Scienza e Tecnologia dei Materiali

Appunti di scienza e tecnologia dei materiali

AVVERTENZE: All’interno del documento il lettore potrebbe riscontrare errori di battitura o definizioni non ben precise poiché questa dispensa di appunti è scritta sulla base di studi sperimentali e vuole essere di supporto all’utente che ne fa uso. 2018

Materiali

I materiali sono le sostanze con cui sono composti o realizzati gli oggetti che ci circondano.

Scienza e tecnologia dei materiali

La scienza dei materiali riguarda in primo luogo la conoscenza di base della struttura interna, delle proprietà e dei metodi di lavorazione dei materiali; la tecnologia dei materiali riguarda invece l’uso della conoscenza dei materiali al fine di convertirli nei prodotti necessari alla società.

Classificazione dei materiali

• Materiali metallici, formati da elementi metallici o dall’unione di più di essi nelle leghe;
• Materiali ceramici, formati dall’unione di elementi metallici e non, legati chimicamente;
• Materiali organici, formati da polimeri, carta, adesivi, combustibili, vernici, solventi, ecc.
• Materiali compositi, formati dalla combinazione di due o più materiali di diverso tipo.

Legami atomici e molecolari

Il legame chimico tra gli atomi avviene poiché essi presentano una netta diminuzione dell’energia potenziale nello stato legato. Ciò vuol dire che gli atomi legati sono in una condizione energetica più stabile rispetto a quella che gli stessi possiedono quando non sono legati. In generale i legami chimici tra gli atomi possono essere divisi in due gruppi principali:

Legami atomici primari, o legami forti

• Legami ionici;
• Legami covalenti;
• Legami metallici.

Legami atomici e molecolari secondari, o legami deboli

• Legami a dipolo permanente;
• Legami a dipolo fluttuante.

A questi due gruppi principali si aggiunge un terzo gruppo che comprende: Legami misti, formati dalla combinazione di due o più legami di diverso tipo.

Legame ionico

Il legame ionico è un legame chimico che si forma tra atomi che possiedono un’elevata differenza di elettronegatività, in cui si verifica il trasferimento di uno o più elettroni dall’atomo elettropositivo (metallo) a quello elettronegativo (non metalli) con la conseguente produzione di ioni carichi positivamente (cationi) e negativamente (anioni), legati da forze coulombiane.

Legame covalente

Il legame covalente è un legame chimico che si forma tra atomi che possiedono una bassa differenza di elettronegatività, ovvero atomi non metallici, che mettono in condivisione una o più coppie di elettroni. Esso può essere di tre tipi:

• Legame covalente puro, o apolare, che si realizza tra atomi dello stesso elemento;
• Legame covalente polare, che si realizza tra atomi di elementi diversi con differenza di elettronegatività inferiore a 1,9;
• Legame covalente dativo, in cui la coppia di elettroni viene messa in condivisione soltanto da uno dei due atomi legati.

Legame metallico

Il legame metallico è un legame chimico che caratterizza soltanto quegli elementi che vengono classificati come metalli. Esso può essere definito come l’attrazione elettrostatica che interessa gli ioni positivi metallici e gli elettroni di valenza liberi in una nube elettronica, perciò viene descritto come legame delocalizzato e non direzionale.

Legami secondari

I legami secondari sono formati dall’attrazione elettrostatica di dipoli elettrici all’interno di atomi o molecole. I legami a dipolo fluttuante legano gli atomi in seguito ad una distribuzione asimmetrica di carica elettronica all’interno degli atomi. I legami a dipolo permanente legano, invece, quelle molecole con centro di carica positiva e centro di carica negativa separati. Un particolare tipo di questo legame è il legame a idrogeno che si verifica tra un atomo di idrogeno, legato ad un elemento fortemente elettronegativo, ed un atomo di un elemento con elevata elettronegatività.

Struttura dei solidi cristallini

La struttura fisica dei materiali solidi dipende principalmente dalla disposizione degli atomi, molecole o ioni che compongono il solido e dalle forze che li legano fra loro. Se gli atomi o gli ioni di un solido sono disposti secondo una sequenza ripetitiva nelle tre dimensioni dello spazio essi formano un solido chiamato solido cristallino o cristallo.

Reticolo cristallino e cella elementare

La disposizione degli atomi viene detta reticolo cristallino o spaziale e viene definita come la sequenza tridimensionale di punti ognuno dei quali ha punti prossimali identici. L’unità periodica del reticolo spaziale che specifica la posizione degli atomi viene chiamata, invece, cella elementare.

Sistemi cristallini

La cristallografia ha mostrato che sono necessari soltanto sette diversi sistemi cristallini per dare origine a tutti i possibili tipi di reticolo:

Reticoli di Bravais

Bravais mostrò che 14 celle elementari possono descrivere tutti i possibili reticoli cristallini:

Strutture cristalline metalliche

Pur essendo 14 le possibili strutture cristalline, la maggior parte degli elementi metallici cristallizza, durante la solidificazione, secondo tre sole strutture cristalline, tutte di tipo compatto: cubica a corpo centrato (CCC), cubica a facce centrate (CFC) ed esagonale compatta (EC).

Numero di coordinazione e fattore di impacchettamento atomico (APF)

• Il numero di coordinazione, ovvero, il numero di ioni dell’elemento A che circondano uno ione più piccolo dell’elemento C;
• Il fattore di impacchettamento atomico (APF), ovvero, la frazione di volume occupata dalle sfere solide in una cella unitaria.

Struttura cristallina cubica a facce centrate (FCC)

La struttura FCC è costituita da 4 atomi per cella che sono in contatto l’uno con l’altro lungo la diagonale della faccia del cubo, cosicché la relazione che intercorre tra la lunghezza del lato del cubo a e il raggio atomico R è: 4R√2 a = 4R oppure a = √2

Struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC)

La struttura CCC possiede 2 atomi per cella che sono in contatto l’uno con l’altro lungo la diagonale del cubo, così la relazione tra il lato del cubo a e il raggio atomico R è: 4R√3 a = 4R oppure a = √3

Struttura esagonale compatta (EC)

La struttura EC ha un equivalente di 6 atomi per cella. Tre atomi formano un triangolo nel piano intermedio, sei parti di 1/6 di atomo su entrambi i piani superiore e inferiore della cella ed infine un mezzo atomo al centro degli stessi.

Densità volumetrica

Densità volumetrica = massa atomi cella / volume cella

Densità atomica planare

Densità atomica planare = numero atomi i cui centri sono intersecati dall’area / area selezionata

Densità atomica lineare

Densità atomica lineare = numero atomi i cui centri giacciono lungo una determinata direzione / lunghezza di linea cella elementare

Polimorfismo o allotropia

Capacità di un metallo, o di un non-metallo, di esistere in due o più strutture cristalline. Per esempio il ferro possiede una struttura cristallina CCC se è puro e si trasforma in ferro FCC alla temperatura di 912°C.

Grano

Singolo cristallo di un aggregato policristallino. La dimensione dei grani, il loro orientamento reciproco e quindi la struttura della superficie di separazione tra grani contigui determinano alcune proprietà meccaniche del materiale che formano.

Materiali policristallini

Tutti i solidi cristallini più comuni sono costituiti da un insieme di piccoli cristalli, o grani, perciò vengono detti policristallini.

Solidificazione di materiali policristallini

Inizialmente si formano piccoli cristalli (grani) in posizioni diverse, con orientazioni casuali. I grani crescono e quando il processo si avvicina al termine, le estremità dei grani adiacenti si urtano. La regione dove i grani entrano in contatto sono detti bordi di grano.

Anisotropia e isotropia

Le proprietà fisiche dei singoli cristalli di alcune sostanze dipendono dalle direzioni cristallografiche lungo le quali le grandezze stesse sono misurate. Questa direzionalità è detta anisotropia ed è associata alle variazioni degli spazi atomici o ionici lungo le direzioni cristallografiche. Le sostanze in cui, invece, le proprietà misurate sono indipendenti dalla direzione di misura sono dette isotrope.

Soluzioni solide

Una soluzione solida è una miscela di due o più metalli o di metalli con non-metalli e sussiste in una struttura atomica formata da una sola fase. Essa si forma quando, man mano che atomi di soluto sono aggiunti al solvente, la struttura cristallina rimane inalterata e non si forma alcuna nuova fase. Nelle soluzioni solide il soluto si trova come difetto puntiforme e può essere di due tipi:

• Sostituzionale: soluzione solida in cui gli atomi di soluto di un elemento possono sostituire gli atomi di solvente di un altro elemento;
• Interstiziale: soluzione solida in cui gli atomi di soluto possono entrare negli interstizi o nei vuoti del reticolo atomico del solvente.

Imperfezioni o difetti nei solidi

Nella realtà i cristalli non sono mai perfetti e mostrano alcuni tipi di imperfezioni o difetti che influenzano alcune delle loro proprietà fisiche e meccaniche. I difetti del reticolo cristallino sono classificati secondo la loro geometria e forma, i tre principali sono: difetti a zero dimensioni, o difetti di punto (puntiformi), difetti a una dimensione, o difetti di linea (dislocazioni), e difetti a due dimensioni, o difetti di superficie (bordi dei grani).

Difetti di punto

• Il più semplice dei difetti puntiformi è la vacanza, o sito vacante reticolare, cioè un sito reticolare, normalmente occupato, nel quale non compare l’atomo. Le vacanze si formano durante la solidificazione o a causa di vibrazioni atomiche che smuovono gli atomi dal loro normale sito reticolare. In condizioni di equilibrio il numero di vacanze, per una data quantità di materiale, è una funzione della temperatura secondo la relazione: \(N = N_0 e^{-Qv/kt}\).
• Qualche volta un atomo in un cristallo può occupare una posizione interstiziale tra atomi che lo circondano nelle normali posizioni. Questo tipo di difetto si genera naturalmente a causa dell’elevata distorsione e viene detto autointerstiziale.
• Atomi di impurezza interstiziale o sostituzionale sono anche difetti puntiformi e possono essere presenti in cristalli metallici o con legami covalenti.

Difetti di linea

Il più importante difetto lineare, o unidimensionale, è la dislocazione, un’imperfezione cristallina nell’intorno della quale alcuni atomi sono disallineati. Questa si viene a formare durante la solidificazione o durante la deformazione plastica dei solidi e può essere di diverso tipo:

• Dislocazione a spigolo, creata dall’inserzione di un mezzo piano aggiunto di atomi in un reticolo;
• Dislocazione a vite, creata dall’applicazione di uno sforzo di taglio verso l’alto e verso il basso nelle regioni di un cristallo tagliato da un piano di sezione;
• Dislocazione mista, creata dalla combinazione dei due precedenti tipi di dislocazione.

Difetti di superficie

Il difetto bidimensionale più importante è quello dei bordi di grano, un difetto di superficie dei materiali policristallini che separa grani di diverso orientamento. I bordi di grano, dunque, corrispondono alle superfici in cui si incontrano i microcristalli, sono direttamente coinvolti nel meccanismo dello scorrimento viscoso ed in corrispondenza degli stessi si ha un’elevata energia interfacciale.

Proprietà e prove meccaniche dei materiali

I materiali, scelti per la realizzazione di strutture, devono possedere, generalmente, una combinazione di proprietà meccaniche adeguate alle forze a cui è sottoposto. Il comportamento meccanico di un corpo può essere evidenziato attraverso una semplice prova di deformazione, a temperatura ambiente, che in base al carico applicato si divide in:

• Prova di trazione;
• Prova di compressione;
• Prova di taglio.

Prova di trazione

La prova di trazione è una delle prove meccaniche più comuni in cui il provino del materiale preso in esame è sottoposto a deformazione, in genere fino al raggiungimento dello stato di rottura. Infatti, i dispositivi utilizzati per condurre prove di trazione sono progettati per applicare gradualmente un carico di trazione lungo l’asse maggiore del provino e riescono a misurare contemporaneamente, sia il valore istantaneo del carico applicato sia le deformazioni indotte. Il risultato di tale prova viene, in genere, riportato in un diagramma carico-allungamento. Le caratteristiche della deformazione dipendono dalla dimensione del provino, ma al fine di annullare l’influenza di fattori geometrici, il carico e l’allungamento sono riferiti ai corrispondenti parametri di tensione pratica, o nominale, e di deformazione pratica, o nominale.

La tensione pratica \( \sigma \) è definita dall’espressione: \( \sigma = \frac{F}{A_0} \)

La deformazione pratica \( \epsilon \), o coefficiente di deformazione lineare, è definita dall’espressione: \( \epsilon = \frac{l - l_0}{l_0} \)

Prova di compressione

La prova di compressione viene eseguita in modo identico a quello che caratterizza la prova di trazione, con la differenza che la forza applicata sarà appunto di compressione ed il provino si contrae nella direzione della sollecitazione. Vengono utilizzate le stesse equazioni utilizzate per misurare la tensione e la deformazione della prova di trazione, solo che in questo caso saranno entrambe negative poiché la forza di compressione viene assunta con segno negativo.

Prova di taglio

Nel caso di prove in cui si impiega una forza di taglio, la tensione è definita dall’espressione: \( \tau = \frac{F}{A_0} \)

Comportamento alle sollecitazioni

In base al tipo e all’entità della forza applicata, al tipo di materiale e alla geometria del corpo preso in considerazione quest’ultimo può assumere diversi comportamenti perciò si possono distinguere diversi tipi di deformazione.

Deformazione elastica

Quando un corpo è soggetto all’azione di una forza di trazione, subisce una deformazione. Se il corpo ritorna alle sue dimensioni originali, dopo che è stata rimossa la forza, si dice che ha subito una deformazione elastica. Durante la deformazione elastica gli atomi vengono allontanati dalla loro posizione iniziale ma non tanto da poter occupare nuove posizioni reticolari; pertanto, quando viene rimossa la forza di deformazione essi ritornano nella loro posizione originale ripristinando la forma del corpo.

Deformazione plastica

Se un corpo viene deformato oltre il limite elastico, tanto da non poter recuperare completamente le sue dimensioni originali, si dice che ha subito una deformazione plastica. Durante questo tipo di deformazione gli atomi vengono spostati permanentemente dalla loro posizione iniziale per assumere nuove posizioni reticolari.

Snervamento

Si definisce sforzo o carico di snervamento il valore dello sforzo al di sopra del quale il materiale subisce deformazioni plastiche non più trascurabili. Il valore soglia viene chiamato limite di proporzionalità ed è un valore prefissato pari allo 0,2% di deformazione.

Duttilità

La duttilità è una misura del grado di deformazione plastica che il materiale raggiunge prima della frattura. Un materiale che manifesti una deformazione plastica molto piccola o nulla, in condizioni di rottura, è definito fragile. La duttilità può essere espressa quantitativamente sia come allungamento in percentuale, sia come riduzione di area in percentuale.

\( \% EL = \frac{l - l_0}{l_0} \times 100 \) oppure \( \% AR = \frac{A_0 - A_f}{A_0} \times 100 \)

Durezza

La durezza di un materiale può essere intesa come una misura della sua resistenza alla penetrazione da parte di un materiale più duro. Per verificare questa proprietà vengono effettuate delle prove dette di durezza attraverso uno strumento chiamato durometro che grazie ad un penetratore applica una forza sul materiale preso in esame. Esistono varie scale di misurazione della durezza che possono essere convertite tra di loro attraverso delle tabelle UNI, ASTM e SAE.

Prove di durezza

(Questo paragrafo manca di testo specifico e potrebbe essere stato accidentalmente tagliato)

Resilienza o tenacità

La resilienza, o tenacità, è l’indice che esprime la capacità di un materiale ad assorbire energia prima di giungere al punto di rottura e dipende dal modo in cui la sollecitazione è applicata. La tenacità può essere misurata dall’area sottesa dalla curva del diagramma tensione-deformazione: maggiore è il valore di quest’area, più elevata sarà la tenacità. La tenacità è una proprietà molto importante per i materiali strutturali: un materiale tenace risulta resistente che duttile ed è, dunque, molto più affidabile rispetto ad un materiale fragile che risulta poco tenace.

Rotture per fatica

Un materiale sottoposto ad una sollecitazione variabile nel tempo in modo ciclico si può... (Il testo termina bruscamente)