Riassunto di scienza e tecnologia dei materiali

Scienza e tecnologia dei materiali

Indice

• Struttura dei materiali 1
• Difetti reticolari nei cristalli 3
• Diagrammi di stato 5
• Diagrammi Fe-C e acciai 7
• Proprietà meccaniche 8
• Acciai 11
• Proprietà termiche dei materiali 13
• Vetri 14
• Materiali ceramici 15
• Polimeri 17
• Leganti aerei 19
• Leganti idraulici - cemento 20
• Calcestruzzo 22
• Calcestruzzo indurito 24
• Degrado del calcestruzzo 25

Struttura dei materiali

Struttura:

• Cristallina -> ordinata;
• Amorfa -> disordinata;
• Semicristallina -> zone ordinate e zone disordinate.

Temperatura di fusione

• Struttura cristallina -> temperatura di fusione ben definita;
• Struttura amorfa -> i legami solidi amorfi non si rompono tutti alla stessa temperatura -> non c'è una precisa temperatura di fusione, ma un rammollimento progressivo all'aumentare della T.

Struttura cristallina

Gli atomi, gli ioni o le molecole sono sistemati ordinatamente in posizioni geometriche ben definite. Tra di loro si esercitano forze attrattive o repulsive che li fanno accostare ad una distanza di equilibrio. Presenza di ordine a lungo raggio;

Cella unitaria: la più piccola unità ordinaria ripetitiva.

• 3 parametri di cella: a, b, c -> variano con la T e con applicazione di carichi;
• 3 angoli di cella α, β, γ;
• Al crescere di T oscillano intorno alle posizioni di equilibrio;
• Considerabile come un reticolo: griglia in cui i punti di intersezione delle linee sono i centri degli atomi;
• 7 celle elementari più altre 7 con i costituenti anche al centro delle celle o delle facce.

Tipologie di solidi cristallini

Monocristallini: Materiali a singolo cristallo in cui gli atomi sono perfettamente ordinati secondo una ripetizione periodica. Le celle cristalline sono orientate tutte allo stesso modo.

Policristallini: Gran parte dei solidi sono costituiti da un aggregato di molti piccoli cristalli o grani. Vi è una discontinuità nelle regioni di confine fra un grano e l'altro -> bordi di grano.

Materiali metallici

Struttura:

• Legame non direzionale
• 3 strutture principali, più frequenti perché ad alto impacchettamento:
  • Cubica a corpo centrato CCC:
    • 2 atomi per cella;
    • Numero di coordinazione 8;
    • Fattore di compattazione: 0.68 -> 68% della cella occupata da atomi.
  • Cubica a facce centrate CFC:
    • 4 atomi per cella;
    • FCA: 0.74.
  • Esagonale compatta:
    • 6 atomi per cella;
    • Numero di coordinazione 12.

Direzioni cristallografiche

In ogni cristallo è facile individuare filari di atomi dove essi si susseguono con regolarità. Se gli atomi sono a contatto -> direzione compatta.

Indicizzazione direzioni cristallografiche:

• Indici indicati con le lettere u, v, w e scritti tra parentesi quadre.
• Famiglia di direzioni: direzioni equivalenti, dove gli atomi si susseguono alla stessa distanza.

Indicizzazione piani cristallografici

Indici di Miller:

• Indici, genericamente indicati con le lettere h, k, l, ottenuti valutando le intersezioni dei piani con gli assi cristallografici, effettuando il reciproco dei tre numeri trovati e trasformando, se del caso, i tre numeri nella più piccola terna di numeri interi;
• Famiglia di piani: piani equivalenti.

Reticoli cristallini compatti

Gli atomi sono come sfere da disporre in modo da ottimizzare il riempimento nello spazio.

Densità lineare: rapporto tra il numero di diametri atomici intersecati dalla linea considerata e la lunghezza della linea.

Densità planare: rapporto tra l'area occupata dagli atomi i cui centri sono tagliati dall'area in esame e l'area selezionata.

Polimorfismo

È possibile che il solido cambi la sua struttura durante il riscaldamento (polimorfismo) provoca variazioni nelle proprietà dei materiali. Se comporta una variazione di volume può portare alla formazione di stress residuo.

Spazi interstiziali

Spazi vuoti tra gli atomi del reticolo:

• Tetraedrici: formati dall'addensamento di tre sfere su uno stesso piano ed una quarta poggiata sulle precedenti. In grado di ospitare 1 atomo piccolo.
• Ottaedrici: sovrapposizione di due terne triangolari di sfere sfalsate di 60°.

Materiali ceramici

Struttura:

• Maggiore varietà di strutture cristalline;
• Parametri di cella maggiori -> repulsione fra ioni -> densità inferiori;
• Piani reticolari a maggiore distanza e minore impacchettamento -> deformazione solo elastica.

Materiali amorfi

Sostanze caratterizzate da mancanza di ordine a lungo raggio; preparati tramite raffreddamento veloce del fuso.

Solidi molecolari

Costituiti da molecole di pochi atomi o macromolecole.

Polimeri

Macromolecole legate da interazioni deboli. Hanno basse proprietà meccaniche.

Difetti reticolari nei cristalli

Le proprietà di alcuni materiali sono profondamente influenzate dalle imperfezioni su scala atomica.

Difetto reticolare

Un'irregolarità del reticolo cristallino, che ha dimensioni dell'ordine di uno o alcuni diametri atomici. Non implica un cattivo comportamento del materiale.

Difetti macroscopici

• Pori o cricche.

Difetti puntiformi

Difetti delle dimensioni di un atomo, che inducono perturbazione nel cristallo:

• Vacanza: mancanza di un atomo nel reticolo;
• Interstiziale: presenza di un atomo più piccolo in posizione interstiziale;
• Sostituzionale: un atomo diverso che sostituisce un atomo proprio del reticolo.

Vacanze

Si formano in prossimità delle superfici dei cristalli dove si trovano atomi meno vincolati. Aumentano con la temperatura; esiste una concentrazione di equilibrio. Per un certo materiale ad una certa temperatura esiste una densità di vacanze che rende minima l'energia del reticolo cristallino. Permettono il movimento degli atomi da un nodo reticolare ad un altro -> diffusione:

• Meccanismo con cui la materia è trasportata attraverso la materia;
• Segue la legge di Fick: J(flusso)= -D(coeff diffusione) * dC/dx (gradiente concentrazione).

Soluzioni solide

• Solvente: componente presente in maggior quantità;
• Soluto: elemento presente in concentrazione minore;
• Stessa struttura cristallina del solvente;
• Composizione omogenea.

Soluzioni solide interstiziali

Gli atomi di soluto riempiono i vuoti tra gli atomi ospitanti. La solubilità di soluti interstiziali sarà ridotta e limitata a soluti di modeste dimensioni.

Soluzioni solide sostituzionali

Gli atomi di soluto sostituiscono quelli originari. Il reticolo è deformato; ciò comporta uno stato tensionale di trazione o compressione.

Soluzione solida limite: la massima sostituzione di atomi di A con atomi di B.

Difetti lineari

Dislocazioni: imperfezioni reticolari che si estendono lungo una direzione; si mostrano come delle linee irregolari:

• Non sono difetti di equilibrio termodinamico;
• Si formano durante solidificazione e lavorazioni meccaniche.

Dislocazioni a spigolo

In una parte del cristallo è presente un piano cristallino in più o in meno rispetto al reticolo perfetto.

• Vettore di Burges: caratterizza ampiezza, direzione e verso dello spostamento degli atomi;
• Aumenta l'energia interna del sistema a causa di sforzi di compressione e trazione;
• Dislocazioni con stesso verso si respingono; verso opposto si attraggono e annullano.

Dislocazioni a vite

Una rampa a spirale di atomi spostati rispetto alla posizione del reticolo perfetto, dovuta a sforzi di taglio.

Meccanica dislocazioni

Il moto delle dislocazioni ha inizio superato il carico di snervamento; la deformazione plastica si presenta come una successione di slittamenti nel cristallo. Lungo una linea di dislocazione vi è un gran numero di legami mancanti, questo piano necessita dunque di meno energia per slittare. Affinché una dislocazione si muova occorre che il carico abbia una componente di taglio superiore ad un valore denominato carico critico di taglio.

Scorrimento facilitato nei piani ad elevata densità atomica, chiamati: sistemi di scorrimento. Durante il movimento le dislocazioni generano nuove dislocazioni, che si possono bloccare le une con le altre:

• Moltiplicazione delle dislocazioni.

Difetti di area

Superficie: essa stessa è un difetto poiché gli atomi che ne fanno parte hanno numero di coordinazione inferiore agli altri e sono più reattivi avendo dei legami liberi.

Bordi di grano: interfaccia tra due grani diversi. A seconda del disallineamento tra piani atomici di grani adiacenti:

• Bordi di grano a basso disallineamento: inferiore a 15°;
• Bordi di grano ad alto disallineamento: > 15°.

Proprietà:

• Struttura meno densa -> rapida diffusione di atomi;
• Luoghi altamente difettivi dove si concentrano soluti, precipitati, seconde fasi;
• Elevato contenuto energetico -> maggiore reattività chimica;
• Luogo dove iniziano i processi di ricristallizzazione;
• A T elevate può avvenire scorrimento viscoso;
• La disposizione influenza proprietà chimiche ed elettriche;
• Deviano la luce -> materiali opachi.

Difetti di volume

Microscopici

• Seconda fase: elementi inseriti in lega oltre il limite di solubilità -> formazione di una seconda fase.

Macroscopici

• Pori;
• Cricche di frattura.

Diagrammi Fe-C / Acciai

Forme allotropiche ferro

• Ferro α: T < 912°C
• Ferro γ: 912 < T < 1394
• Ferro δ 1394 < T < 1538

Acciai (C < 2%)

• Austenite -> ferro γ + C -> CFC -> C < 2%
• Ferrite -> ferro α + C -> CCC -> C < 0.003%
• Perlite -> ferrite + Cementite (Fe₃C)
• Ledeburite -> austenite + cementite

Acciai eutettoidici

• γ -> 0.76%
• perlite con:
  • 88% ferrite;
  • 12% cementite.

Acciai ipoeutettoidici

C < 0.8%

Acciai ipereutettoidici

C > 0.8%

Divisione acciai in base a C

• Extradolci: C < 0.15%
• Dolci: 0.15 < C < 0.25%
• Semiduri: 0.25 < C < 0.5%
• Duri: 0.5 < C < 0.75%
• Extraduri: C > 0.75%

Trasformazioni di fase

• Nucleazione: comparsa di particelle-nuclei stabili;
• Crescita: accrescimenti dei grani per aggiunta di atomi o molecole (diffusione).

Cinetica della reazione

Dipendenza nella reazione della velocità dal tempo.

Diagrammi

• TTT (tempo-temperatura-trasformazione): raffreddo il materiale a T=Ttrasf poi mantengo T costante e misuro la velocità di trasformazione.
• CCT (continuous cooling transformation): misuro il grado di trasformazione in funzione del tempo per T continuamente decrescente.

Diagrammi TTT

Bainite: si forma quando l'austenite è raffreddata rapidamente a T < 540°C (sotto il "naso" della curva).

Martensite: ottenuta per brusco raffreddamento dell'austenite fino a temperatura ambiente.

Diagrammi CCT

Le trasformazioni sono più lente -> le curve sono come nel TTT ma spostate verso tempi maggiori e temperature minori.

Velocità critica di tempra: velocità minima per avere formazione di struttura martensitica.

Proprietà meccaniche

Sforzo/Tensione-2σ=F/A [Nmm o MPa]

Stati di sollecitazione

• Trazione; Def ε = Δl/l₀
• Compressione;
• Taglio -> def γ = tgθ
• Torsione.

Resistenza a trazione

• Tipi di prove:
  • Carico;
  • Deformazione.
• Provini standard: forma osso di cane, dimensioni normate.

Curva tensione deformazione

Legge di Hooke: comportamento elastico lineare

• Trazione σ = E * ε E: modulo di Young.
• Taglio τ = G * γ G: modulo di taglio.

Rapporto di Poisson v: rapporto tra deformazione trasversale e longitudinale.

Comportamento elastico

• Lineare;
• Non lineare;
• Anelastico: rimane una deformazione residua.

Comportamento plastico

• Materiali fragili: no deformazione plastica;
• Materiali semi-duttili: poca def plastica;
• Materiali duttili: elevata def plastica;
• Carico critico di taglio: carico minimo per avere moto di dislocazioni;
• Incrudimento: fenomeno per cui occorre aumentare il carico per proseguire nella deformazione per l'addensarsi di dislocazioni.

Legge di Schmid

Esistono sforzi di taglio indotti da carichi di trazione:

τ = σ * cosφ * cos λ

Il cristallo si deforma quando τ uguaglia τ (carico critico di taglio).

Snervamento

Deformazione a carico costante

• Carico di snervamento: carico a cui corrisponde un deformazio...