Scienza e tecnologia dei materiali

STRUTTURA E CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI

Studi della componente: processo di fabbricazione, struttura, proprietà e prestazioni.

Le proprietà dipendono dalla microstruttura, che a sua volta viene influenzata dal processo di fabbricazione.

In commercio esistono più di 160000 materiali.

Definizione di materiale:

• Quasiasi solido in grado di svolgere almeno una determinata funzione.
• Vari materiali possono svolgere la stessa funzione: occorre saper scegliere.

• Esistono grandi classi di metalli, ceramiche, materie plastiche e compositi.
• Ceramici: fragili, pessimi conduttori di calore, resistono ad alte temperature.
• Resistenza a compressione e non a trazione (mattone pieno e forato, vetro, granito, cemento, pietra).
• Metalli e leghe: resistenza a trazione (rame, alluminio, acciaio).

Utilizzo scala micrometrica (1μm: 1·10^-6 m)

A livello atomico scala nanometrica (1nm: 1·10^-9 m)

Mattone forato

Mattone pieno

ρ=0,67 g/cm³

ρ=1,76 g/cm³

La macrostruttura può influenzare proprietà (forato = minore resistenza).

Mattone

Granito

Porosità, micropori

Compatto, denso, quasi esente da porosità.

Più un materiale è denso più trasmette calore.

Vetro

Granito

Solidi amorfi.

Solidi cristallini.

Atomi disposti in modo casuale.

Atomi disposti regolarmente.

(sempre trasparenti)

È importante quindi la macrostruttura, la microstruttura e la struttura atomica/composizionale.

Leghe di alluminio:

• Al + Cu o Zn (rame o zinco)

Leghe di ferro:

• Fe + C + Cr + Ni (carbonio, cromo, nichel)

Leghe di rame:

• Cu + Sn e Zn (stagno e zinco)

Il legame tra gli atomi

• Legame covalente (molto forti);
• Legame ionico-metallico (forti);
• Legame dipolare secondario (debole).

Gli elettroni gravitano in orbitali secondo il modello di Bohr intorno al nucleo.

• Legame covalente

  • puro (atomi uguali)
  • polare (elettronegatività > 0.4)

Tra atomi elettronegativi (capacità di attrarre elettroni). Condivisione di elettroni. Legami forti in tutte e tre le direzioni nello spazio. Tra atomi uguali, legame direzionale con angoli e distanze ben definiti. Si rompono facilmente. Ha debole temperatura di fusione. Non possono essere deformati molto senza rottura.

Legame ionico

Se differenza di elettronegatività tra atomi supera 1.9. In questo caso l'elettrone viene ceduto e si crea uno ione positivo e uno negativo. Forte l'attrazione.

Legame caratteristico di materiale fragile a causa dell'alternarsi di cariche positive e negative. La repulsione genera rottura.

Legame metallico

Ioni metallici (positivi) immersi in una nube elettronica (negativi). Legame forte e autordinato. Temperatura di fusione elevata. Si possono imprimere deformazioni permanenti. Non sono fragili.

Legame secondario

Legame di Van der Waals. Attrazione tra dipoli momentanei o permanenti. Bassa temperatura di fusione. Esempio dell’H₂O. Questo legame si trova anche in materiali polimerici.

Ceramici: covalente/ionico

Metalli: metallico

Scala di Mohs: scale che classifica durezza dei materiali empirica, se su un materiale viene scalfito da un altro materiale è meno duro di quello.

PROPRIETÀ DEI MATERIALI

Le proprietà sono:

• meccaniche (modulo elastico, resistenza a trazione, a compressione...)
• fisiche (densità, conducibilità termica e elettrica, trasparenza...)
• chimiche (durabilità, resistenza al degrado...)

Qualsiasi materiale che viene sollecitato si deforma.

La deformazione è reversibile poiché se l'azione esterna viene a cessare l'energia che tiene uniti gli atomi li richiama nelle posizioni di partenza.

I materiali fragili non si deformano molto.

Ci sono due tipi di deformazioni:

• reversibili (scompare appena lo stress esterno si annulla) - def. elastica;
• irreversibili (non può riapparire e anche se lo stress si annulla) - def. plastica.

Ci sono due diversi comportamenti:

• sotto deformazione elastica fino a rottura - materiali fragili (ceramici, vetri);
• deformazione sia elastica che plastica prima di rompersi - materiali duttili (metalli).

I cristalli non sono perfetti poiché possiedono difetti utili che permettono di lavorare in modo plastico. Questi difetti classificabili per la loro dimensione:

• zero (puntuali) - vacanze, interstizi;
• mono (di linea) - dislocazione;
• bi (di superficie) - bordi di grano;
• tri (a volume) - inclusioni, pori.

Difetti di punto di un solido cristallino

• vacanza (mancanza di atomo);
• atomo sostituzionale (al posto dell'atomo mancante);
• atomo interstiziale (tra atomo del solido).

Difetti legati alla temperatura Nt = Nv + N (e^-ΔE_v/kT)

Nv numero di vacanze;k costante di Boltzmann;N numero di atomi.

Conseguenza di difetti puntuali:

• creazione di elettroni eccitati;
• diffusione allo stato solido.

Tenacità: energia necessaria per rompere il materiale.

Quantifica la capacita del materiale di opporsi alla propagazione della rottura.

Tenacità → duttilità

Modulo elastico E → RIGIDEZZA

σel, σy, σR → RESISTENZA

εR → DUTTILITÀ

Area sottesa → TENACITÀ

Prove di durezza

Per durezza si intende resistenza a deformazione plastica.

Indentatore (a forma piramidale o sferica a diverse grandezze) è lo strumento usato per il calcolo della durezza. Prova Vickers (piramide in diamante). Prove Rockwell e Brinell (sfere in acciaio).

H=F/A (GPa)

Hardness = Force / Area

Teoria di Griffith

Le fessure uniche o difetti microscopici (i difetti atomici come lacune) concentrano localmente la sollecitazione applicata. Durante la trazione queste microfratture si dilatano molto facilmente. La sollecitazione applicata localmente è direttamente proporzionale al numero di linee per unità di lunghezza incrementandosi significativamente quando ci si avvicina al vertice della fessura.

σLocale = σ0 [1 + 2(c/r)^1/2] (per materiali fragili)

r: raggio di curvatura

c: lunghezza del difetto

2(c/r)^1/2*k: fattore di concentrazione delle sollecitazioni

In trazione facilita il protrarsi dei difetti, mentre la sollecitazione a compressione chiudendoli, li inibisce; o comunque li riduce.

Bagnabilità

processo che porta a contatto un liquido ed una superficie solida.

Vapore

Legge di YOUNG-DUPRE

G Liquido

Solido

con angolo di contatto,

se θ > 90° solido idrofilo (licofib),

se θ < 90° solido idrofobo (lofob).

L'acqua non penetra nel superfice idrofobo ma penetra in quella idrofoba. Il materiale

però deve anche essere poroso e con porosità accessibile (porosità aperta).

Trattamenti con idrorepellenti che penetrano nelle porosità vanno a modificare

la legge di Young-Dupre aumentando θ > 90. Importante che i porsi non siano chiusi

comportamento per permettere la fuoriuscita di acqua e vapore provenienti ad esempio

dal terreno.

Porosità: p:

Se aperta con molta in comunicazione interno ed esterno del

materiale, la porosità influenza la durabilità e la resistenza meccanica. La porosità chiusa

influenza le resistenza meccanica. Il porosimetro al mercurio permette di calcolare la porosità

aperta. Si trova quindi l'equazione di Washburn secondo la quale il prodotto tra il

raggio dei pori e pressione esercitata dal mercurio è costante la tensione superficiale del

mercurio sui sua superficie. Il porosimetro esercita pressione sul mercurio

che riesce a penetrare nei pori sempre più piccoli. Lo strumento calcola quindi il volume

di mercurio penetrato nel materiale.

Risalita capillare per evitare questo fenomeno taglio della muratura e inserimento di materiali

impermeabili, oppure i materiali reagenti formare muratura e inserire materiali polimerici

che creano barriera chimica, oppure rivestiture idrocapodane

L'altezza massima di risalita: la pressione capillare πc = ΔP = πm con r m: cosΘ Allora

Pi: 2 : r m : cosΘ

All'equilibrio

Altezza di risalita inversamente proporzionale al raggio capillare (Tutto il resto è costante).

Coefficiente di conducibilità del vapore, o permeabilità (S). Kg di vapore che attraversa spesso

d di 1 m di un materiale di superfice di 1 m

per ΔT 1 K,

Coefficiente di resistenza al passaggio al vapore (μ) indica quanto la resistenza del

materiale è maggiore di quella dell'aria (μ1).