Scienze dei materiali: domande esame - Verné

Domande esame scienze dei materiali

La legge di Hooke

Scrivere la legge di Hooke, definire e spiegare il significato delle grandezze che vi compaiono; tracciare il grafico relativo a tale legge. Indicare per quali classi di materiali è valida questa legge.

La legge di Hooke definisce il comportamento lineare.

• Sigma: sforzo, tensione, sollecitazione dovuta ad una forza applicata su una superficie
• Tau: sollecitazione dovuta ad uno sforzo di taglio
• Epsylon: deformazione, dovuta alla sollecitazione
• E: modulo elastico / di Young, costante elastica, propria di ogni materiale
• G: modulo di taglio
• Gamma: deformazione di taglio

Quindi la legge di Hooke afferma che, in caso di piccola deformazione (epsylon < 0,001), esiste una diretta proporzionalità tra lo sforzo (sigma) e la deformazione stessa. Questa legge vale per tutti i materiali. Tutti hanno, allo stato solido, un campo di deformazione entro il quale possiedono comportamento elastico lineare.

La legge di Hooke così espressa è in realtà una semplificazione. Nei materiali anisotropi esistono 6 componenti indipendenti da lo sforzo dalle quali si ricavano 6 elevazioni e 36 costanti elastiche. Il grafico di tale legge è una retta nel diagramma sigma-epsylon la cui pendenza dipende da E -> dal diverso materiale. L’area sottesa alla curva è l’energia elastica immagazzinata durante la deformazione: E_el = ½ sigma*epsylon E viene restituita tutta durante lo scarico.

Semiconduttori estrinseci di tipo p

Ruolo dei difetti di punto del meccanismo di conduzione.

I semiconduttori sono dei materiali con caratteristiche intermedie tra conduttori e isolanti, poiché il gap energetico tra la banda di valenza (piena) e la banda di conduzione (vuota) è piccolo (0,2-1 eV). Si cerca di facilitare la conduzione o il passaggio di elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione introducendo impurezze e modifiche strutturali che producono una maggiore conduzione (oppure si fornisce energia scaldando).

I semiconduttori estrinseci di tipo p sono semiconduttori drogati con un elemento accettore, cioè atomi con un elettrone in meno rispetto a quello dell'elemento semiconduttore. Le impurezze con un elettrone in meno cercano di acquistarne uno da un legame vicino, creando una lacuna elettrolitica che può muoversi attraverso il reticolo se si applica un campo elettrico esterno causando la conducibilità elettrica. Il livello energetico dell'impurezza si calcola al di sopra della banda di valenza e può essere facilmente occupato creando appunto la lacuna, responsabile principale della conduzione e positività.

Dislocazioni a spigolo

Definizione e loro ruolo nella deformazione plastica.

Le dislocazioni sono difetti lineari, essenziali per la deformazione plastica. Dislocazioni a spigolo sono difetti che si formano quando in una parte del cristallo è presente un semipiano in più o in meno rispetto al reticolo perfetto -> reticolo distorto e filare molto reattivo. Attraverso opportuni sforzi la dislocazione si può spostare fino a riaffiorare in superficie -> gradino + deformazione plastica.

La dislocazione si muove su piani di scorrimento preferenziali a massima densità atomica, con movimento a minimo dispendio di energia. Le dislocazioni rendono possibile la dislocazione plastica perché, grazie alla loro presenza, i materiali si deformano con minimo dispendio di energia, poiché i legami si rompono uno alla volta e così i piani slittano. Le dislocazioni interagiscono tra di loro e con altri difetti -> movimento rallentato. Per deformare un cristallo perfetto (rottura di legami forti) teoricamente servirebbero forse 1000-10000 volte più grandi rispetto a quella usata nei cristalli reali. Nel cristallo reale bisogna rompere meno legami grazie alle dislocazioni.

Proprietà dei solidi ionici

I solidi ionici si formano grazie al trasferimento di elettroni fra elemento elettropositivi ed elettronegativi. L'attrazione tra cationi e anioni è non direzionale. Le posizioni reticolari sono occupate da ioni di diverse dimensioni. Gli atomi si devono disporre in posizioni che garantiscano elettroneutralità (cariche bilanciate) -> la struttura cristallina è influenzata dalle dimensioni relative tra r_C e r_A.

Strutture stabili = anioni che circondano un catione tutti in contatto col catione stesso. A seconda di r_c/r_a varia il numero di coordinazione (numero di atomi che circondano un catione (4, 6, 8)). Le proprietà dei solidi ionici dipendono da:

• Dimensioni reciproche degli ioni
• Necessità di assicurare l’elettroneutralità

Proprietà fisiche:

• Elevati punti di fusione <- forza di legame
• Densità moderata <- elettroneutralità

Proprietà elettriche:

• Stato solido -> buoni isolanti
• Stato liquido -> conduttori

Proprietà ottiche:

• Non trasparenti, dotati di colore

Proprietà meccaniche:

Dipendono da: numero di elettroni scambiati e distanza tra ioni. Maggiore distanza -> minore durezza. Maggiore numero di ossidazione -> maggiore durezza. Frattura fragile: non esiste deformazione plastica perché slittamento dei piani che produce repulsione e frattura del legame. Lo slittamento dei piani sarebbe possibile su certi piani, ma di solito non sono densamente impacchettati come quello che provocano rottura.

Diffusione stazionaria

La quantità di un elemento che diffonde all’interno di un altro è funzione del tempo. La velocità di trasporto di una massa è data dal flusso di diffusione s: s = 1/A * (dM/dt) M massa o numero di atomi A area attraverso la quale è avvenuta la diffusione t tempo nel quale è avvenuta la diffusione. Se d è così e non varia col tempo -> diffusione stazionaria e segue la prima legge di Fick: s = -D * dC/dx D coefficiente di diffusione C gradiente di concentrazione. Definisce una diretta proporzionalità tra il flusso stazionario ed il gradiente di concentrazione attraverso il coefficiente di diffusione D.

La driving force della diffusione stazionaria è un gradiente di concentrazione: gli atomi si spostano dal punto a concentrazione maggiore a quello a concentrazione minore.

Esempio teorico: diffusione di atomi di un gas attraverso una piastra metallica molto sottile. Le concentrazioni e le pressioni vengono mantenute costanti su entrambe le superfici della piastra. La C varia linearmente perché siamo in regime stazionario.

Esempio pratico: purificazione dell’H₂. Una roccia di una lastrina di Pd metallico viene esposta ad una miscela costituita da H e da altre specie gassose. A causa delle sue piccole dimensioni, H diffonde selettivamente attraverso la piastrina fino a raggiungere la faccia opposta. Per mantenere attivo il processo è necessario regolare le pressioni parziali di H in modo da conservare un gradiente di concentrazione tra le due facce della piastrina.

Temperatura di transizione vetrosa

Definire la temperatura di transizione vetrosa.

La temperatura di transizione vetrosa è un intervallo di temperatura caratteristica della trasformazione solido-liquido propria di tutti i vetri (o solido amorfo). Per essi il passaggio dallo stato solido a quello liquido non avviene in modo discontinuo a una temperatura precisa, T di fusione, come per i solidi, ma è un passaggio graduale che avviene per progressiva e continua diminuzione di viscosità durante il riscaldamento fino al completo scorrimento. Le Tg si misura con la DTA o con la dilatometria e assume valori diversi a seconda della velocità di raffreddamento, essendo determinata dai processi di rilassamento presenti nel liquido che si sta raffreddando.

Se T < Tg comportamento lineare. Se T > Tg stato gommoso: deformabile plasticamente. Se T >> Tg stato viscoso, materiale = liquido viscoso. Per agire sulle proprietà meccaniche di un materiale polimerico, si sposta la Tg.

Resilienza

Definire la resilienza e le prove che si effettuano per misurarla.

Resilienza: è la resistenza all’urto e può essere associata...