Scienza e tecnologia dei materiali

Scienza e tecnologia dei materiali

Il sangue di Barbe

4 marzo 2022

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In preda ad un periodo di follia dovuta alla quarantena e alla sessione

imminente ho scritto questi appunti come riconoscimento a Il Mara e Enrico

sperando di liberare qualcuno dall’ospedale POLIpsichiatrico. Riporto

Foglia

anche una frase del Mara come avvertimento; "Usate questi appunti senza

ritegno, scarabocchiate, spotacciate e migliorate tutto quello che vi sentite.

Solo: non vendeteli. Sono pensati come strumento per superare insieme un

momento difficile, quindi non fate gli stronzi."

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Indice

1 Classificazione dei materiali 7

1.1 Metalli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1.1 Proprietà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 Ceramici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2.1 Proprietà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3 Polimeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3.1 Proprietà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4 Compositi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2 Densità e modulo elastico 11

2.1 Curva di Condon Morse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 Legami chimici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.1 Legame covalente - Materiali ceramici . . . . . . . . . . 12

2.2.2 Legame ionico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.3 Legame metallico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.4 Legami secondari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Risposta meccanica dei materiali - Deformazioni . . . . . . . . 13

2.3.1 Modulo di Young . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.2 Modulo di taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3.3 Pressione idrostatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3.4 Coefficiente di Poisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3.5 Relazioni su materiali isotropi . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3.6 Energia elastica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4 Densità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4.1 Configurazione più compatta . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.4.2 Configurazione meno compatta . . . . . . . . . . . . . 17

2.4.3 Sistemi cristallini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.4.4 Calcolo fattore di impaccamento . . . . . . . . . . . . . 19

2.4.5 Densità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.4.6 Proprietà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.4.7 Materiali compositi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.5 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3 Indicizzazione cristallografica 23

3.1 Notazione di Miller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4 Duttilità 23

4.1 Difetti puntuali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.1.1 Conseguenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3

4.1.2 Soluzione solida sostituzionale . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2 Difetti di linea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.2.1 Moto delle dislocazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2.2 Dislocazioni nei metalli e nei ceramici . . . . . . . . . . 28

4.3 Difetti di superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.4 Difetti di volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.4.1 Porosità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.4.2 Precipitati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5 Diagrammi di stato 30

5.1 Regola di Gibbs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5.2 Diagrammi binari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.2.1 Miscibilità totale L e S . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.2.2 Immiscibilità totale allo stato S . . . . . . . . . . . . . 34

5.2.3 Miscibilità parziale allo stato S . . . . . . . . . . . . . 35

5.2.4 Composto intermedio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6 Prove meccaniche 38

6.1 Prove statiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

6.1.1 Prova a trazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6.1.2 Prove di compressione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

6.2 Prove dinamiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

6.2.1 Prova a flessione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

6.2.2 Prova di durezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

7 Meccanismi di rafforzamento nei metalli 43

7.1 Tensione lineare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

7.2 Resistenza del reticolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

7.2.1 Rafforzamento da soluzione solida . . . . . . . . . . . . 45

7.2.2 Rafforzamento per dispersione . . . . . . . . . . . . . . 46

7.2.3 Incrudimento per deformazione plastica a freddo . . . . 46

7.2.4 Lavorazioni a caldo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

7.2.5 Rafforzamento de bordi di grano . . . . . . . . . . . . . 49

8 Materiali ceramici 49

8.1 Proprietà meccaniche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

8.2 Processi di produzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

8.2.1 Formatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

8.2.2 Pressatura assiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

8.2.3 Formatura per estrusione . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

8.2.4 Colaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4

8.3 Essiccamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

8.4 Sinterizzazione o cottura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

8.5 Porosità residua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

9 Vetri 54

9.1 Raffreddamento di un liquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

9.2 Vetri inorganici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

9.3 Processo float . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

9.4 Soffiatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

9.5 Filatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9.6 Viscosità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9.7 Tempra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9.7.1 Tempra termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

9.7.2 Tempra chimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

10 Polimeri 58

10.1 Dal monomero al polimero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

10.2 Termoplastici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

10.3 Termoindurente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

10.4 Elastomeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

10.5 Cristallinità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

10.6 Temperatura di transizione vetrosa . . . . . . . . . . . . . . . 62

10.7 Comportamento meccanico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

10.7.1 Termoindurenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

10.7.2 Termoplastici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

10.8 Crazing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

10.9 Viscoelasticità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

10.10Rafforzamento dei polimeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

10.10.1 Miscelazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

10.10.2 Trafilatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

10.10.3 Reticolazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

10.10.4 Rafforzamento dei polimeri . . . . . . . . . . . . . . . . 67

11 Proprietà termiche dei materiali 68

11.1 Dilatazione termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

11.2 Capacità termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

11.3 Conducibilità termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

11.4 Diffusività termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

11.5 Resistenza agli sbalzi termici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

11.6 Alte temperature operative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

11.6.1 Deformazione a sforzo costante . . . . . . . . . . . . . 72

5

12 Carichi ciclici - Fatica 74

12.1 Coefficiente di smorzamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

12.2 Studio della fatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

12.2.1 Componente non danneggiato . . . . . . . . . . . . . . 75

12.2.2 Componente danneggiato . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

12.2.3 Propagazione della frattura ad alti cicli . . . . . . . . . 76

12.2.4 Come aumentare la resistenza a fatica . . . . . . . . . 77

12.2.5 Componente fessurato o struttura al alto rischio . . . . 77

12.3 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

13 Frattura e tenacità a frattura 78

13.1 Resistenza e tenacità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

13.1.1 Frattura duttile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

13.1.2 Frattura fragile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

13.2 Prove per la tenacità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

13.3 Meccanica della frattura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

13.3.1 Esercizi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

13.4 Modi di propagazione della cricca . . . . . . . . . . . . . . . . 82

13.5 Approccio di Griffith . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

13.6 Meccanismi di tenacizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6

Figura 1: Classificazione materiali

1 Classificazione dei materiali

Un materiale è un qualsiasi solido che può svolgere una determinata funzione

(termica, meccanica, ottica,...). Vari materiali possono svolgere la stessa

funzione: occorre saper operare la scelta migliore.

I materiali possono essere classificati in tre grandi famiglie: Metalli,

e infine i Compositi o ibridi;

Polimeri ed elastomeri, Ceramici e vetri

che a loro volta possono essere naturali o sintetici.

Le diverse famiglie possono essere ancora suddivise in Classi, Sotto-classe,

ogni membro ha poi le proprie caratteristiche.

Membro,

La scelta del processo di lavorazione può andare a modificare le proprietà

del materiale. I processi di lavorazione vengono poi divisi in processi pri-

(impartiscono una forma) e (modificano geometria e

mari processi secondari

proprietà).

1.1 Metalli

Sono caratterizzati da un numero variabile di elettroni de localizzati, ovvero

dotati di mobilità, che gli definiscono delle proprietà.

Presentano una organizzazione degli atomi in strutture ordinate chiamate

cristalli; risulta difficile produrre elementi amorfi.

Le sono combinazione, non stechiometriche, di diversi materiali che

leghe

presentano una resistenza maggiore rispetto ai metalli puri; vedasi gli acciai.

1.1.1 Proprietà

• Ottimi conduttori di calore ed elettricità

• Temperature di fusione molto variabili

7

Figura 2: Processi produttivi

Figura 3: Suddivisione delle leghe metalliche

8

• Medio-alte densità

• Sono opachi (non trasparenti alla luce), ma lucenti

• Elevate resistenze meccaniche, possono essere però deformati plastica-

mente

• Formatura prevalentemente da fuso

• Si corrodono facilmente

1.2 Ceramici

Sono materiali inorganici non metallici formati dalla combinazione di ele-

menti metallici e non metallici con rapporti stechiometrici.

Sono formati da strutture ordinate (cristalli), mentre i vetri sono composti

da strutture caotiche o amorfe.

1.2.1 Proprietà

A causa del loro legame covalente difficile da rompere i ceramici sono:

• Isolanti termici ed elettrici

• Altofondenti

• Sono refrattari: mantengono inalterate le loro proprietà anche se sot-

toposti ad alte temperature

• Resistono bene ad ambienti aggressivi (inerzia chimica)

• Sono fragili: non presentano deformazioni plastiche

• Elevate resistenze meccaniche

• Formatura da polveri

A secondo del processo di lavorazione possono essere o meno opachi;

dipende dalla micro struttura. 9

1.3 Polimeri

Sono materiali organici, costituiti da C, formati da lunghe catene di mono-

Abbiamo legami forti tra i vari carboni e legami deboli fra le diverse

meri.

catene. si deformano in modo elastico e plastico

Termoplastici: Termoin-

rigidi e duri, ma fragili. Non presentano deformazione plastica.

durenti: Estesa regione di deformazione plastica prima della rottura.

Elastomeri:

1.3.1 Proprietà

• Bassa densità

• Facilmente formabili

• Bassa resistenza meccanica

• Bassa temperatura di rammollimento

• Alta reattività chimica

1.4 Compositi

Sono dati dalla combinazione di due o più materiali diversi delle varie fami-

glie, finalizzate all’accoppiamento delle loro migliori caratteristiche.

Sono caratterizzati da matrice e rinforzo.

le proprietà del materiale sono le stesse lungo tutte le direzio-

Isotropia:

ni. le proprietà del materiale dipendo dal verso secondo cui

Anisotropia:

noi lo osserviamo.

I materiali compositi sono generalmente anisotropi a causa della disposi-

zioni delle fibre all’interno.

I materiali compositi si divino in:

• CMC: matrice ceramica

• MMC: matrice metallica

• PMC: matrice polimerica

• GFRP: fibre di vetro rinforzate con polimeri

• CFRP: fibre di carbonio rinforzate con polimeri

10

Figura 4: Curva Condon-Morse

2 Densità e modulo elastico

2.1 Curva di Condon Morse

A seconda del legame chimico tra i vari elementi variano le caratteristiche

del materiale macroscopico.

La distanza a cui ho equilibrio tra forze attrattive e forze repulsive è

chiamata distanza di equilibrio. A questo distanza gli atomi si trovano in

uno stato di equilibrio, in cui avremo un minimo dell’energia potenziale del

sistema.

La curva che descrive la forza netta e l’energia è chiamata curva di

Condon-Morse.

Più il legame è forte, più la curva sarà stretta e profonda; se il legame è

debole la curva sarà larga e poco profonda.

2.2 Legami chimici

A livello atomico abbiamo tre legami forti: covalente, ionico e metallico.

11

2.2.1 Legame covalente - Materiali ceramici

Nel legame covalente si ha una condivisione continua di elettroni tra ele-

menti. É un legame fortemente direzionale che si sviluppa nello spazio con

determinati angoli, con un’alta energia di legame.

Il legame forte porta alle seguenti proprietà:

• Alta temperatura di fusione

• Alta rigidezza: capacità di deformarsi elasticamente e ritornare al suo

stato iniziale

• Alta resistenza a rottura: tanta energia per rompere il legame

• Bassissima dilatazione termica

IL legame direzionale gli fornisce fragilità ovvero la rottura del componen-

te senza deformazione elastica permanente. Essendo gli elettroni non liberi i

materiali ceramici sono ottimi come isolanti termici ed elettrici.

2.2.2 Legame ionico

Si instaura tra ioni di tipo positivo e negativo a seconda se l’elemento ha

tendenza a cedere o acquisire elettroni.

2.2.3 Legame metallico

Legame forte caratterizzato da elementi metallici che mettono in comune gli

elettroni, a differenza del legame covalente, che vanno a formare un mare di

elettroni non orientati nello spazio.

Gli elettroni, dotati di mobilità, sono responsabili della conducibilità

termica ed elettrica. (Legame ADIREZIONALE)

Dato che questo legame è molto forte ho bisogno di fornire molta energia

per romperlo e ottenere atomi liberi; questo porta ad:

• Alta temperatura di fusione

• Bassa dilatazione termica. Il forte legame impedisce lo spostamento

interatomico

• Alta rigidezza; modulo elastico

• Alta resistenza a rottura

Essendo un legame adirezionale il materiale sarà duttile.

12

2.2.4 Legami secondari

Sono legami con un’energia più debole come le interazioni tra dipoli.

Possono essere interazioni tra dipoli permanenti, indotti.

Alla base della formazione dei polimeri: caratterizzati da lunghe ma-

cro molecole con legami forti tenute insieme dai legami secondari. I legami

secondari non scambiano elettroni e saranno quindi molto deboli.

• Bassa temperatura di fusione/rammollimento

• Bassa rigidezza

• Bassa resistenza a rottura

• Elevata dilatazione termica

Essendo gli elettroni non liberi i polimeri sono ottimi isolanti termici ed

elettrici.

2.3 Risposta meccanica dei materiali - Deformazioni

I materiali resistono a sollecitazioni esterne deformandosi. Abbiamo due tipi

di deformazioni: o elastica, o plastica.

reversibile irreversibile

Tutti i materiali presentano deformazione plastica, ma abbiamo due di-

versi comportamenti:

• Deformazioni elastiche fino a rottura; materiali come i ceramici.

fragili

• Sia deformazioni elastiche che plastiche; materiali come i me-

duttili

talli.

La resistenza meccanica, che i materiali oppongono quando sottoposti

ad azioni esterne fino all’istante prima di rompersi, dipende dall’energia di

legame.

La capacità di deformarsi elasticamente dipende dall’energia e dal tipo di

legame.

Posso spiegare la deformazione elastica con le curve di Condon Morse:

in una situazione a riposo ho una distanza di legame minima con energia

di legame minima, sono nel punto di minimo. Andando ad eseguire una

trazione uni assiale vado a fornire energia aumentando la distanza di legame

e spostandomi verso destra. Cessata la trazione prevalgono le forze di tipo

attrattivo e torno alla distanza di equilibrio. Avviene circa la stessa cosa

13

Figura 5: Confronto curve

con una prova di compressione uni assiale, ma spostandosi sul grafico verso

sinistra.

Le curve di Condon Morse giustificano SOLO ED ESCLUSIVA-

MENTE la deformazione elastica propria di tutti i materiali.

2.3.1 Modulo di Young

Sotto un’azione esterna di trazione uni assiale avremo un allungamento di

; questa &e