Struttura e proprietà dei materiali

Capitolo 1: La struttura dei materiali

Materia: aggregato di atomi o molecole. Ha la proprietà intrinseca di avere massa. Gli stati di aggregazione sono:

• Solido (amorfo, cristallino, semicristallino)
• Liquido
• Gassoso

Macrostruttura

Si considera omogeneo. Isotropo se le proprietà sono le stesse in ogni direzione, sennò anisotropo.

Microstruttura

Singole fasi, porosità

Struttura atomica

Legami chimici

Atomi

Costituiti da protoni, neutroni ed elettroni. È costituito da un nucleo in cui vi sono protoni e neutroni attorno al quale vi è una nube di elettroni. Sono caratterizzati da un numero atomico (numero di protoni, pari al numero di elettroni) e da una massa atomica (masse di protoni e neutroni). Il movimento degli elettroni intorno al nucleo determina delle regioni di spazio chiamate "orbitali".

Classificazione dei materiali

I materiali compositi sono:

• Metalli e leghe (Fe, Al, Cu, acciaio, ghisa): hanno densità da 2–16 g/cm³, hanno fusione da 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 bassa–media.
• Polimeri (PE, PVC, PA, elastomeri): hanno densità da 1–2 g/cm³, hanno temperatura di fusione 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 densità da 2–17 g/cm³, hanno temperatura di fusione alta, alta durezza, scarsa lavorabilità, resistenza a trazione fino a 400 MPa, a compressione fino a 2500 MPa, sono isolanti e hanno eccellente resistenza chimica.

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.

Struttura della materia

• 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 a-direzionali
6. Energia complessiva dei singoli atomi è minore per i legami metallici
7. Energia minima tra gli atomi si ha alla distanza di equilibrio
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).

Densità di volume del metallo

Volume – Cella Unitaria / Massa – Cella Unitaria