Che materia stai cercando?

Scienze dei materiali: domande esame - Verné

Domande che capitano all'esame di scienze e tecnologia dei materiali della professoressa Enrica Vernè, del corso di laurea triennale di ingegneria biomedica al Politecnico di Torino. Appunti basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni della prof.

Esame di Scienza e tecnologia dei materiali docente Prof. E. Verne

Anteprima

ESTRATTO DOCUMENTO

L’altoforno è caricato dall’alto tramite la bocca, mentre nel tino avvengono le reazioni più

importanti di riduzione e in fondo, nel crogiolo, si raccolgono la ghisa prodotta (fusa) e la

scoria, che è raccolta nella sacca.

In particolare nell’altoforno si muovono due flussi in controcorrente :

- Dall’alto nella bocca viene appunto introdotta la carica, costituita da minerali di Fe

frantumati (gange) , coke e fondenti.

- Dal basso, da opportuna tubiera, è immessa una corrente gassosa / aria

preriscaldata / vento d’altoforno a 1000 C.

La reazione di riduzione avviene grazie al monossido di carbonio (CO), che deriva dalla

combustione totale del carbonio.

C + O2 -> CO2

CO2 + C -> 2CO -> reazione di Boudouard

Sono molto esotermiche -> mantengono alta la temperatura.

Le reazioni di riduzione degli ossidi di ferro sono diverse:

- reazione diretta ad opera del C

FeO + C <-> Fe + CO

- reazione indiretta ad opera del CO

Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2

- si ottiene anche la cementite con la parziale carburazione del Fe:

3Fe + 2 CO <-> Fe3C + CO2

tutte queste trasformazioni avvengono gradualmente ad opera di CO, C; a mano a mando

che la carica scende verso il basso e i flussi gassosi salgono verso l’alto e sono

esotermiche-> autoalimentano il processo.

Nel crogiolo si raccolgono sia la ghisa che la scoria, separate da opportuni fori facilmente

perché immiscibili.

• Capacità termica

È il rapporto tra la quantità di calore osservata dQ e la variazione di temperatura osservata

nel materiale dT.

C = dQ/dT [C] = s/K

È importante perché definisce la quantità di calore immagazzinata da un materiale.

Per confrontare le capacità termiche di sostanze differenti si fa riferimento alla capacità

termica di una massa unitaria (1kg), quando la variazione di T è unitaria (1K), cioè al

calore specifico; esso rappresenta la quantità di calore che si deve fornire all’unità di

massa di una sostanza affinché la sua temperatura si innalzi di un grado.

Differisce dal calore atomico o molecolare, che si riferisce invece a una mole di sostanza.

1 cal = 4,186 J

Tk = Tc + 273

C = deltaQ / (m * deltaT) -> proprietà che definisce il contenuto energetico di un solido

La capacità termica a V costante dipende dalla T:

tetaD = temperatura di Deloye : al di sotto di essa il calore specifico di un solido è

proporzionale a T^3.

• Processo di formazione degli acciai

La produzione degli acciai di solito consta di diversi passi:

- riduzione del minerale in altoforno con produzione di ghisa

- affinamento della ghisa con produzione di acciaio con un processo di ossidazione al

convertitore. Le reazioni sono esotermiche e si autostostengono.

- colato in uno stampo o cantina (?) e solidificazione dell’acciaio.

- successive lavorazioni per deformazione plastica a caldo (laminazione, forgiatura,...) più

trattamenti termici e superficiali o lavorazioni.

La composizione di C può essere controllata aggiungendo ghisa o rottami di acciaio verso

la fine del processo.

I difetti di punto come lacune e vacanze sono importanti nel meccanismo di conduzione.

La conduzione elettrica è infatti più spiccata in quanto sono più numerosi gli elettroni

mobili.

• Teoria delle bande

La conduzione elettronica nei materiali può essere spiegata utilizzando la teoria delle

bande dei solidi.

Un atomo isolato possiede un certo numero di elettroni che occupano livelli energetici

discreti secondo il principio di esclusione di Pauli.

Quando atomi diversi si avvicinano per formare un legame, gli elettroni vengono perturbati

dalla presenza degli altri nuclei e degli altri elettroni.

Durante la formazione del legame si generano nuovi livelli energetici nei quali gli elettroni

possono trovare posto: ogni stato energetico di ogni atomo di scinde in un numero di nuovi

livelli energetici molecolari che dipende dal numero di atomi che stanno interagendo per

dare il legame.

Se N atomi si legano per dare origine ad un cristallo, ogni livello si scinde in N livelli

molecolari caratterizzati da contenuti energetici discreti, dando vita ad una banda continua

di energia che accoglie gli elettroni, sempre secondo Pauli.

L’importante è che gli elettroni non possono occupare livelli energetici intermedi a quelli

delle bande. Secondo la teoria delle bande si generano diversi livelli energetici per ogni

livello molecolare, ma con differenze di energia talmente piccola da formare una banda

continua.

Naturalmente gli elettroni che riempiono le bande potranno riempire tutte, parzialmente o

lasciarne vuote:

- gli orbitali atomici più interni già pieni nell’atomo isolato danno origine a bande

piene (di Valenza)-> non influenzano le proprietà del solido

- gli orbitali di Valenza danno invece origine a bande di Valenza piene, semipiene o

vuote.

Si definisce livello di Fermi: allo zero assoluto il livello a più alto contenuto energetico.

Le bande vuote con energia superiore all’ultima banda di Valenza = bande di separazione.

Si possono quindi avere diverse strutture elettroniche a bande nei solidi:

a. banda vuota parzialmente sovrapposta a una piena -> metalli

b. due bande separate da un gap >2eV -> isolante

c. gap < 2eV -> semiconduttori -> per facilitare il passaggio con modifiche di struttura /

introduzione di impurezze / formando energia.

• Polimeri termoindurenti e termoplastici.

I polimeri sono macromolecole organiche formate dalla ripetizione di unità strutturali molto

piccole legate tra loro da legami covalenti e dette monomeri.

Esistono due categorie di polimeri:

- termoplastici: costituiti da macromolecole di grandezza limitata, lineari o ramificate, con

legami secondari far le catene formati da deboli forze di VdW.

Vengono così chiamati perché rammolliscono con il calore e solidificano con il

raffreddamento in modo reversibile senza alterazioni della struttura. Possono essere

utilizzati più volte.

Allo stato solido esistono in forma amorfa e cristallina e si lavorano per stampaggio a

temperatura più bassa rispetto agli altri polimeri.

La frattura avviene per formazione di microcavità nella zona in cui si raggiunge sigma s.

- termoindurenti: formati da catene reticolate che hanno legami trasversali anche covalenti,

non rammolliscono, sono lavorabili a caldo solo una volta, poi si decompongono.

Hanno poca plasticità e maggiore resistenza meccanica.

Ne esistono 2 categorie:

- termoindurenti ad alto grado di reticolazione

- elastomeri: sono a bassissimo grado di reticolazione. Possono deformarsi

enormemente, ma no in modo irreversibile grazie alla presenza di ponti S. Questi

legami sono introdotti dopo lo stampaggio del materiale mediante vulcanizzazione.

• Argilla e produzione dei ceramici

L’argilla è il componente base di tutti i ceramici ed è composta da:

- alluminosilicati idrati

- ossidi e idrossidi

- carbonati.

È una polvere, ma è idroplastica: se mescolata con acqua forma una massa plastica

facilmente lavorabile, perché l’acqua si interpola tra gli strati di lamelle e forma un film

sottile attorno alle particelle di argilla.

Tecniche di fabbricazione:

percorso:

a. frantumazione

macinazione: per via secca

per via umida: riduzione granulometrica molto più spinta e ha bisogno

di una successiva atomizzazione ( essiccamento per eliminare parte

del!’acqua velocemente)

vagliatura : setacciare il materiale

b. formatura :

idroplastica : aggiunta dell’acqua per rendere più malleabile il materiale

estrusione: il materiale viene forzato a passare in un orifizio

percolaggio: tanta aggiunta di acqua per rendere il materiale circa liquido

l’impasto viene colato in uno stampo

ceramiche complesse

c. essiccamento: a temperatura ambiente è verde, si osserva un certo grado di ritiro

d. rottura: maggiore densità , maggiore resistenza meccanica -> sinterizzazione

• Ceramiche speciali: allumina e zinconia

allumina: Al2O3

- monocristallino: zaffiro, rubino

- policristallo naturale: corindone

ottenuto dalla bauxite.

L’allumina densa si ottiene per sintetizzazione di polveri di allumina. La forma desiderata è

ottenuta per formatura dell’impasto desiderato (=polvere di allumina a distribuzione

granulometrica controllata + additivo di sintesizzazione + legante)

Zirconia: ZrO2

Materiale duro e refrattario

Bassa conducibilità termica

Alto coefficiente di espansione termica

Le polveri vengono preparate per via umida da cloruri. La formatura consiste in una

sintesizzazione chimicamente alta temperatura partendo da una miscela di polveri.

• Descrivere il processo di sinterizzazione

Nasce in modo specifico per la lavorazione dei ceramici ed è un metodo di preparazione di

una massa densa di materiale mediante il riscaldamento di polveri compatte, queste una

volta compattate e scaldate (T ~= ¾ Tf) si legano e diminuisce il volume dei pori fino a

formare un solido denso.

È un processo di diffusione di atomi allo stato solido, la cui forza motrice è la diminuzione

dell’area superficiale totale e per spiegarlo si usa il modello delle sfere a contatto.

La sinterizzazione procede attraverso 3 stadi:

a. stadio iniziale: si è solo al 3% del ritiro ed il sistema è circa un insieme di sfere

uniformi legate da colli

b. stadio intermedio: il sistema è circa un insieme di grano uniformi con faccelo

comune e pori lungo i bordi di grano

c. stadio finale: si hanno gli ultimi pori isolati all’interfaccia; le particelle perdono

sfericità.

Ci sono tre tipi di sinterizzazione

A. allo stato solido: si legano atomi senza formazione di fase e la densificazione

avviene don la lavorazione della dimensione e della forma delle particelle. Le

particelle si avvicinano e si trasformano in polveri

B. con fase liquida: si forma fase liquida in quantità minore grazie all’aggiunta di

additivi di sinterizzazione. I grani cambiano forma e dimensione. Il particolato è così

racchiuso dal film liquido che promuove la massima densità, grazie alla forma

capillare che agisce cona una forza di pressione esterna

C. viscosa: c’è una fase liquida di composizione chimica propria che vetrifica durante il

raffreddamento eliminando le porosità presenti tra le particelle

inoltre può essere sotto pressione / senza pressione.

• Produzione di un vetro e lavorazioni

- Produzione tradizionale:

a. macinazione delle materia prime

b. dosatura e miscelazione

c. fusione

d. affinazione e omogenizzazione -> serve per eliminare le eterogeneità del

materiale e le discontinuità delle proprietà chimiche e fisiche. Il materiale viene scaldato

con bruciatori che, riscaldando, volgarizzano e trascinano con se bolle occluse

preesistenti.

- Lavorazioni

a. soffiatura e stampaggio : per produrre oggetti cavi

b. laminazione : la massa plastica viene passata tra coppie di rulli (a mano a mano

più freddi -> lastra)

c. trafilatura e stiratura

d. galleggiamento : il vetro viene fatto galleggiare su un metallo fuso (superficie

perfettamente piana e priva di difetti) -> la superficie del vetro sarà piana e priva di difetti

-> vetro con pochi difetti superficiali

e. filatura -> fibre tessili o lana di vetro

I vetri vengono temprati -> infrangibile

_ temperatura chimica: scambio ionico tra ioni sodio sulla superficie del vetro e gli ioni del

bagno-> l’esterno è incompressibile e l’interno è in trazione.

_ temperatura termica: si investe con aria una lastra di vetro a una temperatura T>Tg, una

minore della temperatura di ramendimento. Durante il raffreddamento: esterno in

compressione e interno in trazione.

• Nucleazione e crescita di specie cristalline per i vetri.

Attraverso il processo di Nucleazione e crescita di specie cristalline, si possono ottenere i

vetroceramici.

La trasformazione avviene in due fasi successive:

a. Solo su scala ridottissima attraverso la formazione di nuclei

b. Cristallizzazione di quasi tutto il materiale (con percentuale di fase amorfa residua)

Due processi diversi:

- Nucleazione: formazione di cristalli piccoli distribuiti in modo omogeneo entro il fuso

e caratterizzati da velocità di Nucleazione.

- Accrescimento: ingrandimento progressivo dei nuclei formatisi a spese del fuso

residuo che solidifica è caratterizzato dalla velocità di accrescimento.

Entrambi i processi sono termicamente attivati.

Per produrre un vetroceramico:

- ottenimento di un vetro

- trattamento termico a T1 mantenuto per un certo periodo per promuovere la

formazione di nuclei (=centri di cristallizzazione)

- trattamento termico a T2 per far accrescere i nuclei (T2>T1)

- raffreddamento finale

• Produzione del Ti

Due possibili processi di produzione:

a. trattamento (processo Kron) di riduzione: minerale con Ti + Cl gorgogliato -> TiCl +

2Mg -> Ti + 2MgCl2

b. trattamento elettrolitico : è un processo di riduzione in una cella elettrolitica a partire

dal rutilo purificato TiO2.

L’atmosfera è inoltre il vuoto spinto.

Il Ti puro contiene ancora tracce

Di altri elementi perché ha una forte affinità con i gas atmosferici -> si lavora in atmosfera

controllata e ciò rende il processo costoso.


PAGINE

13

PESO

43.88 KB

PUBBLICATO

10 mesi fa


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria biomedica
SSD:
A.A.: 2017-2018

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher martycodro di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Scienza e tecnologia dei materiali e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Torino - Polito o del prof Verne Enrica.

Acquista con carta o conto PayPal

Scarica il file tutte le volte che vuoi

Paga con un conto PayPal per usufruire della garanzia Soddisfatto o rimborsato

Recensioni
Ti è piaciuto questo appunto? Valutalo!

Altri appunti di Scienza e tecnologia dei materiali

Domande d'esame Scienza e Tecnologia dei Materiali
Esercitazione
Riassunto scienza e tecnologia dei materiali
Appunto
Termodinamica applicata e trasmissione di calore - Esercizi
Esercitazione
Domande d'esame Scienza e Tecnologia dei Materiali
Esercitazione