Riassunto Scienze dei Materiali Borgioli

Basi chimiche

I materiali possono svolgere le stesse funzioni ma avere proprietà diverse, queste a livello chimico dipendono:

• Dalla macrostruttura -> dalla forma dell'oggetto
• Dalla microstruttura -> dalla struttura del materiale in scala microscopica
• Dal livello atomico -> dalla struttura a livello atomico (es. densità e modulo elastico)

I materiali sono costituiti da atomi, un atomo è un 1 Å (angstrom) ed è costituito al centro dal nucleo (dentro il quale ci sono protoni e neutroni) e all'esterno da orbitali elettronici (in cui ci sono gli elettroni); negli orbitali più esterni vi sono gli elettroni di valenza. Gli atomi spaiati, singoli, formano tra loro i legami chimici. Importante è l'energia di legame -> energia necessaria per separare i due atomi e portarli a una distanza infinita, ed è dipendente dal tipo di legame.

Le proprietà di un materiale dipendono dal tipo di legame presente tra gli atomi e dalla posizione degli atomi nello spazio che dà vita a due tipi di strutture:

• Cristallina -> atomi disposti in modo regolare e periodico nello spazio, ogni cristallo ha una cella elementare che può avere varie disposizioni degli atomi (semplice, a corpo centrato, a facce centrate e a basi centrate)
• Amorfa -> disposizione disordinata degli atomi

La disposizione degli atomi nello spazio -> polimorfismo -> due o più tipi di cristallo che hanno la stessa composizione ma diversa cella elementare sono detti polimorfi.

Legame ionico

È un legame atomico. Si instaura tra un metallo (cioè atomi con bassa energia di ionizzazione es. metalli alcalini) e un non metallo (cioè atomi con alta affinità elettronica es. alogeni). Gli atomi con elemento metallico tendono a cedere facilmente elettroni agli atomi metallici. Con questo processo gli atomi coinvolti assumono una configurazione elettronica stabile e vi è la formazione di ioni (+) e (-) (es. Na⁺Cl^- cloruro di sodio). È un legame di tipo elettrostatico: ciascun ione è legato agli ioni di segno opposto da forze coulombiane (non ci sono elettroni liberi), ed è un legame NON direzionale cioè l'energia di legame è la stessa in tutte le direzioni. È un tipo di legame presente nei materiali fragili, come i ceramici. Richiede un'elevata temperatura di fusione e alta energia di legame. Da questo tipo di legame derivano materiali con bassa densità, duri e fragili, isolanti termici ed elettrici.

Legame covalente

Si instaura tra atomi che hanno circa la stessa tendenza a cedere e a ricevere elettroni; infatti, due atomi che formano un legame covalente contribuiscono al legame mettendo in copartecipazione almeno un elettrone e gli elettroni condivisi possono essere considerati appartenenti a entrambi gli atomi. È un legame direzionale ovvero può esistere solo se gli orbitali degli atomi hanno la stessa direzione. Il numero massimo di legami covalenti per ciascun atomo dipende dal numero dei suoi elettroni di valenza. I legami covalenti possono essere molto forti, come nel caso del diamante, oppure molto deboli come nel caso del bismuto. Questo tipo di legame è tipico dei materiali polimerici, i quali sono composti da lunghe catene di atomi di carbonio legati tra loro da legami covalenti, impegnando due dei 4 legami covalenti possibili per ciascun atomo. I rimanenti due legami vengono usati con altri atomi in grado di formare legami covalenti. I materiali che hanno questi legami hanno: alta energia di legame, alta temperatura di fusione, sono isolanti termici ed elettrici, hanno bassa densità e sono duri e fragili.

Legame metallico

Si trova nei metalli e nelle loro leghe. I materiali metallici possiedono uno, due o al massimo tre elettroni di valenza, i quali non sono legati a un particolare atomo del solido e sono più o meno liberi di muoversi all'interno del metallo, formano quella che prende il nome di “nuvola elettronica”. I rimanenti elettroni, non di valenza, formano i “centri ionici” che possiedono una carica positiva della stessa entità della carica elettrica totale posseduta dagli elettroni di valenza di ciascun atomo. Gli elettroni liberi schermano le cariche positive dei centri ionici, in modo da neutralizzare l'azione delle forze elettrostatiche repulsive reciproche, che altrimenti interverrebbero. È un legame NON direzionale (-> alta deformabilità: gli ioni possono scorrere l'uno sull'altro senza distruggere il legame). Gli elettroni liberi agiscono da “collante” per trattenere insieme i centri ionici. Il legame può essere sia debole che forte. I materiali con questo legame sono conduttori elettrici e termici, duttili (a causa dell'alta deformabilità) e alta densità (gli atomi sono tutti vicini, hanno poco spazio).

Legami deboli

- di van der Waals (o dipolare) sono legami fisici e sono più deboli di quelli primari che sono chimici, infatti vengono definiti anche secondari. Derivano dalla presenza di dipoli negli atomi e nelle molecole, ossia all'interno degli atomi si crea una disposizione asimmetrica delle cariche: le cariche (+) da un lato e quelle (-) da un altro. Il legame nasce dall'attrazione tra l'estremità positiva di un dipolo e quella negativa di un altro dipolo adiacente.

Legame a idrogeno

È un tipo particolare di legame secondario che si forma tra molecole che hanno l'idrogeno tra i costituenti principali. I materiali con i legami secondari (deboli e H) hanno: bassa energia di legame, bassa temperatura di fusione, sono isolanti termici ed elettrici e hanno bassa densità.

Proprietà meccaniche dei materiali

Per testare le proprietà dei materiali vengono fatte delle prove in laboratorio come:

• Prova di trazione -> l'oggetto viene tirato e allungato con forza progressivamente maggiore.
• Compressione -> comprimere un oggetto con forze progressivamente maggiore.
• Taglio -> esercitare coppie di forza in senso opposto parallele alle superfici (distorsione oggetto).
• Flessione -> parte del materiale va in compressione e parte in trazione.
• Torsione -> forze che arrotolano l'oggetto.

Modulo di elasticità (E) – o modulo di Young

È una proprietà meccanica ed è la resistenza che il materiale oppone a una deformazione di tipo elastico (non permanente), sarebbe la rigidezza del materiale. Se si applica un basso sforzo al materiale (inferiore allo sforzo di snervamento) si può avere:

• Deformazione minima e ritorno alla forma iniziale -> modulo di elasticità alto (materiale rigido: es. i ceramici e metalli grazie ai loro legami)
• Deformazione massima e ritorno alla forma iniziale -> basso modulo di elasticità (materiale poco rigido ad es. polimeri che grazie ai loro legami deboli richiedono poca energia per essere rotti)

Il modulo di elasticità varia a seconda della temperatura, per esempio nei metalli all'aumentare della temperatura il modulo diminuisce perché la resistenza che oppongono gli atomi diminuisce.

Sforzo a snervamento

È lo sforzo di soglia che trasforma una deformazione elastica in una plastica, per cui è il punto oltre il quale la curva sforzo-deformazione non segue più un andamento lineare (tipico della deformazione elastica) ma inizia ad incurvarsi (deformazione plastica), è chiamato anche limite di proporzionalità. È il carico di snervamento necessario per ottenere una deformazione permanente plastica cioè sarebbe la forza che serve per separare gli atomi in modo permanente (+ forza serve, + alto sarà lo sforzo). Convenzionalmente si dice che è lo sforzo che produce una deformazione plastica residua di 0.2%. I polimeri hanno sforzo a snervamento basso, i metalli medio e i ceramici alto.

Sforzo a rottura

È il massimo valore dello sforzo nel diagramma sforzo-deformazione, è il massimo sforzo sostenibile da una struttura in tensione.

Duttilità

Indica la capacità del materiale di deformarsi sotto carico prima di giungere a rottura, cioè è la capacità di sopportare estese deformazioni plastiche. Un materiale è tanto più duttile quanto maggiore è la deformazione raggiunta prima della rottura. Materiali duttili sono i metalli, i polimeri, entrambi ad alte temperature; i ceramici non lo sono, ma se li portiamo ad una temperatura alta, vicino a quella di fusione in minima parte lo diventano. Per cui la duttilità è influenzata dalla temperatura, diminuisce al diminuire della temperatura. Anche i materiali duttili possono perdere la duttilità a temperature molto basse (es. ferro che a -200°C è fragile).

Resilienza

Avviene in un materiale che è in grado di sopportare sollecitazioni a carico dinamico. È l'energia necessaria per portare a rottura il materiale in condizioni di carico dinamico. La resilienza si misura sottoponendo un provino avente un intaglio superficiale (che concentra lo sforzo in una regione localizzata -> frattura avviene per flessione) a prova d'urto tramite un maglio a forma di pendolo. Con la resilienza posso avere informazioni per capire il passaggio da un materiale duttile a fragile e viceversa -> transizione duttile-fragile.

Tenacità

È l'energia necessaria per portare a frattura un materiale (sotto carico statico). La tenacità è connessa alla resistenza meccanica e alla duttilità. È la capacità che ha un materiale di deformarsi plasticamente però senza rottura; un materiale tenace assorbe molta energia prima di rompersi, sopporta bene le sollecitazioni statiche. Si trova calcolando l'area sotto la curva.

Tenacità a frattura

La presenza di un intaglio o difetto nel campione favorisce la rottura. Quindi se nel materiale ci sono difetti questi possono portare alla rottura anche per sollecitazioni basse. Questo perché nel difetto viene meno il materiale e se viene applicato uno sforzo, la zona intorno al vuoto subisce uno sforzo maggiore, infatti vi è un'intensificazione dello sforzo. L'amplificazione dello sforzo dipende dalla geometria del difetto: più grande è il difetto più alta è l'intensificazione. Le sollecitazioni per cui uno sforzo può operare su un difetto sono 3: di apertura, scorrimento e lacerazione. In quello di apertura, che è quello standard, vi è un aumento dello sforzo che è proporzionale all'intensificazione dello sforzo, è dettato dalla formula dove K= tenacità a frattura, 1=indica il primo modo di sollecitazione, l'apertura, Y=parametro dipendente dalle dimensioni e geometria del difetto e dal modo in cui è applicato il carico, delta= sforzo esterno a= lunghezza del difetto. La tenacità a frattura consente di progettare in presenza di difetti. Materiali analoghi hanno comportamenti diversi a seconda delle dimensioni del difetto e dello sforzo. Tutto sta nelle dimensioni: oggetti grandi provocano grandi difetti e viceversa. Questa proprietà è importantissima per i ceramici.

Durezza

È la resistenza del materiale a una deformazione plastica (localizzata). La prova di durezza avviene con il penetratore che viene forzato a penetrare il provino lasciando l'impronta che viene misurata per risalire alla durezza; non è una prova distruttiva. Questa prova nasce con i mineralogisti che la facevano sui minerali ed hanno inventato la scala di Mohs. Ci sono varie scale per classificare la durezza di un materiale, i procedimenti sono uguali, cambia il provino:

• Vickers -> provino è una piramide di diamante
• Microdurezza Knoop -> piramide di diamante
• Brinell -> sfera di acciaio o di carburo di tungsteno
• Rockwell -> ha due scale diverse indicate con le lettere a seconda di essa cambia il penetratore e la forza applicata.

Non è possibile passare da una scala all'altra. Per gli elastiomeri e le plastiche morbide vi è la durezza Shore che ha due modalità:

• Scala A -> usata per gomme tenere; carico: 1 kg; penetratore: tronco cono
• Scala D -> gomme dure, 5 kg, penetratore: cono.

Questa prova non dà informazioni sulle proprietà meccaniche del materiale ma sulla sua qualità.

Fatica

È la riduzione della resistenza di un materiale a causa di uno sforzo e di una deformazione che variano periodicamente. (es. la rottura del fil di ferro che per rompersi deve subire tensione e compressione periodica). La rottura a fatica non avviene rapidamente ma si verifica dopo che lo sforzo è cambiato tante volte, si vede solo alla fine. Un materiale si può rompere per fatica dopo un numero di cicli con carichi inferiori al carico di snervamento. Esistono tre modi in cui sforzi diversi possono alternarsi:

• Vibrazioni a bassa ampiezza (es. acustiche)
• Fatica ad alto numero di cicli con sollecitazioni inferiori allo sforzo di snervamento
• Fatica a basso numero di cicli con sollecitazioni superiori allo sforzo di snervamento (es. rottura della linguetta della lattina)

Non tutti i materiali hanno lo stesso comportamento a fatica, esistono materiali che hanno un “limite di fatica”, sono materiali che al di sotto di un certo sforzo non possono rompersi per fatica se vengono mantenuti sotto questo limite. La fatica è la principale causa di rottura nei metalli. La vita a fatica di un materiale può essere aumentata evitando superfici spigolose, e privilegiando quelle rotonde, evitando superfici rugose a favore di quelle lisce, e in più nelle superfici si possono mettere degli sforzi residui.

Resistenza

È lo sforzo rappresentato dal punto massimo della curva sforzo-deformazione, corrisponde allo sforzo massimo che può essere sostenuto dalla struttura sollecitata a trazione; se lo sforzo continua si ha la rottura del pezzo. Le deformazioni che avvengono sul provino fino a questo punto avvengono su tutta la lunghezza, in corrispondenza dello sforzo massimo si localizzano su una zona del provino causando un restringimento della sezione (strizione) dove avvengono le deformazioni successive. Infatti, alla fine della prova la rottura avviene proprio nel punto di strizione.

Creep

È un altro fenomeno di rottura dei materiali e dipende dalla temperatura. Interessa quei materiali come i polimeri che hanno temperatura di fusione o rammollimento basse. A sforzo costante aumenta nel tempo fino alla rottura del materiale. Infatti, si divide in tre fasi: creep primario -> inizia la deformazione all'applicazione del carico, in questa fase vi è una velocità di scorrimento decrescente perché il materiale sta aumentando la resistenza al creep; creep secondario -> la velocità è costante ed è la fase più lunga; creep terziario -> vi è un'accelerazione della velocità fino alla rottura finale del provino. È importante per i metalli ad esempio quando le temperature sono superiori alla temperatura di fusione misurata in gradi Kelvin (1K=273°C).

Materiali metallici

(i principali sono: Ferro, Rame, Alluminio, Titanio, Magnesio) Formati da atomi metallici con possibile aggiunta di atomi non metallici (materiale inorganico) legati tramite il legame metallico. Hanno una struttura cristallina in cui gli atomi sono disposti in modo regolare ed ordinato nello spazio. Le tre strutture cristalline più frequenti nei metalli sono:

1. Cubica a corpo centrato
2. Cubica a facce centrate
3. Esagonale compatta

Proprietà: densità elevata, resistenza ad alta temperatura, buoni conduttori termici ed elettrici, elevato modulo di elasticità, i metalli puri hanno uno sforzo a rottura più basso rispetto alle leghe (metallo base + altri elementi) che aumentano la resistenza meccanica. La deformazione plastica dei metalli avviene per scorrimento lungo i piani che dipendono dal reticolo cristallino, i piani sono compatti. Lo scorrimento avviene attraverso lo scorrimento contemporaneo degli atomi.

I cristalli della struttura possono avere dei difetti che possono essere:

• Difetti di punto:
  • Vacanza: atomo mancante in un sito atomico
  • Atomo interstiziale
• Difetti di linea: causano distorsioni del reticolo attorno a una linea
  • Distorsione a spigolo
  • Distorsione vite
• Difetti di piano:
  • Bordo grano: quando sono composti da più di un cristallo e ognuno di questi ha una propria direzione
  • Superficie

I difetti di linea vengono chiamati anche dislocazioni e possono essere anche miste (sia a spigolo che a vite); il numero di queste dislocazioni dipende da quanto è deformato il materiale, più è deformato più linee avrà. Questo si verifica anche nel processo di laminazione ->aumentando le linee di dislocazione aumenta lo sforzo a snervamento e a rottura, si rompe prima. Si può tornare alla struttura iniziale attraverso la ricristallizzazione -> fornisco energia (riscaldo ad es.) e le linee iniziano a muoversi e a disporsi in modo ordinato riformando una nuova struttura con nuovi grani. Per molti materiali c'è una deformazione critica al di sotto della quale la ricristallizzazione non avviene. Nel processo di ricristallizzazione avviene la ricottura -> trattamento termico che permette la rigenerazione della struttura e l'aumento della duttilità.

Meccanismi di rafforzamento dei materiali metallici

Posso aumentare la resistenza di metalli:

• Eliminando o evitando la formazione delle dislocazioni
• Ostacolando lo spostamento delle dislocazioni attraverso vari modi:
• Incrudimento
• Preferendo a temperatura ambiente una struttura policristallina e a temperature alte una struttura con pochi o singoli grani
• Con una soluzione solida -> cioè presenza di atomi diversi da quelli del reticolo di base
• Con la formazione di una seconda fase -> presenza di atomi diversi che consente di avere microstrutture che bloccano le linee di dislocazione

Tecniche di lavorazione dei metalli

Le tecniche di lavorazione sono precedute da altri trattamenti per conferire ai materiali le proprietà richieste.

Solidificazione

Viene fatta prima della fon...