Scienza e tecnologia dei materiali

Scienza e tecnologia dei materiali

Anno accademico 2019/2020

Indice

• Classificazione dei materiali
• Reticoli cristallini
• Difetti nei solidi cristallini
• Diffusione
• Proprietà meccaniche
• Proprietà termiche
• Proprietà magnetiche
• Proprietà elettriche
• Proprietà ottiche
• Acciai
• Acciai legati
• Leghe di alluminio
• Leghe di titanio
• Leghe di cobalto
• Leghe a memoria di forma
• Lavorazione dei metalli
• Materiali ceramici
• Sinterizzazione
• Vetri
• Materiali vetroceramici
• Polimeri

Classificazione dei materiali

Definizioni

La Scienza dei Materiali studia le relazioni che intercorrono fra la struttura e le proprietà materiali. Le proprietà sono il modo in cui il materiale risponde all’ambiente in cui si trova ed alle sollecitazioni esterne (stress).

Le proprietà dei materiali sono:

• Proprietà meccaniche → risposta alle sollecitazioni meccaniche: deformazione elastica (è reversibile), plastica (non è reversibile), frattura.
• Proprietà termiche → sono collegate alla trasmissione del calore (conducibilità), alla dilatazione termica (cambiamenti di volume legati ai cambiamenti di temperatura) ed alla capacità termica (come un materiale è in grado di convertire il calore che gli viene fornito in temperatura).
• Proprietà elettriche (e magnetiche) → risposta ai campi elettrici (e magnetici), conducibilità, suscettibilità magnetica, ecc.
• Proprietà ottiche → comprendono assorbimento, trasmissione e riflessione della luce.
• Proprietà chimiche → stabilità/reattività per contatto con l’ambiente, resistenza alla corrosione.

La struttura di un materiale fa riferimento alla disposizione dei suoi componenti interni. In base alle dimensioni si possono distinguere:

• Struttura subatomica → riguarda gli elettroni all’interno dei singoli atomi.
• Struttura atomica → riguarda l’organizzazione di atomi nel formare molecole o cristalli.
• Nanostruttura → riguarda aggregati di atomi che formano particelle con dimensioni inferiori a 100 nm.
• Microstruttura → riguarda gli elementi strutturali che possono essere osservati con l’uso dei microscopio (dimensioni fra 100 nm e alcuni mm).
• Macrostruttura → elementi strutturali che possono essere visti ad occhio nudo (dimensioni fra alcuni mm e alcuni metri).

L’Ingegneria dei Materiali riguarda la progettazione o l’ingegnerizzazione della struttura di un materiale sulla base delle correlazioni struttura-proprietà.

La Tecnologia dei Materiali riguarda gli aspetti applicativi dei Materiali. È lo studio dell’applicazione e dell’impiego dei materiali con particolare riferimento ai processi produttivi e di trasformazione delle materie prime in prodotto finito e le prestazioni in opera dei materiali.

Classificazione dei materiali

I materiali possono essere classificati secondo:

• Applicazioni
• Proprietà
• Tipo di legame chimico
• Struttura (cristallina o amorfa)

1. Classificazione per applicazioni

• Strutturali → utilizzati per sostenere un carico (laterizzi, acciai, ecc.).
• Funzionali → utilizzati per ogni altra applicazione (materiali elettrici, ottici, magnetici, per elettronica ...).

2. Classificazione per proprietà

• Metalli
• Ceramici
• Vetri
• Polimeri

2.1 Materiali metallici

Sono composti da uno o più elementi metallici (es: Fe, Cu, Al, Ni, Ti), con l’eventuale aggiunta di alcuni elementi non metallici (es: C, N, O) in piccole quantità.

I metalli e le leghe sono in genere suddivisi in due classi:

• Metalli e leghe ferrose → contengono una elevata percentuale di ferro. Es: acciai e ghise.
• Metalli e leghe non ferrose → non contengono, o poco, ferro. Es: superleghe (a base di Ni, Fe-Ni-Co), migliorate prestazioni ad alte temperature e elevati livelli di sforzo (es: turbine ad alta pressione).

Proprietà generali dei metalli:

• Preparati per fusione
• Struttura cristallina (di norma) → sono ordinati
• Densità variabili fra 2,7 e 8 g/cm³ (e oltre: Pt = 21,5)
• Opacità (non trasparenti alla luce visibile)
• Lucentezza (riflettono la luce)
• Elevata resistenza meccanica (quelli di interesse ingegneristico)
• Elevata rigidezza
• Duttilità (si piegano prima di rompersi)
• Facile lavorabilità
• Resistenza agli sbalzi termici
• Elevata conducibilità termica ed elettrica
• Reattivi (soggetti a fenomeni di corrosione)

2.2 Materiali ceramici

I ceramici sono materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati fra di loro. Sono cioè costituiti da composti (ossidi, carburi, nitruri… es: Al₂O₃, SiC, Si₃N₄, ...).

Possono essere:

• Cristallini (ceramici propriamente detti) → ordinati
• Non cristallini (vetri) → non ordinati
• Parzialmente cristallini (vetroceramici)

Proprietà generali dei ceramici:

• Preparati per compattazione e sinterizzazione di polveri
• Struttura cristallina
• Densità variabili fra 3 e 5 g/cm³ (più leggeri dei metalli)
• Non trasparenti, non riflettenti
• Fragilità (non si deformano prima di rompersi)
• Elevata rigidezza
• Elevata durezza
• Scarsa conducibilità termica ed elettrica
• Refrattarietà (resistenza ad alte temperature) → senza perdere caratteristiche meccaniche
• Inerzia chimica anche in ambienti aggressivi

2.3 Vetri

Proprietà generali dei vetri:

• Vengono preparati per fusione di ossidi (SiO₂, Na₂O, CaO, Al₂O₃, K₂O, ...)
• Struttura amorfa
• Densità di circa 2,5 g/cm³
• Trasparenti
• Fragilità (non si deformano prima di rompersi)
• Rigidezza più bassa dei ceramici cristallini
• Durezza più bassa dei ceramici cristallini
• Lavorabili solo a caldo
• Scarsa conducibilità termica ed elettrica (sono degli isolanti)

2.4 Polimeri

Sono materiali costituiti da macromolecole, cioè da lunghe catene o reticoli di molecole organiche (contenenti carbonio). Generalmente sono non cristallini, ma in alcuni casi possono essere parzialmente cristallini.

La maggior parte dei polimeri:

• Non può sopportare alte temperature
• È termicamente ed elettricamente isolante
• Ha modesta resistenza meccanica
• È deformabile plasticamente → tipica solo di alcuni materiali polimerici, non di tutti. Non torna più alla forma iniziale
• Alcuni hanno proprietà elastiche (gomma)
• Bassa densità, spesso minore di 1 g/cm³ → la maggior parte dei polimeri galleggia.

3. Classificazione per tipo di legame chimico

La materia allo stato di aggregazione solido è caratterizzata dal possesso di una forma e di un volume proprio ed è sostanzialmente incomprimibile. Le particelle che costituiscono la materia allo stato solido sono legate tra di loro da forze di coesione di notevole entità. Le particelle che costituiscono un solido possono essere atomi, ioni, molecole. I legami che le tengono unite possono essere legami metallici, covalenti, ionici, molecolari.

• Solidi metallici → atomi legati insieme da legame metallico → legame forte non direzionale
• Solidi ionici → solidi tenuti insieme da attrazione elettrostatica fra ioni (cationi e anioni) → legame molto forte non direzionale
• Solidi covalenti → atomi legati ai propri vicini da legami covalenti → legame molto forte direzionale
• Solidi molecolari → insiemi di molecole vincolate nella loro posizione da legami intermolecolari deboli → legame direzionale

3.1 Solido metallico

Metalli puri, leghe metalliche (Li, Ca, Al, Fe, W, acciai, leghe non ferrose). Nei solidi metallici gli atomi sono molto vicini gli uni agli altri: gli elettroni di valenza sono attratti dai nuclei dei numerosi atomi vicini, gli elettroni di valenza non sono associati ad un nucleo in particolare, ma sono dispersi fra gli atomi sotto forma di una nuvola di carica elettronica di bassa densità, o gas elettronico (mare di elettroni di valenza), gli elettroni di valenza sono debolmente legati ai nuclei (elettroni liberi o delocalizzati).

Proprietà: dipendono dalla non direzionalità del legame e dall’esistenza di elettroni delocalizzati.

Proprietà fisiche

• Gli atomi nei metalli puri hanno la stessa dimensione: è possibile raggiungere il massimo impacchettamento atomico → alta densità (legata anche al peso atomico degli atomi).
• La forza di legame è molto variabile e dipende dalla configurazione elettronica (n° di elettroni di valenza).
• La durezza dipende dalla forza di legame e dalla capacità di movimento degli atomi sotto carico.
• Dalla forza di legame dipendono la rigidità, il coefficiente di espansione termica e il punto di fusione.
• Il mercurio è liquido a temperatura ambiente e il gallio fonde a temperature prossime a quella ambiente (mentre i metalli in genere sono solidi).
• Il sodio metallico è morbido (mentre i metalli in genere sono duri), il tungsteno è durissimo e altofondente.

Temperature di fusione:

• Quanto minore è il numero di elettroni di valenza, tanto maggiore è il carattere metallico del legame → elettroni di valenza liberi di muoversi → energia di legame bassa → bassa temperatura di fusione (es: K).
• Aumentando il numero di elettroni di valenza → aumenta energia di legame → aumenta temperatura di fusione (es: Ca vs K).
• Con introduzione orbitali d (metalli di transizione IV periodo, Ti, Fe, Ni in tabella) → ibridazione dsp → aumenta carattere covalente → aumenta energia di legame in modo considerevole.
• Quando gli orbitali d sono riempiti gli elettroni esterni risultano meno legati → energie di legame diminuiscono → temperature di fusione diminuiscono (Zn rispetto a Ca e Cu rispetto a Ni, Fe, Ti, W).

Proprietà ottiche

• Opacità alla luce (= non trasparenza): non sono trasparenti alle radiazioni luminose perché gli elettroni delocalizzati (appartenenti a diversi livelli energetici vicinissimo fra loro) interagiscono con tutte le radiazioni nel visibile, che vengono assorbite e non trasmesse (di colore grigio).
• Reflettività, lucentezza: la maggior parte dell’energia assorbita viene riemessa dalla superficie (se liscia) sotto forma di luce riflessa della stessa lunghezza d’onda di quella assorbita (reflettività, lucentezza).

Proprietà elettriche

• Elevata conducibilità: gli elettroni delocalizzati possono essere messi in movimento anche da un potenziale elettrico blando.

Proprietà meccaniche

• Malleabilità e duttilità: l’elevata plasticità (facile scorrimento reciproco dei piani cristallini) è legata alla non direzionalità del legame chimico e al fatto che gli atomi sono tutti uguali (non si deve garantire elettroneutralità): distorcendo il reticolo infatti il mare elettronico che avvolge gli ioni mantiene invariato l’equilibrio di forze che tengono insieme gli ioni.

3.2 Solido ionico

NaCl, AgCl, KCl, MgO, CaO, … I legami ionici si possono formare fra elementi molto elettropositivi (metalli) ed elementi molto elettronegativi (non metalli). Nel processo di ionizzazione gli elettroni vengono trasferiti dagli atomi degli elementi elettropositivi agli atomi degli elementi elettronegativi, producendo cationi ed anioni. Le forze di legame ionico sono dovute all’attrazione elettrostatica (forze coulombiane) tra ioni di carica opposta. Le posizioni reticolari sono occupate da particelle cariche (ioni) di dimensioni diverse. La stabilità del solido è assicurata dall’attrazione elettrostatica tra ioni di segno opposto. Il cristallo deve essere elettricamente neutro. La struttura cristallina è influenzata dalle dimensioni relative tra il raggio cationico e anionico Rc/Ra. Le strutture stabili si formano quando gli anioni che circondano un catione sono tutti in contatto con quel catione.

Configurazione instabile: deve diminuire il numero di coordinazione. Rosso: catione, azzurro: anione.

Numero di coordinazione in funzione del rapporto Rc/Ra (i più comuni sono 4 (tetraedrica), 6 (ottaedrica), 8 (cubica)).

Il grado di impacchettamento dipende dalle dimensioni reciproche degli ioni e dalla necessità di assicurare elettroneutralità del solido.

Proprietà fisiche

• Elevati punti di fusione: dovuti alla elevata forza di legame.
• Densità medio-basse: la disposizione degli ioni nello spazio non raggiunge il massimo impacchettamento possibile perché per garantire elettroneutralità (e minimizzare la repulsione fra ioni dello stesso segno) gli ioni si posizionano secondo una serie discreta di possibili disposizioni geometriche che dipendono dal rapporto dei raggi degli ioni.

Temperature di fusione

• Aumentando la dimensione dello ione → diminuisce energia di legame → diminuisce punto di fusione.
• Aumentando il numero di elettroni di legame → aumenta energia di reticolo → aumenta punto di fusione.

Proprietà elettriche

• I solidi ionici sono buoni isolanti, sono conduttori solo allo stato liquido o in soluzione acquosa.

Proprietà ottiche

• Molto spesso le frequenze della luce visibile non interagiscono con gli elettroni (energia diversa – non vengono assorbite): bianchi, non riflettenti.
• Alcune frequenze della luce visibile possono interagire con gli elettroni di legame e venire assorbite → in genere non trasparenti, dotati di colore proprio.

Proprietà meccaniche

• Quanto più vicini sono gli ioni tanto maggiore è la durezza.
• La durezza cresce con il crescere del numero di ossidazione (cioè della carica o del numero degli elettroni coinvolti nel legame chimico) → il legame è più forte.
• I solidi ionici sono soggetti a fratture fragile.

3.3 Solido covalente

Diamante, grafite, SiC, nitruri, carburi. Sono costituiti da atomi, tenuti insieme da forti legami covalenti. Il diamante è caratterizzato da estrema durezza, un punto di fusione elevatissimo e pessima conducibilità elettrica. Ha struttura reticolare. Il carbonio ha ibridazione sp³. I carboni sono isoenergetici. La grafite è una forma allotropica del diamante. Nel cristallo si può riconoscere un’organizzazione in strati (con legami interni covalenti) sovrapposti, tenuti insieme da interazioni di Van der Waals. Questo spiega la facile sfaldabilità della grafite e il suo uso come lubrificante. Per la presenza di numero elettroni π, delocalizzati su ciascuno strato, la grafite è un buon conduttore di corrente. Il carbonio ha ibridazione sp².

Proprietà: dipendono dalla direzionalità del legame e dall’elevata energia di legame.

Proprietà fisiche

• Elevati punti di fusione: dovuti alla elevata forza di legame.
• Basse densità: a causa del non totale impacchettamento atomico (vincolato dalla direzionalità del legame).

Proprietà elettriche

• Bassa conducibilità elettrica (elettroni fortemente legati in legami specifici forti).

Proprietà ottiche

• Trasparenti e incolori. L’energia di legame è maggiore dell’energia della radiazione incidente: quest’ultima non interagisce con gli elettroni di legame, non viene assorbita e passa attraverso il materiale.

Proprietà meccaniche

• Elevata durezza (legame ad elevata energia), indeformabili, soggetti a frattura fragile (legame direzionale).

Affinità fra i legami covalente e ionico

• Legami molto forti.
• Elettroni localizzati.

Differenze fra i legami covalente e ionico

• Covalente → direzionale, forza di legame maggiore, elettroni condivisi fra più nuclei.
• Ionico → non direzionale, forza di legame minore, elettroni appartenenti a un singolo nucleo.

Lungo la tavola periodica si osserva un graduale cambiamento di proprietà degli elementi. Si parla allora di legami misti:

• Covalente-ionico (ceramici; semiconduttori)
• Covalente-metallico
• Metallo-ionico (composti intermetallici tra due metalli aventi significativa differenza di elettronegatività).

La percentuale di carattere ionico aumenta con la differenza di elettronegatività da sx a dx.

3.4 Solido molecolare

I₂, CO₂, CH₄, polimeri, … Sono solidi costituiti da atomi o molecole legati fra loro da legami intermolecolari deboli.

Proprietà fisiche

• Punti di fusione (o di sublimazione) bassi: bassa forza di legame.
• Il calore di dissociazione è alto.

Proprietà meccaniche

• Durezza bassissima: legami intermolecolari deboli.

Proprietà elettriche e ottiche

Non dipendono dai legami intermolecolari, ma da quelli intramolecolari (gli unici con energia abbastanza elevata da poter interagire con quelle esterne).

Legame secondario

Il legame secondario risulta dall’interazione di dipoli (separazione di carica) atomici o molecolari ed è debole (10 kJ/mol).

È un legame fisico → non coinvolge trasferimenti di elettroni.

Possono essere:

• Dipoli temporanei → legame di London → la carica elettronica può presentare delle variazioni di ...