Teconologia dei materiali - Riassunto per esame

i legami chimici influiscono nella composizione nel

MATERIALE: Aggregato di atomi, ioni o molecole PROPRIETA’ DEI MATERIALI:

• comportamento e nella geometria del materiale

che, grazie alla presenza di legami interatomici e/o Proprietà chimiche: caratterizzano il LEGAMI ATOMICI PRIMARI O FORTI:

intramolecolari è in grado di opporre una reazione comportamento del materiale in un  IONICO

a stimoli chimici, fisici e alle sollecitazioni ambiente più o meno aggressivo;  COVALENTE

•

meccaniche, tale da consentirne l’impiego per la Proprietà meccaniche: resistenza ad una  METALLICO

fabbricazione di oggetti, strutture e dispositivi utili determinata forza;

•

all’uomo Proprietà fisiche: misurano il LEGAMI ATOMICI SECONDARI O DEBOLI:



comportamento dei materiali sotto l’azione LEGAME DI VAN DER WAALS



della temp., della luce ecc. LEGAME IDROGENO

LEGAME IONICO: caratteristico dei ceramici,

SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI: la scienza avviene tra atomi con forti differenze di

dei materiali riguarda essenzialmente lo studio elettronegatività, uno con tendenza a perdere,

delle conoscenze di base dei materiali, mentre la l’altro ad acquistare elettroni. Per cui alcuni atomi si

tecnologia dei materiali è volta in primo luogo caricheranno negativamente e altri positivamente.

all’utilizzo delle conoscenze applicate ad essi • Legame molto forte;

relative • Non direzionale (si legano anche atomi

PROCESSO: Un processo è un metodo di formatura, CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI: vicini).

unione o finitura di un materiale. Ce ne sono • Metallici e leghe: (Fe, Al, Cu, acciai…); Elevata durezza e punto di fusione. Devo fornire

centinaia. E' importante scegliere il giusto processo •

Ceramici: (calce, , SiC);

2 3 tanta energia per rompere i legami.

sin dall’inizio, prima che il rapporto costo iniziale- • Polimerici: (PE, PVC, nylon)

costo di modifica diventa grande. Per un dato • LEGAME COVALENTE: caratteristico dei polimeri; gli

Compositi: sono una classe a parte.

componente, si sceglie un processo in base al elettroni degli atomi si ripartiscono su orbitali

Provengono dall’unione di più materiali

materiale di cui è fatto, alla sua forma, alla sua comuni a i 2 eventuali atomi. L’energia del sistema

dimensione e in base al tipo di uso che se ne deve è molto bassa per cui è un legame molto stabile.

fare.  Legame molto forte;

 Direzionale (diretto lungo la congiungente i

MONOCRISTALLI sono materiali nei quali l’ordine

: due atomi).

atomico si estende ininterrottamente. Alto punto d fusione, difficoltà di deformazione,

poco conduttore.

POLICRISTALLI: la gran parte dei solidi cristallini è LEGAME METALLICO: caratteristico dei metalli; gli

policristallina, essendo composta da numerosi elettroni vengono messi in condivisione con tutti gli

piccoli cristalli o grani che hanno differente altri atomi del legame, per cui sono liberi di

orientamento cristallografico. muoversi su tutto il materiale.

BORDO DI GRANO: è la regione di spazio che  Legame forte;

separa due grani, dove gli atomi occupano posizioni  Non direzionale.

non regolari di equilibrio. Alta conducibilità, duttili, solubili.

POLIMORFISMO E ALLOTROPIA: il polimorfismo si

MATERIALI METALLICI

STRUTTURA DEI SOLIDI CRISTALLINI riferisce al fatto che un dato materiale può avere

I materiali solidi possono essere classificati in base Nei metalli gli elettroni vanno a piazzarsi in modo da dar più di una struttura cristallina (ad es. variando la T o

alla regolarità con cui gli atomi o gli ioni si luogo al minimo dell’energia interna e si ordinano per la P). L’allotropia è il polimorfismo che si riscontra

dispongono nello spazio gli uni rispetto agli altri. occupare meno spazio possibile. Le strutture cristalline nei solidi elementari.

SOLIDI CRISTALLINI: gli atomi sono disposti in modo possibili nei metalli sono tre:

•

ripetitivo, con un ordine che si mantiene su grandi CUBICA A FACCE CENTRATE (CFC); STRUTTURA AMORFA

• CUBICA A CORPO CENTRATO (CCC);

distanze (atomiche). Tutti i metalli, diversi materiali • ESAGONALE COMPATTA (EC). Per materiale amorfo intendiamo una sostanza priva di

ceramici e alcuni polimeri formano strutture struttura cristallina in cui perciò è assente ordine a lungo

cristalline (che ne caratterizzano alcune proprietà). FATTORE DI COMPATTAZIONE ATOMICA: spazio raggio. La condizione di solido amorfo si ha quando un

CELLA UNITARIA: è la più piccola unità ordinata effettivamente occupato dagli atomi in relazione materiale, come ad esempio il vetro, soggetto a

ripetitiva per la costruzione dei sistemi cristallini. allo spazio della cella. raffreddamento, raggiunge una temperatura inferiore a

SISTEMI CRISTALLINI: le strutture cristalline sono quella di solidificazione troppo velocemente per

=

suddivise in gruppi detti sistemi cristallini in base permettere alla struttura cristallina di formarsi.

alla geometria della cella unitaria, NUMERO DI COORDINAZIONE (NC): numero di

indipendentemente dalla posizione degli atomi DIREZIONI E PIANI CRISTALLOGRAFICI

atomi uguali vicini a uno dato.

all'interno della cella. La geometria della cella Nel trattare i materiali cristallini, risulta spesso

unitaria è definita da 6 parametri reticolari (a, b, c, CUBICA A FACCE CENTRATE (CFC): c’è un atomo per necessario specificare un particolare punto all’interno

α, β, γ). Basandosi su queste definizioni, si possono ogni vertice del cubo e uno per ogni faccia. della cella unitaria, una certa direzione cristallografica o

•

individuare 7 sistemi cristallini e 14 reticoli di Ha 4 atomi per cella; alcuni piani cristallografici degli atomi. Essi vengono

•

Bravais. Ha un FCA=0.74 (ottimizza molto bene lo descritti mediante indici. La base per la determinazione

spazio) di ciascun indice è un sistema di assi coordinati, definiti,

• NC=12. per la particolare struttura cristallina, dalla cella unitaria.

PUNTI CRISTALLOGRAFICI: la posizione di un punto

CUBICA A CORPO CENTRATO (CCC): c’è un atomo all’interno di una cella unitaria viene individuata

per ogni vertice del cubo e uno al suo interno.

• dalle coordinate, che sono multipli frazionari delle

Ha 2 atomi per cella;

• lunghezze degli spigoli della cella.

FCA=0.68;

• DIREZIONI CRISTALLOGRAFICHE: sono calcolati in

NC=8. base alle proiezioni dei vettori direzione su ciascuno

ESAGONALE COMPATTA (EC): prisma a base degli assi coordinati.

esagonale. Ha atomi ai vertici, uno al centro di ogni PIANI CRISTALLOGRAFICI: gli indici di un piano (o

faccia di base e tre atomi interamente all’interno indici di Miller) sono determinati dai reciproci delle

del solido. intersezioni del piano con gli assi.

1

 Atomi per cella = 3 al centro + base +

2 Per le celle unitarie esagonali si è trovato più conveniente

1 1

base + ai vertici = 6 atomi introdurre uno schema a 4 indici sia per le direzioni che

2 6

 FCA=0.74; NC=12. per i piani.

DIFETTI PUNTUALI: interessano uno o due posizioni struttura cristallina originaria e non si formano

DENSITA’ atomiche. I difetti di punto sono: nuove fasi.

=

DENSITA’ TEORICA DEI METALLI: •

VACANZE; ATOMO INTERSTIZIALE: gli atomi di impurezza

• n= n° di atomi associati a ogni cella unitaria; • AUTOINTERSTIZIALI; riempiono i vuoti o gli interstizi presenti tra gli

• A= peso atomico; • ATOMI INTERSTIZIALI; atomi ospitanti. Per i materiali metallici, dato che

• = volume della cella unitaria; • ATOMI SOSTITUZIONALI. hanno un FCA relativamente elevato, queste

23

• = n° di Avogadro (6.022x10 atomi/mol) Questi ultimi due si trovano nelle soluzioni solide posizioni interstiziali sono relativamente piccole.

3 3

DENSITA’ ATOMICA VOLUMETRICA :

(Mg/ - g/ ) VACANZE: sito vacante del reticolo. È un posto ATOMO SOSTITUZIONALE: gli atomi di impurezza

( ) normalmente occupato mancante di un atomo. rimpiazzano o sostituiscono gli atomi ospitanti. La

=

( ) Presente in tutti i solidi cristallini. La presenza di solubilità può divenire apprezzabile solo quando i

vacanze aumenta l’entropia del cristallo. Il numero diametri atomici e l’elettronegatività dei due tipi di

Le equivalenze cristallografiche direzionali e planari di vacanze presenti all’equilibrio dipende dalla atomi sono simili, quando i due elementi hanno la

sono, rispettivamente, in relazione con le densità temperatura secondo l’equazione: stessa struttura cristallina e quando gli atomi di

atomiche lineari e planari impurezza hanno una valenza uguale o inferiore a

(− )

DENSITA’ ATOMICA LINEARE (atomi/mm): =

quella del materiale ospitante.

°

=

N = numero totale dei siti atomici;

ℎ DISLOCAZIONI O DIFETTI LINEARI: sono difetti

= energia richiesta per la formazione di una

cristallini monodimensionali. Possono essere:

2

DENSITA’ ATOMICA PLANARE (atomi/ ): vacanza;

° T = temperatura assoluta; •

= DISLOCAZIONI A SPIGOLO;

−23 −5 •

k = 1.38x10 J/atomo*K, 8.62x10 eV/atomo*K DISLOGAZIONI A VITE;

ANISOTROPIA: si intende il fatto che le proprietà di •

(costante di Boltzmann). DISLOCAZIONI MISTE.

un materiale dipendono dalla direzione AUTOINTERSTIZIALE: è un atomo del cristallo che DISLOCAZIONI A SPIGOLO: è un difetto lineare

cristallografica. viene stipato in un sito interstiziale, un piccolo centrato intorno alla linea che viene definita

ISOTROPIA: per i materiali isotropi le proprietà spazio vuoto che normalmente non viene occupato. dall’estremità del semipiano aggiuntivo di atomi.

sono indipendenti dalla direzione cristallografica in Nei metalli produce una distorsione abbastanza Questa linea è detta asse della dislocazione. Le

cui vengono misurate. grande nel reticolo circostante, in quanto l’atomo è distorsioni del reticolo si localizzano entro una

significativamente più grande dello spazio in cui si determinata area, intorno all’asse della

IMPERFEZIONE NEI SOLIDI viene a trovare. dislocazione. Gli atomi che si trovano al di sopra

dell’asse di dislocazione sono compressi fra loro e

LEGA: è una sostanza metallica composta da due o

Tutti i solidi contengono un gran numero di vari quelli al di sotto sono posti in trazione. Questo

più elementi.

difetti. L’effetto non è sempre negativo e spesso si effetto dà luogo ad una leggera curvatura dei piani

ottengono determinate caratteristiche verticali di atomi che si flettono intorno a questo

SOLUZIONE SOLIDA: quando ad un solido vengono

introducendo appositamente numeri controllati di aggiunti atomi di impurezza, si può formare una piano aggiuntivo. L’ampiezza di questa distorsione

difetti. soluzione solida; in tal caso viene mantenuta la diminuisce con la distanza dall’asse di dislocazione.

DISLOCAZIONE A VITE: può essere immaginata piani sono quelli a più alta densità atomica dato che

DIFFUSIONE

come una distorsione ottenuta applicando uno serve una minora energia per muovere gli atomi

È quel fenomeno di trasporto di materiale per

sforzo di taglio al reticolo; si ha cosi una regione di visto che sono più vicini.

movimento di atomi. Vi sono due tipi di diffusione

cristallo che risulta slittata di una distanza di atomi in un reticolo cristallino:

interatomica rispetto all’altra porzione. SCORRIMENTO NEI MONOCRISTALLINI: lo sforzo di

taglio richiesto per provocare scorrimento in un

• PER VACANZE O SOSTITUZIONALE;

DISLOCAZIONI MISTE: in un materiale cristallino si metallo puro monocristallino dipende da:

• INTERSTIZIALE.

trovano dislocazioni miste, cioè dislocazioni che • Struttura cristallina;

presentano sia componenti di dislocazione a spigolo •

DIFFUSIONE PER VACANZE: avviene tramite uno Natura dei legami;

che di dislocazioni a vite. •

scambio tra un atomo che risiede in una posizione Temperatura;

•

del reticolo cristallino e una vacanza adiacente. Alla Orientam. dei piani rispetto al carico applic.

VETTORE DI BURGERS “b”: specifica l’ampiezza e la diffusione degli atomi in una direzione corrisponde In generale con una sollecitazione di pura trazione

direzione di una distorsione del reticolo associata il movimento di vacanze in direzione opposta. si possono ottenere componenti di taglio in tutte le

ad una dislocazione. È perpendicolare/parallelo all’ direzioni (eccetto quelle parallele e perpendicolari

asse di dislocazione nelle dislocazioni a DIFFUSIONE INTERSTIZIALE: un atomo migra da

allo sforzo) dette SFORZI DI TAGLIO INDOTTI .

spigolo/dislocazioni a vite e né perpendicolare né

una posizione interstiziale ad un’altra adiacente

parallelo ad esso nelle dislocazioni miste. vuota.

DIFETTI INTERFACCIALI O DI SUPERFICIE: sono aree DIFFUSIONE STAZIONARIA: si ha quando il flusso di

di confine che hanno due dimensioni e diffusione non varia nel tempo.

normalmente separano regioni di materiali che DIFFUSIONE NON STAZIONARIA: si ha quando in un

hanno differente struttura cristallina e/o differente determinato punto all’interno del solido il flusso di

orientazione cristallografica. Sono: diffusione e il gradiente di concentrazione variano

• BORDI DI GRANO nel tempo, portando ad un accumulo o ad un

impoverimento delle specie che diffondono.

BORDI DI GRANO: è la regione di spazio che separa

due grani. Qui si verifica un certo grado di FATTORI CHE INFLUISCONO LA DIFFUSIONE: il

irregolarità nella distanza interatomica di equilibrio valore del coefficiente di diffusione è indicativo

tra due grani adiacenti che hanno differente della velocità di movimento degli atomi e dipende

orientazione cristallografica.

LEGGE DI SCHMIDT: Sia l’angolo tra la direzione

fortemente sia dalle specie che diffondono dia dalla dello sforzo e la normale al piano;

temperatura. Il coefficiente di diffusione è funzione

È più facile ottenere dislocazioni in un materiale

sia l’angolo tra la direzione dello sforzo e la

della temperatura.

con bordi di grano grandi che in quelli con bordi di direzione di scorrimento;

grano piccoli perché essi bloccano le dislocazioni SISTEMI DI SCORRIMENTO: le dislocazioni

= = =

allora lo sforzo di taglio indotto

dato che si ha l interruzione di una struttura

⁄

provocano spostamenti degli atomi lungo specifici

cristallina.

piani cristallini di scorrimento e in specifiche =

direzioni cristallografiche di scorrimento. Questi

dove è lo sforzo applicato.

•

Sapendo questo si nota che: ELASTICA (reversibile); basso modulo di Young, sono i polimerici. Invece i

• •

A 0° e a 90° non ho sforzo di taglio. I due PLASTICA (irreversibile); metalli e soprattutto i ceramici hanno poca

•

piani non si allontanano e non scorrono VISCOELASTICA (dipendente dal tempo). possibilità di deformarsi.

• A 45° si ha lo sforzo di taglio max. In campo elastico per piccole deformazioni, la legge

SFORZO NOMINALE:

Quindi inizieranno a scorrere prima i piani a 45°, gli di Hooke correla lo sforzo di taglio () alla

altri si muoveranno man mano che si aumenta il deformazione ():

6 2

= 10

[MPa] (1 MPa = N/ )

carico; ciò spiega la curva plastica. t = G g

DEFORMAZIONE NOMINALE: con G= modulo elastico di taglio.

SCORRIMENTO NEI POLICRISTALLINI: nei materiali

policristallini, avendo i grani cristallini −

= =

un’orientazione cristallografica del tutto casuale, le

direzioni di scorrimento variano da grano a grano. MODULO DI POISSON:

DEFORMAZIONE ELASTICA: è una deformazione

Pertanto il movimento delle dislocazioni, nel modo

non permanente, il che significa che, una volta

=− =−

osservato in precedenza, si verifica per ciascun

rimosso il carico applicato, il materiale riacquista la

grano, secondo il sistema di scorrimento che ha sua forma originaria. A livello atomico si manifesta È il rapporto tra deformazione laterale e assiale.

l’orientazione più favorevole. come piccole variazioni della distanza interatomica. Quando un provino è sottoposto a una trazione, il

Si ha quando lo sforzo e la deformazione sono c