Riassunto del Corso di Tecnologia dei materiali

SCIENZA E INGEGNERIA DEI MATERIALI

• SCIENZA DEI MATERIALI = relazioni fra la struttura e le proprietà dei materiali.

• INGEGNERIA DEI MATERIALI = progettazione o ingegnerizzazione della struttura di un materiale

sulla base delle correlazioni tra struttura e proprietà

• MATERIALE: sono in generale sostanze siche solide utilizzate nella produzione di oggetti.

• STRUTTURA:disposizione dei componenti interni materiale = modo in cui unità sono legate tra loro.

• PROPRIETÀ: comportamento materiale se sottoposto a sollecitazioni meccaniche, siche o

chimiche. (MECCANICHE, TERMICHE, ELETTRICHE, MAGNETICHE, OTTICHE e di

DETERIORAMENTO).

• Proprietà materiale dipendono da struttura => 3 livelli di struttura:

MACROSTRUTTURA: visibile a occhio nudo (massimo lente di ingrandimento)

• MICROSTRUTTURA: individuabile solo attraverso l’indagine microscopica => organizzazione di

• gruppi estesi di atomi.

STRUTTURA ATOMICA: disposizione spaziale degli atomi o delle molecole che compongono il

• materiale.

CLASSIFICAZIONE MATERIALI => in base alle loro funzioni=> MATERIALI STRUTTURALI,

• MATERIALI AEROSPAZIALI, MATERIALI OTTICI, MATERIALI MAGNETICI, MATERIALI

BIOMEDICI, MATERIALI ENERGETICI, MATERIALI INTELLIGENTI.

• PROCESSO DI LAVORAZIONE e PRESTAZIONI => LAVORAZIONE-STRUTTURA-

PROPRIETÀ-PRESTAZIONI => processo di lavorazione determina una speci ca struttura del materiale

che a sua volta è caratterizzato da speci che proprietà che conferiscono prestazioni diverse.

• PROPRIETÀ DEI MATERIALI=> 6 classi => ci interessa solo meccaniche e deterioramento):

MECCANICHE = relazione tra deformazione e carico e sforzo applicato

• DETERIORAMENTO = reattività chimica di una materiale=> durabilità

•

• SCELTA MATERIALE => condizioni in servizio, decadimento proprietà, questione economica

• CLASSIFICAZIONE MATERIALI => in base ai loro costituenti (metalli, ceramica, polimerici):

Metalli = uno o più elementi metallici + piccole quantità elemento non metallico=>atomi disposti in

• modo ordinato e alta densità => rigidi e resistenti=> duttili e resistenti a fratture=> alto numero di

elettroni delocalizzati=> ottimi conduttori elettrici => super cie levigata lucente=> alcuni magnetici =>

atomi mantengono mediamente la posizione di equilibrio e oscillano sempre di più all’aumentare della

temperatura)

Ceramici = elementi metallici + non metallici => Ceramici tradizionali = cottura dimenerai argillosi=>

• materiali relativamente rigidi e resistenti => molto duri e estremamente fragili=> buoni isolanti termici e

elettrici=> alta resistenza alle alte temperature=> trasparenti opachi ecc.

Polimerici = plastici e gomme => composti organici=> basati su carbonio idrogeno altri non metallici

• => struttura formata da catene molto estese con carbono che forma struttura portante => bassa densità

rigidità e resistenza=> molto duttili e essibili=> non reattivi => non reggono temperature elevate

• STRUTTURA ATOMICA DI BOHR

Livelli di energia :

• - Liv. 3= 2 elettroni (vicino al nucleo)

- Liv. 2= + energia del livello 3= 8 elettroni (intermedio)

- Liv. 1= + energia del livello 2= 2 elettroni (più esterno)

• ATOMI = neutralità elettrica => stesso numero di protoni ed elettroni=> stabile = livello di elettroni più

esterno è completo => parte sinistra della tavola periodica = elementi con un solo elettrone nello strato più

esterno => parte destra elementi a cui manca un elettrone per raggiungere la stabilità (e i gas nobili) =>

IONI ovvero atomi che hanno preso o perso elettroni => metalli = molti elettroni = pochi nello strato

esterno e piuttosto lontani=> elettropositivi= cedono facilmente un elettrone => non metalli=

elettronegativi

• LEGAMI :

Legame covalente = condivisione di due o più elettroni => accumulo densità elettronica =>

• abbassamento energia potenziale => aumento energia per repulsione => legame direzionale => dipende

da numero di elettroni di valenza => disposizione elettroni dipende da elettronegatività Pagina 1

fl fi fi fi fi fi

Legame ionico = differenza di elettronegatività molto alta => metallo + non metallo => elemento

• metallico = prende uno o più elettroni = attratti dall’atomo dell’elemento non metallico => legame

elettrostatico e direzionale => cristalli formati da ioni di carica opposta = struttura regolare = reticolo

cristallino => stabilità = energia reticolare

Legame metallico = max 3 elettroni di valenza => mare di elettroni => cristalli metallici = reticoli di

• ioni positivi = disposti ordinati e ripetitivi => nubi di elettroni di valenza diffusa in tutto il reticolo

Legame ad idrogeno = atomo di idrogeno si lega a uno molto elettronegativo => interazione

• elettrostatica => legame debole

Interazioni di Van Der Walls = attrazione tra molecole neutre => estremamente deboli e a corto

• raggio=> elettrostatiche

• STRUTTURE CRISTALLINE => sostanze solide = SOLIDI CRISTALLINI (motivo regolare lungo

qualsiasi direzione) e SOLIDI AMORFI => cella elementare = regione di spazio => riempie tutto lo

spazio senza lasciare vuoti => unità strutturale di base per la costruzione del reticolo cristallino => diversi

tipi a seconda di come si posizionano gli atomi :

- Struttura esagonale compatta (EC) = in tal caso la cella elementare presenta una faccia superiore e

una faccia inferiore a forma di esagono regolare costituita da sei atomi ai vertici e uno al centro.

Tra le due facce è presente anche uno strato intermedio in cui sono posizionati tre atomi. Questa

struttura presenta 17 atomi di cui 12 disposti nei vertici dei due esagoni di base, 2 disposti nei centri di

tali esagoni, 3 in posizione intermedia rispetto alle basi. Il numero di coordinazione è 12 (struttura

compatta); infatti ciascun atomo è a contatto con 6 atomi del suo piano, con 3 del piano sovrastante e

3 del piano sottostante. Il fattore di impacchettamento è pari a 0,74 (occupato per 0,74 da atomi e

per il restante 0,26 è vuoto). [a(distanza tra gli atomi)=2R] [a/c=1,633)

- Struttura cubica a facce centrate (CFC) = tale struttura, tipica di molti materiali metallici, è

caratterizzata da una cella unitaria cubica nella quale gli atomi sono disposti ai vertici di un cubo e al

centro di ciascuna faccia=> Questa struttura presenta 14 atomi di cui 8 disposti nei vertici del cubo e

6 al centro di ciascuna faccia del cubo. Il numero di coordinazione è 12 (struttura compatta); infatti

ciascun atomo è a contatto con 4 atomi del suo piano, con 4 del piano sovrastante e 4 del piano

sottostante. Il fattore di impacchettamento è il rapporto tra il volume degli atomi appartenenti alla

cella unitaria ed il volume totale della cella. In questo caso il fattore di impacchettamento è pari a 0,74.

[a(distanza tra gli atomi)=2R√2]

- Struttura cubica a corpo centrato (CCC) = In tale struttura la cella presenta atomi ai vertici di un

cubo e un atomo al centro di tale cubo => Questa struttura presenta 9 atomi di cui 8 disposti nei vertici

del cubo e 1 al centro del cubo stesso. Il numero di coordinazione è 8 (struttura non compatta); infatti

ciascun atomo è a contatto con 4 atomi del piano sovrastante e 4 del piano sottostante. Il fattore di

impacchettamento è pari a 0,68 (più vuoto delle altre due= meno compatto=occupa più spazio).

[a(distanza tra gli atomi)=4R√3]

• Distanza e struttura = uniche per ogni materiale e da esse è possibile capire di che elemento si tratta

• Anche massimo impacchettamento = lascia vuoti => strutture meno compatte vuoti maggiori dimensioni

=> costituiscono reticolo cristallino => possono venire occupati da altri atomi (o piccolo molecole) dando

origine a delle leghe interstiziali

• Monocristallo => in un solido cristallino gli atomi sono disposti secondo una ripetizione periodica, senza

mai interrompersi.

• Policristallini: materiali costituiti da un insieme di cristalli molto piccoli, detti grani. Si formano grazie

a piccoli cristalli che presentano tra loro orientamenti cristallogra ci del tutto casuali => piccoli grani

crescono grazie all’aggiunta di atomi provenienti dal liquido che gli circonda => Processo di

solidi cazione = ne => estremità grani si urtano => si crea un cristallo => Nel punto in cui due grani

adiacenti si urtano si crea una disposizione difettata di atomi detta bordo grano

• SOLLECITAZIONE => Sollecitare = applicare delle forze [kg]=> spingono gli atomi ad allontanarsi =>

Una forza si distribuisce su tutti gli atomi => Forza tangenziale= fa scorrere un piano rispetto a un altro =>

Forza normale= fa staccare i piani atomici => A seconda di quale di queste due forze prevale => rompersi

o deformarsi

- Sollecitazione = (forza)/(numero di atomi che la sopportano)> σ = F/n (kg/atomo)=> σ = F/S (kg/

mm2)

- Ɛ Ɛ

= Δa/L (%) => = deformazione => Δa = allungamento di ogni atomo => L = lunghezza

Pagina 2

fi fi fi

• DIFETTI = L’ordine ogni tanto presenta dei difetti anche se il materiale ordinato:

- (Bordo di grano = con ne che separa due grani = diversa orientazione = non c’è ordine)

- Difetto di punto= in un cristallo quando una posizione che dovrebbe essere occupata risulta vuota =

VACANZA = aumenta l’entropia del cristallo = legami si allungano => un atomo va ad occupare una

posizione non prevista, intermedia tra atomi posizionati correttamente = AUTOINSESTIZIALE =

legami si comprimono => difetti di punto in uiscono su diffusione=> materiale con più vacanze =

meno energia = è più stabile ( in un materiale puro dove tutti gli atomi sono uguali e indistinguibili)

- Atomo di impurezza sostituzionale atomo estraneo in spazio interstiziale = entra tramite diffusione =>

materiale con percentuale elevata di purezza = molto dif cile => cambiano dimensioni le distanze di

equilibrio e l’energia dei legami => GLI ATOMI SI MESCOLANO

- Atomo di impurezza interstiziale= un atomo di dimensioni più piccole di quelli dell’atomo in

questione si mette nello spazio tra due atomi => atomo occupa una posizione che risultava vacante

• DIFETTI LINEARI = interrompono regolarità struttura lungo una linea => DISLOCAZIONI =

disposizione di una la di atomi difettati attorno ai quali gli altri atomi sono disposti in maniera irregolare

=> si formano con lavorazione => modi cano proprietà meccaniche

- Dislocazione a spigolo: linea dove termina un piano reticolare interrotto all’interno del cristallo =

parallelo agli altri => distorsione del suo immediato intorno => Esse si possono muovere nel reticolo

- Dislocazione a vite: si ottengono da uno sforzo di taglio che determina una distorsione=> dif cili da

visualizzare => regione superiore del cristallo = slittata di una distanza interatomica a destra o a sinistra

rispetto alla porzione inferiore.

• In generale dislocazioni sono un misto

• Materiali ceramici = difetti non si possono muovere (=> non si piegano)

• DIFETTI DI SUPERFICE =

- BORDO DI GRANO =con ni tra due piccoli grani o cristalli che presentano una differente

orientazione cristallogra ca all’interno di materiali policristallini => barriera allo scorrimento delle

dislocazioni => striscia di atomi disposti in modo irregolare, che assumo posizione intermedia tra un

grano e quella di un grano adiacente. Quando questo disallineamento è limitato si parla di bordo

grano a piccolo angolo

- DISALLINEAMENTO => dovuti all’inserimento di piani che si interrompono=> nel caso sia a

basso angolo si ha una dislocazione a spigolo=> cambiano le distanze atomiche

• GRANI = 10 micron = orientazione a seconda del piano => orientazione luce ri essa diversa => per

vederli a microscopio occorre lucidarli con polvere di diamante e acido nitrico (corrode bordo di grani

dove energia più alta perché dove ci sono molti difetti non si abbassa energia ma si alza)

• DIFFUSIONE = passaggio di massa all’interno di un determinato solido da parte di un liquido, un gas o

da parte di altro solido => temperatura sopra 0k facilita diffusione => si sfrutta per conferire diverse

caratteristiche al materiale => avviene solo se = è presente una posizione adiacente vuota dove andare a

recarsi => atomi = suf ciente energia per potersi spostare => metalli = diffusione per vacanze ( atomi con

dimensioni, elettronegatività e struttura cristallina simili) e diffusione interstiziale (ci sono tanti spazi,

serve energia suf ciente) => facilitate da temperatura => diffusione a bordo di grano = sul bordo ci sono

moltissimi difetti => c’è molta energia

• DIFFUSIONE STAZIONARIA = passaggio attraverso una barriera => usso di diffusione = J=M/At =

massa del materiale che attraversa/ super cie per tempo= quanti kg di atomi passano per un metro quadro

in un secondo=> proporzionale al gradiente di diffusione (o gradiente di concentrazione) dC/dx =>

PRIMA LEGGE DI FICK = il usso di materiale che entra in un reticolo è = -D(dC/dx) =>

(D=coef ciente di diffusione) => Stazionaria= gradiente e usso costanti

• DIFFUSIONE NON STAZIONARIA = gradiente e usso variano nel tempo (=> profondità a cui arriva

gas in materiale aumenta con lo scorrere del tempo) => SECONDA LEGGE DI FICK => dCx/dt=d/

dx(D)(dCx/dx)=> in uenzano diffusione temperatura e tipo di specie coinvolte => D=D0-Qd/RT => D0=

grandezza indipendente da temperatura => Qd= energia necessaria per diffusione => R= costante dei gas=

8,31J/mole•K o 8,62•10^-5e V/atomo•K => T= temperatura assoluta

• PROPRIETÀ MECCANICHE = Rigidità, durezza, resistenza, duttilità, tenacità

• SOLLECITAZIONI MECCANICHE => Prova di trazione-compressione, prova di taglio-torsione

Ɛ Ɛ

• σ = F/S= (Kg/m2) sollecitazione; = ∆l/l (m/m) = allungamento; E = σ/ (Kg/m2) = modulo elastico

• Resistenza materiale => dipende da capacità di resistere legami tra atomi Pagina 3

fi fi fi fl fi fi fi fi fl fi fi fl fl fi fl fl fl fi

• PROVA DI TRAZIONE = deformare lungo asse principale no a rottura/

deformazione plastica provino => forma provino = cilindrica, rettangolare o

a osso ( per concentrare nel centro lo sforzo di trazione => misure

allungamento utilizzate per calcolare duttilità => macchina garantisce

allungamento a velocità costante=> misurati contemporaneamente

allungamento e carico istantaneo

• PROVA DI COMPRESSIONE = provino contratto lungo la direzione in cui

viene applicata la forza=> usata per studiare comportamento materiale

sottoposto a deformazioni intense

• PROVA DI TAGLIO e TORSIONE = In meccanica non esistono sforzi

puramente di taglio => espressione a cui si possono ricondurre = =F/A =>

o

A = piano ti taglio; F = forza applicata parallelamente a facce superiori e inferiori => Deformazione =

o ϴ

tangente Y dell’angolo di deformazione => TORSIONE = particolare tipo di taglio =>

rotazione attorno all’asse longitudinale

• PROVINO = provino standard = parte centrale con sezione ridotta => estremi = sezione

maggiore = si romperà nel centro

• DEFORMAZ. ELAST. E PLAST.

• DEFORMAZIONE ELASTICA => metalli sottoposti a sforzi di trazione e a bassi

carichi => sforzo e deformazione = direttamente proporzionali legati da Legge di Hooke

σ = Eε => E= modulo elastico = varia per ogni materiale = inclinazione gra co =

rappresenta rididità materiale => gra co lineare => +sforzo=+deformazione=> una

volta rimosso il carico il materiale torna nella posizione originale => alcuni materiali =

gra co curva = variazione modulo elastico non lineare = ghise e calcestruzzo =>

Deformazione elastica = variazione distanza iteratomica => modulo elastico =

resistenza allontanamento atomi adiacenti => recupero forma originale non istantaneo (

anelasticità)

• PROPRIETÀ ELASTICHE DEI MATERIALI => sforzo di trazione su provino =

deformazioni nella direzione di applicazione della forza nelle altre direzioni = contrazione => se il

materiale reagisce allo stesso modo in tutte le direzioni = rapporto di Poisson per valutare il rapporto tra

ϵ

deformazione laterale e assiale=v=-ϵ /ϵ = /ϵ . v=0,50= materiale incomprimibile ideale =>

x z y z

E=2G(1+v)=> G = modulo di taglio

• DEFORMAZIONE PLASTICA = maggior parte materiali = elastica no a

valori 0,005 = dopo questo valore deformazione permanente e non

recuperabile = deformazione plastica = rottura legami tra atomi vicini e

movimento grande numero di atomi / molecole = nuovi legami tra atomi

adiacenti => SOLIDI CRISTALLINI = scorrimento ; SOLIDI AMORFI =

usso viscoso => deformazione elastica dipende a temperatura e velocità con

cui si applica il carico => È importante che il materiale lavori in un campo di

sollecitazione che lo portino solo ad una deformazione elastica e non plastica

= sotto il LIMITE DI PROPORZIONALITÀ = SNERVAMENTO = valore

dello sforzo oltre il quale si ha una deformazione plastica => metalli,= passaggio dalla deformazione

elastica a quella plastica = graduale => punto di snervamento = oltre curva sforzo-deformazione non e più

lineare = LIMITE DI PROPORZIONALITÀ => calcolare punto di snervamento = complicato =

CONVENZIONE = si traccia retta parallela al tratto elastico e passante per una ssata deformazione

permanente (in genere si prende una deformazione di 0,002 = limite massimo asse sforzi) = lo sforzo

corrispondente all’interezione di questa retta con la curva sforzo-

deformazione è de nito come LIMITE DI SNERVAMENTO = σ (non si

s

può applicare a materiali che non hanno un comportamento elastico

lineare => ACCIAI ecc = deformazione plastica inizia in prossimità del

limi