Tecnologia dei materiali

02/06/2021

1 TECNOLOGIE DEI MATERIALI

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Introduzione alla scienza e tecnologia dei materiali

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CONCETTI BASE

SOSTANZA MATERIA MATERIA PRIMA MATERIALE

Qualità di materia con Tutto ciò che ha massa. Si intende quella fornita dalla Materia solida con cui possono essere costruiti

composizione chimica Le forme sotto cui si trova la natura e che, nei processi degli oggetti; può essere formato da più sostanze.

ben definita materia in condizioni naturali industriali, serve come partenza

sono: gassosa, liquida e solida per le successive lavorazioni Un materiale da costruzione deve avere proprietà che

gli permettono di resistere a sollecitazioni meccaniche,

chimiche e termiche; deve anche poter assumere la

forma e la dimensione di progetto, conservandole, una

volta messo in opera, con tolleranze definite

3 STRUTTURA PROPRIETÀ MATERIALE OMOGENEO

Tipo e ampiezza di risposta ad una Se è costituito da un’unica sostanza, oppure da più

Fa riferimento alla disposizione dei suoi specifica stimolazione esterna. sostanze "solubili" allo stato solido, che formano

componenti interni (atomi, molecole ecc.) a quindi un sistema monofasico

livello sia microscopico che macroscopico Le definizioni delle varie proprietà sono indipendenti dalla

dimensione e dalla forma del materiale (proprietà meccaniche,

MICROSTRUTTURA MATERIALE ETEROGENEO

elettriche, termiche, magnetiche, ottiche, durabilità)

PRESTAZIONI

Insieme delle caratteristiche geometriche e se costituito da componenti insolubili tra loro,

quantitative delle fasi presenti nel materiale, formanti quindi un sistema polifasico

compresi vuoti e difetti. È il risultato delle

modalità di produzione del materiale, delle Rendimento fornito dal materiale in una

lavorazioni e dei trattamenti subiti; determinata attività. Dipendono dalle proprietà

essa condiziona profondamente il

comportamento di un materiale

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"Poiché la realizzazione dei vari prodotti richiede l’impiego di materiali, i progettisti dovrebbero essere a

conoscenza della struttura interna e delle proprietà dei diversi materiali, in modo da poter scegliere il

materiale più adatto per ogni applicazione e sviluppare il miglior ciclo di produzione"

SCIENZA DEI MATERIALI TECNOLOGIA DEI MATERIALI

Conoscenza chimiche e fisiche che mettono in relazione Lo studio delle scienze applicate relative alla trasformazione

le proprietà di un materiale con la sua costituzione della materia in prodotti di impiego o di consumo

(struttura interna), potendo prevedere il comportamento

del materiale stesso in qualsiasi condizione d’impiego Tratta i processi per produrre materiali con determinate proprietà e

le lavorazioni che gli conferiscono forma e dimensioni di progetto

«LA TECNOLOGIA DEI MATERIALI è UNA

DISCIPLINA DI TRANSIZIONE TRA LE

SCIENZE DI BASE (meccanica, fisica,

chimica, matematica) E QUELLE APPLICATE

(ingegneria ecc.)»

5 CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI

3 grandi classi

MATERIALI METALLICI MATERIALI POLIMERICI MATERIALI CERAMICI

Elementi chimici a carattere metallico Composti organici macromolecolari, sintetici o naturali Sono costituiti da composti, prevalentemente ossidi e/o silicati

Buoni conduttori del calore e dell’elettricità. Densità relativamente bassa. Rammolliscono o Duri, ma fragili.

Dotati di lucentezza superficiale «metallica» (fino a bruciano per aumento della temperatura. Hanno Non conducono né il calore né la corrente elettrica.

quando non subentra l’ossidazione). scarsa stabilità dimensionale. Non si ossidano.

Hanno buona resistenza meccanica e sono Sono facilmente modellabili. (Gomma, legno, Resistono ad alte temperature.

modellabili per lavorazione plastica. adesivi, polimeri, resine ecc.) Cemento, gesso, vetro, ceramici tradizionali ( «chimica del Si,

«chimica del C e H», O, S, N… O») (mattoni, piastrelle, porcellane ecc.), ceramici avanzati.

Suddivisi in

Metallici ferrosi Metallici non ferrosi

(ferro, acciai e ghise) (alluminio, rame,

ottoni ecc.)

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NUOVE CLASSI DI MATERIALI

MATERIALI COMPOSITI MATERIALI SEMICONDUTTORI BIOMATERIALI

Formati da più di un tipo di materiale Sono utilizzati negli impianti inseriti nel

Hanno proprietà elettriche intermedie tra i corpo umano

conduttori elettrici e gli isolanti.

Sono estremamente sensibili alla presenza

Progettati per ottenere la migliore di minime concentrazioni di impurezze

combinazione delle proprietà dei Non devono produrre sostanze tossiche e

diversi materiali componenti devono essere compatibili con il tessuto umano

Hanno reso possibili l’avvento dei circuiti

integrati rivoluzionando l’industria elettronica

Vetroresina (fibre di vetro annegate in

un materiale polimerico), dove le fibre

di vetro danno resistenza e flessibilità al

materiale polimerico

Classificazione dei materiali solidi in base alle proprietà che ne caratterizzano l’impiego

Per applicazioni

Conduttori, Luminescenti etc

Materiali Per l’elettronica Resistenti alla

biomediche

semiconduttori,

magnetici corrosione

isolanti

7 MATERIALI PER IL FUTURO

Basso costo Prestazioni Basso impatto Basso consumo Riciclabilità

elevate ambientale energetico

(produzione +

esercizio)

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TECNOLOGIE DEI MATERIALI

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Struttura degli atomi e legami chimici

9 DEFINIZIONI GENERALI RELATIVE ALL’ATOMO

ATOMO

Unità di base di tutta la materia

Le tre principali particelle subatomiche che lo formano:

Protoni

• Neutroni

• elettroni

•

NUMERO ATOMICO MASSA ATOMICA RELATIVA UNITÀ DI MASSA GRAMMOMOLE O MOLE

DI UN ELEMENTO ATOMICA DI UN ELEMENTO

Numero di protoni nel nucleo Massa in grammi di 6,023 x Definita come un dodicesimo Quantità di tale elemento che ha

dell’atomo di un elemento atomi ( numero di della massa di un atomo di una massa, espressa in grammi,

10

Avogadro ) di tale elemento carbonio ( protoni e 6 neutroni ) pari alla massa atomica molare

relativa di quell’elemento

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STRUTTURA ELETTRONICA DEGLI ATOMI

Modello della meccanica quantistica – modello di Bohr

Ramo della fisica nel quale i sistemi in esame possono avere solo dei valori discreti ammissibili di energia, separati da regioni proibite

MODELLO MECCANICO-ONDULATORIO Principio di indeterminazione di Heisenberg

È impossibile determinare con accuratezza nello stesso istante la posizione e il momento di

una piccola particella, come un elettrone

Concetto probabilistico della "densità di nuvola di carica elettronica"

ORBITALE

Confronto tra il modello di Bohr (a) e il modello meccanico

ondulatorio (b) in termini di distribuzione elettronica

11 ORBITALI ATOMICI

Valori possibili per i numeri quantici atomici

Principio di esclusione di Pauli

Due elettroni non possono mai avere gli stessi valori dei quattro numeri quantici

CONFIGURAZIONE ELTTRONICA DEGLI ATOMI

Principio di Hund o della massima molteplicità di spin

Il riempimento degli orbitali atomici avviene in modo che ciascuno degli orbitali isoenergetici (p, d, f) viene

dapprima occupato da un solo elettrone, e poi, una volta completato il mezzo riempimento, gli elettroni residui

occupano uno alla volta gli orbitali già mezzi riempiti

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TAVOLA PERIODICA

13 DIMENSIONI ATOMICHE E IONI

«ciascun atomo può essere considerato in prima approssimazione come una sfera di raggio definito. Il raggio non è una costante ma

dipende in una certa misura dalle condizioni al contorno (es: si immagini un atomo in una certa matrice cristallina)» W.F. Smith

Tavola periodica delle dimensioni atomiche e ioni

Sodio-ione perde l’elettrone e cloro-ione acquista l’elettrone

quindi si riduce il raggio e quindi aumenta il raggio

atomico atomico

«la dimensione atomica rappresenta un fattore importante nello studio della diffusione degli atomi nelle leghe metalliche» W.F. Smith

La dimensione atomica è un parametro importante nella definizione delle soluzioni solide interstiziali e sostituzionali

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ELEMENTI ELETTROPOSITIVI ED ELETTRONEGATIVI

Tavola periodica dell’elettronegatività

«gli elementi elettropositivi hanno natura metallica e liberano elettroni nelle reazioni chimiche producendo ioni positivi o cationi. Gli

elementi elettronegativi hanno natura non metallica e accettano elettroni nelle reazioni chimiche producendo ioni negativi o anioni»

«L’elettronegatività è definita come il grado di attrazione degli elettroni da parte di un atomo. Questo concetto aiuta nella comprensione

della formazione dei legami fra gli elementi chimici» W.F Smith Gli elementi con elettronegatività

più alta si trovano in alto a destra

15 LEGAMI ATOMICI E MOLECOLARI

Il legame chimico tra gli atomi avviene perché vi è una netta diminuzione dell’energia potenziale degli atomi nello stato legato

LEGAMI ATOMICI PRIMARI LEGAMI ATOMICI E MOLECOLARI

(legami forti) SECONDARI

Sono coinvolte forze interatomiche Sono coinvolte forze interatomiche

relativamente elevate relativamente deboli (< 10 kcal/mol)

LEGAMI IONICI LEGAMI COVALENTI LEGAMI METALLICI LEGAMI A DIPOLO LEGAMI A DIPOLO

PERMANENTE FLUTTUANTE (Forze di Van

Der Waals)

Forze di natura coulombiana Le forze si originano dalla Gli atomi mettono in comune Si generano delle forze Delle attrazioni coulombiane

che comportano attrazione tra condivisione di elettroni. gli elettroni in modo coulombiane tra dipoli permanenti deboli si possono generare per la

ioni di carica opposta, generati Legame di tipo direzionale. delocalizzato generando presenti nella molecola, dove si temporanea formazione di dipoli

dal trasferimento di elettroni (energia legame covalente 100 legami forti non direzionali trovano atomi a diversa determinata dall’asimmetria di

da un atomo all’altro. kcal/mol) elettronegatività e/o per una certa carica elettronica; quest’ultima

Legame non direzionale asimmetria della densità di varia continuamente e rende così

elettroni su di essa questo legame fluttuante

Il legame a idrogeno è un caso particolare dell’interazione

permanente dipolo-dipolo e si genera tra un legame

polare contenente un atomo H (es O-H, N-H) e altri atomi

particolarmente elettronegativi (O.N e F)

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TECNOLOGIE DEI MATERIALI

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Stato solido

17 SOLIDI CON STRUTTURA ORDINATA

CRISTALLO

Definizione

Corpo solido delimitato da facce regolari e simmetriche

SOLIDI CRISTALLINI

Definizione

Atomi/ioni/molecole sono presenti secondo una disposizione ripetitiva

Gli atomi o gli ioni di questo tipo di solido formano un nelle tre dimensioni dello spazio allora formano

reticolo cristallino SOLIDO CRISTALLINO O MATERIALE CRISTALLINO

Dove ogni punto ha gli stessi punti prossimali

Oppure si può dire che ogni punto ha lo stesso

intorno/scenario/ambiente

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SISTEMI CRISTALLINI E RETICOLI DI BRAVAIS

Per dare origine a tutti i tipi di reticolo

All’interno di ogni sistema sono possibili diverse celle elementari,

Sono necessari 7 sistemi cristallini per descrivere tutti i solidi sono sufficienti 14 celle elementari

a) DISPOSIZIONE ATOMICA DELLA CELLA

Rappresentazioni diverse ELEMENTARE

della cella elementare CFC b) CELLA ELEMENTARE A SFERE RIGIDE

c) CELLA ELEMENTARE ISOLATA

19 PRINCIPALI STRUTTURE CRISTALLINE METALLICHE

I solidi metallici cristallizzano principalmente con tre tipi di strutture cristalline di tipo compatto

CCC EC

CFC

CUBICA A CORPO CENTRATO ESAGONALE COMPATTA

CUBICA A FACCE CENTRATE N. Di atomi nell’intorno di ogni atomo= 12

N. Di atomi nell’intorno di ogni atomo= 8 N. Di atomi nell’intorno di ogni atomo= 12 N. Atomi/cella elementare= ½ x 2 (alle basi) + 12

N. Atomi/cella elementare= 1 (al centro) + 8 x 1/8 (agli N. Atomi/cella elementare= ½ x 6 (alle facce) + 8 x 1/8 x 1/6 (agli spigoli) + 3 (all’interno)= 6

spigoli)= 2 (agli spigoli)= 4

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RAPPRESENTAZIONE DELLE STRUTTURE CRISTALLINE COMPATTE ALTRE RAPPRESENTAZIONI DELLE STRUTTURE CRISTALLINE

CFC ED EC CON GLI ATOMI APPROSSIMATI A "SFERE RIGIDE" COMPATTE CFC ED EC

ALTRE RAPPRESENTAZIONI DELLE STRUTTURE CRISTALLINE

COMPATTE CFC, EC e CCC

21 DISTANZE RETICOLARI

SOLIDO CRISTALLINO d1,d2,d3… in genere si indicano

Caratterizzato da diverse serie di piani paralleli a cui corrispondono con dove h,k e l si chiamano

distanze reticolari (d1,d2,d3…ecc.) che sono tipiche di quel solido INDICI DI MILLER

ANALISI DELLA STRUTTURA CRISTALLINA Può essere eseguita su

polveri o su pezzi di

TRAMITE L’ANALISI DIFFRATTOMETRICA A RAGGI X materiale con una

superficie piana

Permette di identificare le componenti cristalline presenti in un

materiale solido e di analizzarne la struttura. Essa è resa possibile

dall’intrinseco ordine interno presente nei solidi cristallini

Diffrazione dei Raggi X

Onde non in fase non danno segnali al rilevatore

• ⇒ Questo fenomeno avviene perché queste radiazioni

Onde in fase danno segnali al rilevatore

• ⇒ elettromagnetiche hanno una lunghezza d'onda paragonabile alla

distanza interplanare degli atomi nei solidi cristallini. Quando un fascio

La differenza di cammino ottico tra le due onde è pari a MP+PN di Raggi X colpisce un solido cristallino, possono essere prodotti dei

picchi di diffrazione rinforzati di radiazioni di varie intensità

Per la legge di Bragg il cammino ottico deve essere uguale a un

numero intero di lunghezza d’onda

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Differenza tra diffrattogramma di un solido cristallino e di una struttura amorfa

Potrebbe rappresentare il plexiglass o

il vetro

23 TEMPERATURA DI FUSIONE E TEMPERATURA DI TRANSIZIONE VETROSA

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ANISOTROPI

ISOTROPI

Corpi che non presentano differenze di Corpi per i quali i valori delle grandezze che li

comportamento dipendenti dalla direzione in caratterizzano variano con la direzione

cui vengono testati QUASI TOTALITÀ DEI MATERIALI DI

INTERESSE TECNOLOGICO

I materiali amorfi (vetri e maggior parte dei I MONO-CRISTALLI sono intrinsecamente

I materiali POLICRISTALLINI (metalli, granito,

polimeri) sono sempre isotropi perché il anisotropi, perché la periodicità delle posizioni

ecc.) risultano isotropi su scala macroscopica,

disordine molecolare è statisticamente reticolari è diversa a seconda della direzione.

perché i microcristalli o sono orientati in ogni

riproducibile in ogni direzione Quindi le loro proprietà fisiche variano con la

modo possibile direzione

Si ottengono con una solidificazione molto lenta del

fuso attorno ad un unico nucleo di cristallizzazione

25 POLIMORFISMO O ALLOTROPIA

Indica che molti elementi e composti, in differenti condizioni di

temperatura e pressione, esistono in più di una forma cristallina (Concentrazione di B)

DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO

Fenomeno spontaneo di trasporto di materia

Quando all’interno di un materiale ci sono

differenze di concentrazione di un suo

componente

Il trasporto tende a minimizzare le differenze

nonostante allo stato solido gli atomi tendano a

conservare e loro posizioni reticolari

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TECNOLOGIE DEI MATERIALI

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Solidificazione e difetti dei cristalli

27 Solidificazione e difetti dei cristalli

SOLIDIFICAZIONE DI UN SOLUZIONI SOLIDE DIFETTI DIFFUSIONE

SOLIDO POLICRISTALLINO METALLICHE CRISTALLINI ATOMICA NEI SOLIDI

Difetti di punto Meccanismo di diffusione

Nucleazione Crescita dei nuclei e Soluzione solida Vacanza per vacanza o sostituzionale

•

(Favorita dal grado di struttura grani sostituzionale autointerstiziale

•

sottoraffreddamento) (struttura a grani fini per

la resistenza) Meccanismo di diffusione

Soluzione solida Difetti di linea interstiziale

interstiziale Dislocazione spigolo

•

Grani colonnari

Omogenea Dislocazione A vite

• Dislocazione mista

•

Eterogenea Grani equiassici Difetti di superficie

bordi di grano

•

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SOLIDIFICAZIONE DI UN SOLIDO POLICRISTALLINO

2 fasi

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NUCLEAZIONE CRESCITA DEI NUCLEI A FORMARE CRISTALLI E

Formazione di nuclei stabili di solidificazione FORMAZIONE STRUTTURA A GRANI

OMOGENEA ETEROGENEA

29 NUCLEAZIONE OMOGENEA

Avviene in metallo fuso quando gli atomi formano nuclei di cristallizzazione

Favorita da un elevato grado si sottoraffreddamento al di sotto della temperatura di equilibrio per permettere che si formino i primi nuclei

omogenei che sono prodotti dal legame che si origina tra atomi soggetti ad un lento movimento (dovuto al sottoraffreddamento)

AGGLOMERATI DI ATOMI (NUCLEI OMOGENEI)

Nucleo Embrione

Quando la dimensione supera Quando la dimensione dei nuclei

una dimensione critica legati tra loro non supera la

dimensione critica

Non sono stabili e non

danno origine ai cristalli

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NUCLEAZIONE ETEROGENEA

Avviene sulle pareti della forma, su impurezze insolubili oppure su agenti inoculanti

che abbassano l’energia libera critica richiesta per formare un nucleo stabile

L’energia di superficie richiesta per la nucleazione eterogenea è minore rispetto alla nucleazione omogenea

Non c’è bisogno di un elevato sottoraffreddamento perché il sottoraffreddamento è già accentuato in

queste condizioni reali di non equilibrio termico

Nei processi industriali si ha più spesso una nucleazione eterogenea

31 CRESCITA DEI NUCLEI A FORMARE CRISTALLI E FORMAZIONE STRUTTURA A GRANI

Nella solidificazione si formano numerosi CRISTALLI A ORIENTAZIONE DIFFERENTE che danno origine ad un materiale

POLICRISTALLINO. I cristalli veng