Scienza e tecnologia dei materiali

SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

Capitolo 1_ introduzione ai materiali

Capitolo 2_ classificazione dei materiali

Capitolo 3_ approccio al binomio materiale progetto

Un materiale è un qualsiasi solido in grado di svolgere almeno una

determinata funzione (meccanica, termica, elettrica, ottica,

magnetica, etc…). Diversi materiali possono svolgere la stessa

funzione occorre saper operare la scelta migliore.

Al fine della scelta del materiale devo conoscere le sue proprietà:

fisiche, meccaniche, termiche elettriche, magnetiche, ottiche,

chimiche…

Famiglie di materiali

Metalli, più antichi e conosciuti

 Ceramici e vetri (tradizionali ed ingegneristici)

 Polimeri ed elastomeri (molto più moderni)

 Compositi detti anche ibridi



Classificazione con origine:

Naturali: di origine geologica o chimica;

 Sintetici (metalli ottenuti per trattamento dei minerali,

 ceramici, materie plastiche…)

Materiali e processi

Per produrre un generico oggetto con un materiale è necessario

accoppiargli un processo compatibile con il materiale che si

desidera impiegare. I requisiti di progetto definiscono le prestazioni

richieste ai materiali, definite da valori soglia per certe proprietà

che controllano il progetto.

Processo produttivo

Le proprietà finali di un materiale dipendono dal suo percorso

produttivo, dalle metodiche di formatura adottate.

A seconda del procedimento di fabbricazione usato, le proprietà del

materiale possono variare, esercitando un’influenza diretta sul

rendimento, sull’affidabilità, sulla durata del prodotto (≡ durabilità

in esercizio).

Un processo è un metodo per formare, giuntare o finire un

componente.

Si distinguono:

Processi primari: impartiscono una forma;

 Processi secondari: modificano la geometria e/o le proprietà



La prima linea contiene i processi primari di formatura. Al di sotto si

trovano i processi secondari di lavorazione a utensile e di

trattamento termico. Quest’ultimo modifica la microstruttura del

materiale e quindi le sue proprietà, non modifica la forma.

Infine, ci sono i processi di giunzione e finitura e i trattamenti

superficiali. Questi ultimi modificano la superficie esterna del

prodotto che ha un ruolo fondamentale perché è la parte più

esposta. Sono utili per eliminare difetti superficiali o per proteggere

il materiale da agenti esterni, utilizzando cromatura o verniciatura

ad esempio.

Molto spesso, infatti, non conviene modificare le caratteristiche di

tutto il materiale, ma solo la parte a contatto con l’ambiente

esterno (superficie esterna), anche per ragioni economiche.

N.B. Non tutte le classi di processi possono essere applicate a tutti i

materiali. Quando si sceglie un materiale, bisogna scegliere anche il

processo produttivo adatto.

Qui di seguito sono riportati step importanti non solo per la scelta e

la definizione di un componente, ma anche per una riprogettazione,

ovvero una modifica a causa di variazioni di condizioni di esercizio o

di funzionalità richieste.

Con l’avvento dei compositi sono stati riprogettati molti materiali

perché sono più leggeri. Per la riprogettazione bisogna ripercorrere

questo percorso.

Interazione tra requisiti di progetto, materiale, forma e processo:

ELEMENTI DA RICORADRE DELLA TAVOLA PERIODICA

Gli elementi del primo gruppo o metalli alcalini, idrogeno H,

 litio Li, sodio Na, potassio K...) Hanno tutti un solo elettrone

nell’orbitale più esterno.

Gli elementi del secondo gruppo detti metalli alcalino terrosi,

 berillio Be, magnesio Mg, calcio Ca, stronzio Zn…). Elementi di

tipo metallico con due elettroni nella nuvola più esterna.

Gli elementi metallici sono tendenzialmente elettropositivi cioè

hanno una propensione a cedere gli elettroni di valenza per

diventare ioni carichi positivamente, mentre gli elementi non

metallici sono definiti elettronegativi tendono ad acquistare

elettroni, ioni negativi.

METALLI: materiali inorganici metallici

Ampio gruppo di elementi chimici caratterizzati da un numero

variabile di elettroni di valenza delocalizzati (legame metallico). Gli

elettroni di valenza delocalizzati sono responsabili di proprietà del

materiale.

Gli atomi metallici quando si legano per dar vita ad un solido

tendono ad organizzarsi in strutture ordinate ≡ strutture cristalline

(cristalli). Esistono anche dei metalli amorfi la cui struttura è

disordinata ma questi sono rari perché sono molto difficili da

produrre e costosi.

In questa famiglia non vengono inseriti solo i metalli puri ma anche

le leghe metalliche (ovvero combinazioni non stechiometricamente

definite di due o più metalli o non metalli) quali le ghise e gli acciai

(leghe a base Fe-C), le leghe di alluminio (Al), duralluminio (Al-Cu),

Ti, Mg, Ni, Zn, Cu (ottoni leghe Cu-Zn, bronzi, leghe Cu-Sn (stagno)).

Proprietà tipiche dei metalli

OPACHI, lucenti ma trasparenti;

 OTTIMI CONDUTTORI DI CALORE ED ELETTRICITA’ poiché il

 legame metallico assicura grande mobilità agli elettroni di

valenza;

TEMPERATURE DI FUSIONE VARIABILI alla base della

 temperatura di fusione c’è il tipo di legame ed in particolare

l’energia di legame (Al=660°C, Ti=1660°C, W=3420°C);

RESISTENTI MA DUTTILI elevata resistenza meccanica ma sono

 deformabili plasticamente (in modo irreversibile e permanente

prima di rompersi);

DENSITA’ MEDIO-ALTE i materiali metallici hanno una struttura

 atomica ordinata cioè cristallina che porta ad avere un

impaccamento degli atomi compatta tradotto in densità

3 3 3

medio-alte (Mg=1,75 g/cm , Al=2,7 g/cm , Ti=4,5 g/cm ),

3

parliamo di leghe leggere fino ad una densità di circa 4,5 g/cm

3 3 3

(Fe=7,8 g/cm , Cu=8,9 g/cm , W=19,3 g/cm );

FORMATURA PREVALENTEMENTE DA FUSO cioè la materia

 prima portata a fusione e colata all’interno di stampi, processi

di formatura principalmente da fuso e da processi di

deformazione plastica;

SI CORRODONO FACILMENTE (corrosione del Fe porta alla

 ruggine), l’alluminio forma sulla sua superficie uno strato di

ossido di alluminio detto allumina passivante.

CERAMICI: materiali inorganici non metallici

I materiali ceramici sono definiti come materiali inorganici non

metallici, formati dalla combinazione – in rapporti

stechiometricamente definiti (formule chimiche associate ben

definite)- di elementi metallici e non metallici, caratterizzati dalla

presenza di legami ionici e/o covalenti.

Ad esempio: SiC carburo di silicio, Al O ossido di alluminio /

2 3

allumina.

Possono essere costituiti da strutture ordinate di atomi (cristalli)

oppure da strutture caotiche (≡ amorfe) (vetri) cioè mancano di

ordine a grande distanza quando parliamo di raggio atomico.

Si distinguono:

ceramici tradizionali, soprattutto derivati dall’argilla

 (porcellane, gres, maioliche…) usati prevalentemente in

ambiente civile ed edile;

cementi, calci…;

 vetri (a base silice);

 ceramici ingegneristici (o avanzati o di alta tecnologia, ossidi

 carburi, nitruri, boruri…).

Si possono incontrare anche queste definizioni:

Ossido silicatico, ossido base silice ad esempio SiO silice;

 2

Ossido non silicatico, ad esempio, Al O allumina o zirconia

 2 3

ZrO ;

2

Non ossidico, ad esempio, SiC carburo di silicio, C diamante e

 grafite.

Proprietà dei materiali ceramici

ALTOFONDENTI: avendo un legame ionico covalente che è

 caratterizzato da un’alta energia di legame, quindi serve molta

energia per rompere il legame (T = 2054°C, T

f allumina f

= 2680°C, T =1710°C);

zirconia f silice

ISOLANTI TERMICI ED ELETTRCI poiché il legame covalente

 prevede che gli elettroni siano fissi in determinate posizioni

(non abbiamo la nuvola elettronica);

RESISTONO BENE ALLE ALTE TEMPERATURE (refrattarietà

 cioè mantengono inalterate le caratteristiche chimico-fisico-

meccaniche anche se esposti per lungo tempo ad alte

temperature);

RESISTONO BENE AGLI AMBIENTI AGGRESSIVI (aggressività

 chimica cioè dotati della cosiddetta inerzia chimica;

POSSONO PRESENTARE ELEVATE CARATTERISTICHE

 MECCANICHE ED ELEVATA DUREZZA, possono avere alta

resistenza ad esempio a compressione;

FORMATURA PREVALENTEMENTE DA POLVERI poiché

 temperature di fusione elevate (da fuso solo per i vetri).

FRAGILI, si rompono dopo essersi deformati solo in modo

 reversibile (deformazione elastica) non hanno deformazione

plastica.

I materiali ceramici a seconda del tipo di processo di formatura e a

seconda del tipo di microstruttura possono esibire proprietà ottiche

diverse.

Esempio con dischi di ossido di alluminio: TRASPARENTE la luce

riflessa passa tutto il disco, TRASLUCIDO solo una parte della luce

riflessa viene trasmessa attraverso il disco, OPACO nessuna

porzione di luce attraversa il disco.

Differenza dovuta alla microstruttura cioè alla disposizione degli

atomi, trasparente ha una struttura ordinata è il cosiddetto

monocristallo, traslucido struttura ordinata ma con diversi grani ed

opaco presenza di pori // porosità // dei vuoti all’interno a loro volta

disperdono la luce, la assorbono.

Per i catalizzatori viene utilizzato ossido di cerio e ossido di zirconio

(materiale ceramico avanzato) combinati insieme. Monolite

ceramico sul quale è depositato un substrato catalizzatore

metallico.

L’isolatore della candela motore è ossido di alluminio.

MATERIE PLASTICHE – POLIMERI

I materiali polimerici sono materiali organici, quindi costituiti da

idrogeno, carbonio, ossigeno, azoto fluoro, costituiti da lunghe

catene molecolari, macromolecole, nelle quali uno o più gruppi, i

(poli-monomero: ripetizione

monomeri, si ripetono concatenandosi

di un monomero).

Gli atomi di carbonio sono legati da legami forti invece le catene

sono legate da legami più deboli

Legami intra-catena: legami forti, legami tra gli atomi di carbonio

(covalenti C-C)

Legami inter-catena: prevalentemente deboli interazioni di Van

der Waals (dipolo indotto-dipolo indotto, dipolo-dipolo, legami

idrogeno…).

Le catene polimeriche formano un inviluppo senza una struttura

regolare e ripetitiva, questa struttura è detta “amorfa” o “vetrosa”.

Alcuni polimeri possono presentare delle zone in cui le catene

giacciono regolarmente e interagiscono dando vita a zone

cristalline.

Proprietà molto diverse all’interno della famiglia dei polimeri che mi

definiscono tre classi:

termoplastici (TP) sono duttili (deformazione elastica

 reversibile e deformazione plastica irreversibile, anche estesa

prima di rompersi). Hanno una struttura disordinata, non

reticolata o parzialmente cristallina.

elastomeri estesissima deformazione elastica prima di rottura

 e in grado di recuperare questa deformazione. Gli elastomeri

presentano dei legami trasversali occasionali tra le catene, ma

abbastanza lontani da permettere alle catene di estendersi

reciprocamente. Debolmente reticolato.

termoindurenti (TI) sono rigidi, duri e fragili (deformazione

 elastica reversibile). I polimeri con un numero elevato di

legami trasversali, di natura covalente, come le resine

epossidiche non consentono alle catene di scorrere.

Fortemente reticolato.

Proprietà dei polimeri

BASSA DENSITA’, sono molto leggeri;

 FACILMENTE FORMABILI;

 BASSA TEMPERATURA DI DECOMPOSIZIONE OPPURE DI

 FUSIONE ≡ RAMMOLLIMENTO;

ALTA REATTIVITA’ CHIMICA, dipende dalla classe dei polimeri di

 cui parliamo;

RICICLABILITA’ A FINE VITA, il riciclo delle materie polimeriche

 è teoricamente infinito ma in realtà vengono inseriti degli

additivi che modificano le macromolecole.

COMPOSITI

La famiglia dei compositi è molto in crescita ed è data dalla

combinazione di materiali delle altre famiglie. Ad esempio, le ossa

ed il legno, nel quale la matrice di lignina è rinforzata dalle fibre di

cellulosa. Combinazione di due o più materiali diversi, finalizzate

all’accoppiamento delle migliori caratteristiche di ciascuno di essi

(effetto sinergico).

Isotropia: il materiale ha le stesse proprietà in tutte le direzioni

una volta eccitato.

Anisotropia: il materiale ha, ad esempio, una resistenza

meccanica superiore in una direzione rispetto a quella trasversale.

Il materiale composito ha delle caratteristiche resistenziali

preferenziali in una direzione rispetto all’altra. Abbiamo una matrice

ed un rinforzo.

Le fibre possono avere una o più direzioni di rinforzo, orientate in

più direzioni per contrastare la trazione in molteplici direzioni, per

favorire l’isotropia del materiale.

classi dei materiali compositi

CMC, materiali compositi a matrice ceramica (ceramic matrix

 composite);

MMC, materiali compositi a matrice metallica (metal matrix

 composite);

PMC, materiali compositi a matrice polimerica (polymer matrix

 composite) materiale a bassa densità ma ad alta resistenza;

GFRP, matrice polimerica rinforzata con fibre di vetro (glass

 fiber reinforced polymer) ad esempio la vetroresina:

composta da fibre di vetro anche corte ma ad elevata resistenza

nella direzione di trazione, intrinsecamente fragili e flessibilità del

materiale polimerico.

Si conferisce alla matrice polimerica la capacità di sopportare i

carichi richiesti ad un materiale strutturale.

Esempio composito sintetico: vetroresina

elevata resistenza a trazione, intrinsecamente fragili;

 flessibilità del materiale polimerico;



Si conferisce alla matrice polimerica la capacità di sopportare i

carichi richiesti a d un materiale strutturale.

CAPITOLO 6: DENSITA’ E MODULO ELASTICO

In questo capitolo studieremo la risposta meccanica dei materiali

andandola a giustificare.

Curva di Condon-Morse

La distanza per cui due atomi vicini sono in equilibrio, cioè la quale

la forza attrattiva e quella repulsiva hanno lo stesso modulo è

chiamata distanza di equilibrio ovvero la distanza di legame alla

quale la forza netta risultante è uguale a zero. Due atomi

inizialmente a distanza infinita via via che si avvicinano risentono di

forze attrattive ma quando si avvicinano troppo iniziano a prevalere

forze repulsive.

Possiamo riportare su un grafico la forza tra gli atomi in funzione

della distanza e dall’andamento della forza possiamo estrapolare la

quantità di energia in gioco.

In a la forza

0

attrattiva e repulsiva si

bilanciano perfettamente, in corrispondenza di quella distanza ci

sarà un minimo di energia. Dove a =r+R cioè somma dei raggi

0

atomici.

Le curve energia-distanza sono le curve di Condon-Morse.

A distanza infinita

l’interazione è nulla. Al

diminuire della distanza

a tra gli atomi iniziano a

manifestarsi forze

attrattive.

Avvicinandosi gli atomi si

attraggono e l’energia

diminuisce mentre a

diminuisce. A partire da

una certa distanza,

avvicinandosi gli atomi si

respingono e l’energia

cresce mentre a

diminuisce.

Gli atomi si attraggono

fino ad una certa

distanza a , alla quale l’energia è minima E =E .

0 min 0

E e la forma della curva di Condom-Morse dipendono dal

o

materiale (cioè a seconda del tipo di legame alla base del

materiale e quindi a seconda dell’energia di legame cambia

la forma della curva di Condon-Morse, più il legame è forte

più la curva è stretta e profonda).

Vediamo i diversi legami:

Legami forti

I legami forti o legami primari sono: legame covalente, ionico e

metallico.

il legame covalente: alla base del legame covalente vi è la

 condivisione degli elettroni negli orbitali più esterni per

arrivare a stabilità; esso è caratterizzato da un’alta energia di

legame, ovvero è energicamente forte, e da elevata

direzionalità.

il legame ionico è appunto quello che si instaura tra ioni: -

 ioni di carica positiva sono i cationi; - ioni di carica negativa

sono gli anioni; attrazione di tipo Coulombiana.

il legame metallico caratterizzato dal fatto che gli elementi

 metallici tendono ad avvicinarsi mettendo in comune gli

elettroni degli orbitali più esterni ma questi elettroni sono liberi

di muoversi negli orbitali più esterni dando vita alla nuvola

elettronica anche detta mare di elettroni. Gli elementi

metallici hanno atomi elettropositivi che donano facilmente i

loro elettroni di valenza per formare un mare di elettroni. Una

proprietà dei materiali metallici (che approfondiremo più

avanti) è la duttilità ovvero la possibilità di essere deformati in

maniera permanente (plastica) prima di arrivare a rottura.

Il legame metallico è adirezionale. Gli elettroni dotati di

mobilità sono responsabili della conducibilità elettrica e

termica.

Legami secondari o legami fisici

Questi legami sono legami deboli ovvero caratterizzati da energia di

legame più bassa rispetto ai legami primari. Tra i legami secondari

bisogna ricordare le interazioni tra dipoli, anche dette forze di Van

der Waals o legami fisici.

Forze di Van der Waals forze di interazione tra dipoli: se tra dipoli



indotti forze di London, uno indotto uno permanente forze di Debye,

dipoli permanenti come il legame ad idrogeno.

Legame metallico

Legame che si forma tra materiali metallici è energicamente forte il

che significa che ho bisogno di fornire parecchia energia per

romperlo ovvero ad esempio per fondere il material