranno stabilità.

Più si legano e l'En diventa <. in a_o ci sarà il minimo di E_o e il max di stabilità.

Per staccarli ora ci vorrà un quantità positiva che vada a superare l'En di legame che sarà negativa.

Questo punto (B) è dei metalli, per le plastiche è più piccolo (+ in alto di B).

Arrivati ad una certa dist. resistono Ce lo spiega la curva di C.M.

8/10/13

Densità = massa / Volume

Ceramica

• mat. inorganici non metallici
• Isolanti termici ed elettrici
• Resistono bene a temp. alte
• Ambienti aggressivi
• Sono fragili: si rompono dopo essere deformati solo in modo reversibile (det: elastici che).

Legame Covalente - Prevalente su Ionico (Ceramici)

• En molto forte
• Alta rigidezza
• Alta resistenza a rottura
• Alta temp. fusione
• Basse temp. dilatazione termica

Direzionale

• Fragilità
• e^- non liberi
• Pessimo conduttore termico ed elettrico (buon isolante)

Materie Plastiche: Polimeri

Mat. organici costituite da lunghe catene nelle quali uno o più gruppi (monomeri) si ripetono.

Organici perché si ripetano atomi di C

Più semplice delle materie plastiche: Polietilene

H    H |      | - C -- C - |      | H    H

15/10/13 DIFETTI NEI CRISTALLI

Fortunatamente i cristalli non sono perfetti, perché se cosí fosse non riusciremmo ad ottenere leghe metalliche.

I difetti si identificano secondo della loro dimensione:

• di punto
• di superficie
• di volume

Difetti adimensionali

• vacanze
• atomi interstiziali

Vacanze = se manca un atomo

Atomo interstiziale: atomo piú piccolo che occupa uno spazio che dovrebbe essere vuoto.

Tramite questi possiamo ottenere le leghe metalliche perché l'interstiziale è in genere un atomo estraneo (diverso) oppure perché la vacanza può essere occupata.

Gli acciai INOX sono soluzioni sia sostituzionali che interstiziali.

Sostituzionale = se occupa una vacanza

Interstiziale = se occupa un interstizio

Fe - C - Cr - Ni

Se non avessi questi interstizi/sos vacanze non avremmo acciai.

La materia allo stato solido può comportarsi, come i liquidi, grazie al ruolo delle vacanze

O O . O O O O O O O O O

O O . O O O O O O O O O

O O O O O O . O O O O O O

A B → Nuovo materiale

Il modulo elastico (E) quantifica la RESISTENZA del mat.

E = E:

↕

→ E ↔ E

Y = a ⋅ x

Dice che E è proporzionale al crescere di σ ed ε.

Ad una forza esterna σ corrisponde una rez interna del materiale ε ∝ σ => E è il rapporto di questi fenomeni,

E = σ / ε ed è strettamente dipendente dal materiale

σ può essere un'azione esterna, ma E quantifica anche la reazione del materiale => LA RESISTENZA.

Di quanto si deve deformare (ε) il materiale per opporsi allo stress esterno (σ) me lo dirà E.

π def elastico

E_ce > E_me > E_pl

E_{n covalente} > E_{n legame metallico} >> legame debole (second)

Quindi, il modulo elastico è proporzionale alla forza del legame. Per deformare una ceramica ci vuole più forza est.

La sezione dei provini metalli può essere circolare o rettangolare

La prova è corretta solo se avviene nella zona centrale per questo le estremità sono più grosse del centro

L'operatore va a identificare con dei segni la lunghezza iniziale del mat (o tratto utile) nella sez centrale

L₀

E = ^ΔL/_L0 = L-L₀

Per valutare un allungam per unità di lunghezza

Queste prove avvengono a velocità di deformazione costante

^dE/_dt

Perché i mat rispondono in

maniera diff a seconda della

velocità di deformazione,

bisogna però controllare

A trazione non resistono bene i ceramici (ccls), ma

bene a compressione

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Se si dice che un mat è fragile non diciamo niente sulla sua resistenza. Diciamo solo che risponde in maniera elastica agli sforzi.

La rigidezza e la resistenza sono però collegate dalla d legge.

Dopo aver raggiunto σᵣ dobbiamo controllare la sua velocità di deformazione perché il materiale si romperebbe velocemente ma noi prolunghiamo la sua agonia.

In 2, strizione.

Tondino ormai disomogeneo.

1. σ₁ = Fₜ / A₁
2. σₛ = Fᵢ / A₃

σₛ > σ₁

È come se la macchina dovesse tirare 2 provini diversi, uno con sezione A₁ e l'altro con sez Aₛ. Deve però controllare la velocità di def di entrambe le sez diminuendo lo sforzo applicato.

σ = F / A₀

Per questo l'andam della curva diminuisce anche se la deft aumenta.

28/10/13

E modulo elastico

[MPa, GPa]

Parametto che quantifica la rigidità

Più e rigido e meno si deforma plasticamente per resistere ad una forza

limite elastico ε_el e limite di snervamento σ_y

[MPa]

σ → ε sempre una sollecitazione

soglia che delimita il campo elastico dopo di questo si spezza il materiale o si deforma in campo plastico

limite elastico convenzionale σ_0,2 [MPa]

→ E di nuovo uno sforzo o sollecitazione Induce una def. irreversibile (plastico) del 0,2%

ε_pl = 0,002 (0,2%)

Resistenza a rottura σ_R (Resistenza a trazione σ_t)

Sollecitazione max che il materiale subisce nel corso della prova (se la prova è di trazione → σ_t)