Struttura e proprietà dei materiali

CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI

I materiali COMPOSITI sono:

• METALLI E LEGHE (Fe, Al, Cu, acciaio, ghisa): hanno densità da 2­16 g/ , hanno fusione da

3

c m

basso ad alto, hanno durezza media, hanno buona lavorabilità, resistenza sia a trazione che a

compressione di 2500 MPa, sono conduttori e hanno resistenza chimica bassa­media.

• POLIMERI (PE, PVC, PA, elastomeri): hanno densità da 1­2 g/ , hanno temperatura di fusione

3

c m

bassa, durezza bassa, buona lavorabilità, resistenza a trazione fino a 120 MPa e a compressione fino

a 350 MPa, sono isolanti e hanno buona resistenza chimica.

• CERAMICI (vetri, laterizi): hanno densitàè da 2­17 g/ , hanno temperatura di fusione alta, alta

3

c m

durezza, scarsa lavorabilità, resistenza a trazione fino a 400 MPa, a compressione fino a 2500 MPa,

sono isolanti e hanno eccellente resistenza chimica.

Esistono tre tipi di legami:

• LEGAMI IONICI: si formano tra due elementi atomici diversi, caratterizzati da una forte differenza

di elettronegatività. L’elemento meno elettronegativo, trasformandosi nel relativo catione (ione

positivo) trasferisce uno o più elettroni a un elemento più elettronegativo che si trasforma nel

relativo anione (ione negativo).

• LEGAMI COVALENTI: tra due atomi con modeste differenze di elettronegatività. Gli atomi

mettono in comune uno o più elettroni esterni, al fine di raggiungere la configurazione dei gas nobili.

• LEGAMI METALLICI: gli elementi metallici, allo stato solido, formano strutture nelle quali gli ioni

costituiti dai nuclei e dagli elettroni vincolati si dispongono secondo un reticolo cristallino

tridimensionale, mentre gli elettroni più esterni vengono messi in condivisione.

La materia può avere struttura:

• CRISTALLINA: particelle disposte ordinatamente nello spazio, anisotropia, temperatura di fusione

ben definita (ionici, covalenti, metallici)

• AMORFA: particelle disposte disordinatamente nello spazio, isotropia, temperatura di fusione non

ben definita.

SOLIDI IONICI

Nei nodi del reticolo cristallino, si alterano con regolarità ioni positivi e negativi.

1. Temperatura di fusione relativamente alta

2. Fragilità alla trazione

3. Sfaldamento diagonale rispetto ai piani reticolari, poiché lo sfaldamento parallelo ai piani

genererebbe repulsione fra ioni dello stesso segno

4. Allo stato fuso conducono la corrente elettrica

5. Solubili in acqua

6. In soluzione acquosa conducono la corrente

7. Sono duri, rigidi, resistenti e fragili

8. Eccellenti isolanti

SOLIDI COVALENTI

Nei nodi del reticolo cristallino dei solidi covalenti sono presenti gli atomi legati con legame covalente.

1. Temperatura di fusione molto alta

2. Grande durezza

3. Isolanti o semiconduttori

4. Insolubili in acqua

Il legame covalente è molto forte, per cui i reticoli covalenti sono difficili da rompere. Ciò spiega perché

questi solidi hanno temperature di fusione alte. Sono legami fortemente direzionali, da ciò deriva la durezza

dei solidi covalenti.

SOLIDI METALLICI

1. Atomi nei metalli sono impacchettati in una struttura cristallina

2. Elettroni di valenza legati debolmente sono attratti verso il nucleo di altri atomi

3. Elettroni si disperdono tra gli atomi formando una nube elettronica

4. Questi elettroni liberi sono la ragione della conducibilità elettrica e della duttilità

5. Poiché gli elettroni più esterni sono condivisi con gli atomi, i legami metallici sono a­direzionali

6. Energia complessiva dei singoli atomi è minore per i legami metallici

7. Energia minima tra gli atomi si ha alla distanza di equilibio

8. Minore è il numero di elettroni di valenza coinvolto, più il legame è metallico

9. Maggiore è il numero di elettroni di valenza coinvolto, maggiore è l’energia del legame

10. L’energia di legame e il punto di fusione dei metalli variano molto a seconda del numero di elettroni

di valenza e la percentuale di legame metallico

11. I metalli puri sono significativamente più malleabili dei metalli ionici o covalenti

12. La resistenza meccanica di un metallo puro può essere significativamente aumentata mediante

formazione di lega

13. I metalli puri sono eccellenti conduttori di calore e elettricità

STRUTTURE AMORFE E CRISTALLINE

STRUTTURA CRISTALLINA: atomi disposti in configurazioni ripetitive 3D con ordine a lungo raggio

RETICOLO SPAZIALE: rete immaginaria di linee con atomi all’intersezione delle linee. Rappresenta la

disposizione degli atomi.

CELLA UNITARIA: blocco di atomi che si ripete per formare il reticolo spaziale.

Bravais ­> 14 celle unitarie che descrivono tutte le possibili reti di reticolo cristallino. I quattro fondamentali

sono:

1. Semplice

2. A corpo centrato

3. A facce centrate

4. A basi centrate

PRINCIPALI STRUTTURE CRISTALLINE METALLICHE

Il 90% dei metalli hanno struttura cristallina:

• CCC (cubica a corpo centrato)

• CFC (cubica a facce centrate)

• EC (esagonale compatta) più densa della semplice struttura cristallina esagonale

STRUTTURA CCC

Un atomo ad ogni spigolo di un cubo e uno al centro del cubo. Ogni atomo ha 8 atomi vicini (numero di

coordinazione = 8). Es: cromo, ferro, sodio.

STRUTTURA CFC

Rappresentata come un singolo atomo ad ogni spigolo del cubo e uno al centro di ogni faccia del cubo

(numero di coordinazione = 12). Fattore di impaccamento atomico è 0.74. es: alluminio, oro.

STRUTTURA EC

Atomo in ognuno dei 12 angoli di un prisma esagonale, due atomi sulla faccia superiore ed inferiore e tre

all’interno tra la faccia superiore ed inferiore. Numero di coordinazione = 12, APF (fattore di impaccamento

atomico) = 0.74.

CONFRONTO CFC – EC

Entrambe sono fortemente impaccate e hanno stesso APF, il CFC è fortemente impaccato nel piano (1,1,1)

mentre EC nel piano (0,0,0,1).

Considera un piano di atomi A, un altro piano B è posto sui vuoti di “a”. Il terzo piano è posto sui vuoti “b”

(cristallo EC). Il terzo piano di atomi è posto sui vuoti “a” del piano B (CFC).

DENSITA’ DI VOLUME DEL METALLO

V o l u m e−C e l l a U ni t a r i a

¿¿

M a s s a−C e l l a U ni t a r i a

DENSITA’ ATOMICA PLANARE '

n u m e r o e q u iv a l e n t e d i a t o mi i c u i c e nt ri s o n o i n t e r s e c a t i d a u n a re a se l e zi o n a t a

ρ =

p a r e a s e l e zi o n a t a

DENSITA’ ATOMICA LINEARE numero diametri a omic nters cati d una li e di lunghez a not el a direz on di nter s

ρ =

l l unghe z a de l a i ne s l e z i onat

POLIMORFISMO O ALLOTROPIA

E’ il fatto che i metalli esistono in più forme cristalline. La temperatura e la pressione provocano

cambiamenti nelle forme cristalline (es: ferro).

MICROSTRUTTURE DI EQUILIBRIO

FASE: porzione omogenea di un sistema chimico­fisico eterogeneo identificabile in base al suo stato fisico e

alla sua struttura interna.

VARIANZA: numero di parametri di equilibrio che si possono far variare senza che cambi il numero delle

fasi del sistema. v s e p=c o s t a l l o r a 1

=C +2 ( )−f

i

Dove v è la varianza, il numero degli elementi miscelati ed f il numero di fasi. Solitamente la pressione è

C i

costante, quindi rimane solo la variabile fisica della temperatura.

• Se sistema bivariante

f =1 →v =2

• Se sistema monovariante

f =2 →v =1

• Se sistema invariante

f v=0

=3 →

DIAGRAMMI DI STATO BINARI

Tracciati a pressione costante, riportando sull’asse delle ascisse la composizione della miscela e sulle

ordinate la temperatura. Consentono di valutare quante sono le fasi presenti, quali sono, la loro composizione

e la quantità relativa ad ogni fase.

MISCIBILITA’ COMPLETA

Diagramma di stato di una miscela di metalli puri A e B completamente miscibili allo stato liquido e allo

stato solido.

REGOLA DELLA LEVA: calcolare la quantità ponderale delle fasi presenti. Ad ogni T, la % in peso di una

fase è pari al rapporto fra il braccio di leva opposto al punto rappresentativo di tale fase e la lunghezza totale

della leva. a

L= x 100

a+ b

b

α x 100

= a+ b

TRASFORMAZIONE EUTETTICA

Diagramma di due metalli completamente miscibili allo stato liquido e parzialmente allo stato solido con

presenza di una trasformazione eutettica. Si possono formare due soluzioni solide:

• ricca di A

α

• ricca di B

β

Si hanno leghe che solidificano a temperature inferiori di quelle dei due metalli che le formano. Lungo la

linea 1­E­2 sono presenti tre fasi (invarianza del sistema).

IMMISCIBILITA’ COMPLETA

Diagramma di due metalli completamente miscibili allo stato liquido e completamente immiscibili allo stato

solido.

TRASFORMAZIONE PERITETTICA

Prevede che la fase solida preformata interagisca con la fase liquida L formando una nuova fase solida .

β α

Nella linea di composizione peritettica sono sempre presenti tre fasi:

• liquido di composizione peritettica (P)

• fase solida α

• fase solida β

A seconda della composizione media della lega, al termine della trasformazione potrà restare un eccesso di

fase L o . Al termine sono presenti tre fasi (sistema invariante).

β

CAPITOLO 2

PROPRIETA’ MECCANICHE

Quando su un corpo agisce una forza esterna, o una forza generata dal suo interno, si genera una risposta in

funzione delle proprietà meccaniche. Esse dipendono da:

• entità della forza

• tipo di materiale

• geometria del corpo

• tempo di applicazione

• condizioni al contorno

REAZIONE DI UN MATERIALE

1. DEFORMAZIONE ELASTICA: se la forza è sufficientemente piccola, il corpo si deforma ma la

variazione delle sue dimensioni è temporanea e completamente recuperata alla rimozione della forza.

2. DEFORMAZIONE PLASTICA: aumentando la forza, può aver luogo una deformazione maggiore

che non viene più recuperata.

3. ROTTURA: vengono applicate forze sufficientemente elevate da creare nuove superfici.

TIPI DI SOLLECITAZIONE SEMPLICE

• Trazione (tirare)

• Compressione (schiacciare)

• Flessione

• Torsione

• Taglio

I tipi di applicazione del carico sono:

• STATICO: viene applicato un carico costante o lentamente crescente nel tempo

• CICLICO/DINAMICO: il carico viene fatto variare tra un valore minimo e un valore massimo per

un numero di volte elevato

• AD URTO: carico è applicato molto rapidamente per verificare la capacità del materiale di assorbire

l’energia d&r