Domande teoriche esame "Scienza e tecnologia dei materiali" - Prof. Gallone

Il vetro si comporta come un liquido viscoso al di sopra della sua temperatura di transizione vetroosa. Sotto sforzo, i

grupp idi atomi dei silicato possono scorrere l’uno sopra l’altro, consentendo la deformazione permanente del vetro.

Le forze di legame interatomico si oppongono alla deformazione al di sopra della temperatura di transizione vetrosa,

ma non sono in grado di evitare lo scorrimento viscoso se lo sforzo applicato è abbastanza elevato. Quando la

temperatura del vetro viene gradualmente aumentata al di sopra della sua temperatura di transizione vetrosa, la

viscosità del vetro diminuisce e il flusso viscoso viene facilitato.

I prodotti di vetro vengono realizzati riscaldando il vetro ad una temperatura elevata per ottenere un liquido viscoso

e successivamente formandolo, trafilandolo o laminandolo nella forma desiderata. I principali metodi di formatura

dei vetri sono:

 Fogli e lastre: sono realizzati con un processo a galleggiamento nel quale un nastro di vetro esce da un forno

di fusione e fluisce sulla superficie di un bagno di stagno fuso per il raffreddamento;

 Soffiatura: viene soffiata aria per costringere il vetro ad aderire alla forma dell’oggetto desiderato;

 Stampaggio: ottenuto colando il vetro fuso in uno stampo pressato da un pistone;

 Colata: si può avere in stampo aperto o per centrifugazione in cui goccie di vetro fuso vengono lasciate

cadere su una forma rotante per creare una parete di vetro di spessore uniforme.

Per il rinforzo dei vetri abbiamo il meccanismo di tempra che aumenta la resilienza e la resistenza a rottura rispetto

al vetro ricotto. Si ottiene un rapido raffreddamento in aria della sua superficie dopo essere stato scaldato quasi fino

al punto di fusione. La resistenza può anche essere aumentata chimicamente. Un vetro sodico alluminosilicato può

essere immerso in un bagno di nitrato di potassio. I ioni Na+ sono sostituiti con ioni K+. L’introduzione di questi ioni

produce sforzi di compressione e corrispondenti sforzi di trazione nella zona centrale. Così è possibile rinforzare

anche sezioni più piccole.

Descrivere i processi di lavorazione conosciuti per i materiali ceramici ed i trattamenti termici ad essi associati.

Molti prodotti ceramici tradizionali e tecnici sono fabbricati compattando polveri o particelle in forme che vengono

scaldate poi a temperatura sufficientemente elevata sa legare insieme le particelle. La sequenza base nella

lavorazione dei materiali ceramici mediante agglomerazione delle particelle è: preparazione del materiale,

formatura, trattamento termico con essiccamento e cottura, scaldando la forma ceramica ad una temperatura

abbastanza elevata da legare assieme le particelle.

Preparazione dei materiali: la maggior parte dei prodotti ceramici vengono realizzati mediante la consolidazione

delle particelle. Le materie prime per questi prodotti variano a seconda delle proprietà richieste per il prodotto

ceramico finale. Le particelle e gli altri ingredienti, quali i leganti e i lubrificanti, possono essere miscelati a umido o a

secco.

Formatura: i prodotti ceramici realizzati con particelle agglomerate possono essere formati con vari metodi, sia a

secco che nelle condizioni di plastica o liquida. Nell’industria ceramica sono predominanti i processi di formatura a

freddo, ma in alcuni casi vengono formati anche i processi a caldo. La pressatura, il colaggio e l’estrusione sono i

metodi comunemente usati nella formatura della ceramica.

 Pressatura: le particelle di materia prima ceramica possono essere pressate, nella condizione a secco,

plastica o bagnata, in uno stampo per formare prodotti di una specifica forma.

 Pressatura a secco: la pressatura a secco può essere definita come la compattazione uni assiale e formatura

simultanea di una polvere, con piccole quantità di acqua e/o legante organico, in uno stampo.

 Pressatura isostatica: in questo processo la polvere ceramica viene caricata in un contenitore ermetico e

flessibile che si trova all’interno di una camera di fluido idraulico al quale viene applicata una pressione. La

forza della pressione applicata compatta uniformemente la polvere in tutte le dimensioni con il risultato

finale di un prodotto che prende la forma del contenitore flessibile. Dopo la pressatura isostatica a freddo la

parte deve essere cotta per raggiungere le proprietà e la microstruttura richieste.

 Pressatura a caldo: con questo processo vengono ottenuti prodotti ceramici ad alta densità e migliori

proprietà meccaniche, combinando le operazioni di pressatura e cottura.

 Colaggio: processo di formatura di un materiale ceramico nel quale una sospensione di particelle ceramiche

e acqua viene versata in uno stampo poroso e successivamente parte dell’acqua dal materiale colato

diffonde nello stampo, lasciando una forma solida nello stampo. Qualche volta il liquido all’interno del solido

colato viene versato dallo stampo, lasciando una matrice di colata.

Il trattamento termico è un passo essenziale nella fabbricazione della maggior parte dei prodotti ceramici. Tra i vari

trattamenti termici ricordiamo: essiccamento, sinterizzazione e vetrificazione.

Lo scopo dell’essiccamento dei materiali ceramici è la rimozione dell’acqua dalla massa ceramica plastica prima della

cottura a più alta temperatura. Generalmente, l’essiccamento per rimuovere l’acqua viene eseguito sotto i 100°C e

può durare fino a 24h per un pezzo di materiale ceramico di grosse dimensioni.

Viene chiamato sinterizzazione il processo mediante il quale piccole particelle di un materiale vengono consolidate

attraverso fenomeni di diffusione allo stato solido. Nella fabbricazione dei materiali ceramici questo trattamento

termico porta alla trasformazione di un prodotto poroso compatto in un prodotto denso e coerente.

Alcuni prodotti ceramici quali la porcellana, i prodotti strutturali di argilla e alcuni componenti elettronici

contengono una fase vetrosa. Durante la cottura di questi tipi di materiali ceramici si ha un processo chiamato

vetrificazione, nel quale la fase vetrosa liquefa e riempie gli spazi porosi del materiale. Durante il raffreddamento la

fase liquida solidifica formando una matrice vetrosa che lega le particelle non fuse fra di loro.

Descrivere i processi di lavorazione conosciuti per i materiali compositi.

Esistono diversi processi di lavorazione conosciuti per i materiali compositi, fra questi abbiamo processi di

fabbricazione in stampo aperto:

1. Processo manuale di laminazione: le fibre di vetro di rinforzo, che normalmente sono nella forma di tessuto

o tappetino, vengono poste manualmente nello stampo. La resina base, mescolata con catalizzatori e

acceleranti, viene quindi applicata mediante colata con pennello o a spruzzo. Per impregnare di resina il

materiale di rinforzo e per rimuovere l’aria intrappolata vengono utilizzati rulli o raschiatoi.

2. Processo di applicazione a spruzzo: se viene utilizzata la fibra di vetro, un filo continuo attorcigliato viene

fatto passare attraverso una pistola che taglia e spruzza nello stesso tempo e che deposita simultaneamente

fibre tritate e resina catalizzata all’interno dello stampo.

3. Processo sacco a vuoto-autoclave: processo per lo stampaggio di un pezzo di materia plastica rinforzata con

fibre in cui alcuni fogli di materiale flessibile trasparenti sono posti a tenuta su una parte di laminato che non

è ancora stato indurito. Tra i fogli e il laminato viene prodotto il vuoto in modo che l’aria intrappolata venga

rimossa meccanicamente dal laminato e infine avvenga l’indurimento in autoclave.

4. Processo di avvolgimento di filamenti: in questo processo la fibra di rinforzo è fatta passare attraverso un

bagno di resina e quindi avvolta su un opportuno mandrino. Quando sono stati applicati un numero

sufficiente di starti, il mandrino avvolto viene indurito a temperatura ambiente oppure a T elevata in un

forno.

Tra i processi di fabbricazione in stampo chiuso ricordiamo:

1. Stampaggio per compressione o iniezione: sono due dei più importanti processi ad elevato volume di

produzione utilizzati per la fabbricazione di materie plastiche rinforzate con fibre in stampi chiusi.

2. Processo di formatura di composito in foglio da stampaggio: il composito in fogli da stampaggio viene

generalmente ottenuto attraverso un processo a flusso continuo altamente automatizzato. Un trefolo

continuo di fibre di vetro viene sminuzzato in pezzi di circa 5 cm di lunghezza e depositato su uno strato di

pasta di resina di riempimento che viene trasportato su un film di polietilene. Un altro strato di resina di

riempimento viene depositata in seguito sul primo strato per formare un sandwich continuo di fibre di vetro

e di resina di riempimento. Il sandwich, con la faccia superiore e quella inferiore coperte dal polietilene, è

compattato e rullato su dei rulli da imballaggio.

3. Processo di poltrusione continua: in questo processo trefoli di fibre continue vengono impregnati in un

bagno di resina e vengono quindi fatti passare attraverso uno stampo in acciaio riscaldato che determina la

forma del pezzo finito. Con questo materiale è ottenibile un’alta resistenza meccanica grazie alla elevata

concentrazione delle fibre e all’orientamento parallelo delle fibre rispetto lunghezza del pezzo prodotto.

Discutere i fenomeni della memoria di forma e della superelasticità con particolare riguardo a: meccanismi

chimico-fisici alla base, materiali, applicazioni.

Il termine “leghe a memoria di forma” indica quei materiali metallici che possiedono la capacità di ripristinare la loro

configurazione iniziale se deformati e poi sottoposti ad appropriato trattamento termico.

Ci sono diverse leghe metalliche che esibiscono questo comportamento, tra le quali Au-Cd, Cu-Zn-Ni, Cu-Al-Ni e NiTi.

La lega SMA può essere lavorata utilizzando sia tecnologie do formatura a caldo che a freddo, come la forgiatura, la

laminazione, estruzione e trafilatura in fili.

Per impartire la memoria di forma desiderata, la lega è trattata termicamente nell’intervallo di temperatura 500-

800°C. durante il processo di trattamento termico, la SMA è mantenuta deformata nuovamente alla forma

desiderata. A questa temperatura il materiale ha una struttura cubica ordinata detta austenite. Una volta che il

materiale è raffreddato, la sua struttura cambia in una struttura a piani deformati a taglio, detta martensite.

Nello stato martensitico il materiale è molto facile da deformare mediante l’applicazione di uno sforzo per la

propagazione del bordo di simmetria. Se a questo stadio il carico viene rimosso, la deformazione nella martensite

rimane, dando l’impressione di una deformazione plastica. In ogni caso, dopo la deformazione nello stato

martensitico, il riscaldamento provocherà la trasformazione da martensite ad austenite con il recupero della forma

originale.

Le placchette di martensite cominciano a formarsi con continuità all’abbassarsi di T mentre regrediscono in

plac