Domande d’esame con relativa risposta esame Tecnologie dei materiali

Materiali ceramici:

I materiali ceramici sono caratterizzati dal legame ionico, che si forma attraverso elementi

che hanno la tendenza di cedere elettroni esterni e elementi che hanno la tendenza ad

acquistarli. L’energia di legame è elevata, quindi i materiali ceramici hanno alta rigidezza e

alta temperatura di fusione. Non essendo presenti altri elettroni liberi (a differenza del

legame metallico) nel legame ionico, i materiali ceramici hanno scarsa conducibilità elettrica.

I materiali ceramici sono fragili, in quanto presentano nessuna (o scarsa) deformazione

plastica prima della rottura, sempre a causa del legame ionico.

Legame covalente

Materiali polimerici:

Covalente: nel legame covalente la configurazione elettronica stabile viene raggiunta in

seguito alla condivisione di alcuni elettroni da parte di atomi adiacenti. Ogni atomo che ha un

legame covalente contribuisce al legame fornendo almeno un elettrone e gli elettroni

condivisi tra diversi atomi, possono essere considerati come appartenenti ad entrambi gli

atomi. Il numero massimo di legami covalenti consentiti per ciascun atomo dipende dal

numero dei suoi elettroni di valenza. I legami covalenti possono essere molto forti, ma anche

deboli. Sono legami tipici dei materiali polimerici, infatti questi sono composti da lunghe

catene di atomi di carbonio legati tra loro da legami covalenti impegnando due dei quattro

legami covalenti possibili per ciascun atomo. I rimanenti due legami vengono utilizzati

con altri atomi in grado di formare legami covalenti. Sono isolanti termici ed elettrici.

Legame di Van der Waals: sono legami fisici e sono più deboli dei legami primari, che sono

legami chimici. Le forze presenti nei legami secondari derivano dalla presenza di dipoli negli

atomi o nelle molecole, quando c’è una separazione tra le parti caricate positivamente e

quelle caricate negativamente. Il legame nasce dall’attrazione tra l’estremità positiva di un

dipolo e la regione di un altro dipolo adiacente.

— Descrivi il legame dipolare e illustrare come influenza le proprietà dei materiali in

cui è presente.

Nel legame dipolare o Legame di van der Waals gli atomi sono globalmente neutri (stesso

numero di protoni ed elettroni) e normalmente hanno una distribuzione simmetrica delle

cariche elettriche. In particolari circostanze è possibile che la distribuzione spaziale delle

cariche positive e negative diventi asimmetrica quindi si crea un dipolo.

Caratteristiche dei materiali:bassa energia di legame, bassa temperatura di fusione, isolante

elettrico e termico, bassa densità.

— Illustrare le principali tecnologie di fabbricazione di un manufatto ceramico

tradizionale.

Nelle tecnologie di fabbricazione abbiamo una fase primaria che è quella della preparazione

dell’impasto: le materie prime sono macinate a secco o a umido. Nel momento in cui

l’impasto ha una composizione omogenea, viene aggiunta dell’acqua in modo tale da avere

la plasticità ottimale. Infine, si va a deformare il materiale e a fare la formatura, che può

avvenire per:

Pressatura: una massa di polvere, con una piccola percentuale d’acqua, viene compattata

sotto pressione nella forma desiderata.

Estrusione: il materiale ceramico viene incanalato da una matrice d’acciaio per mezzo di una

vite a motore.

Colaggio: il materiale ceramico viene versato in uno stampo poroso dove viene fatto

essiccare.

Sinterizzazione: piccole particelle di materiale ceramico vengono legate insieme da

fenomeni di diffusione allo stato solido.

— Descrivere sinteticamente le principali proprietà dei polimeri in relazione ai tipi di

legami presenti nel solido, in particolare descrivere le principali differenze tra polimeri

termoplastici e termoindurenti.

I materiali polimerici sono materiali organici costituiti da lunghe catene di atomi di carbonio.

Sono materiali leggeri perché hanno bassa densità, hanno temperature di rammollimento e

di fusione bassissime. Possono essere fragili (plexiglass), duttili, elastici. La loro rigidezza

non è costante ma cambia nel tempo. Con il passare del tempo il materiale polimerico perde

rigidezza. Sono isolanti termici ed elettrici, infatti il legame tipico dei materiali polimerici è

quello covalente, in cui non ci sono elettroni liberi.

I polimeri termoplastici e termoindurenti si differenziano per la risposta meccanica ad elevate

temperature. I termoplastici sono plastici per effetto del calore, formati da catene più o meno

ramificate legate tra loro da legami deboli dipolari. Posseggono una struttura semicristallina

o amorfa e il loro riscaldamento provoca il rammollimento e quindi la loro plasmabilità. I

termoplastici se riscaldati si ammorbidiscono fino a liquefarsi e induriscono se raffreddati.

Sono relativamente morbidi e duttili. I termoindurenti induriscono all’iniziale applicazione del

calore ma non ammorbidiscono se sottoposti ad un riscaldamento. Sono in genere più duri,

resistenti e fragili dei termoplastici.

— Illustrare sinteticamente le principali tecnologie di fabbricazione di un manufatto

costituito da un polimero termoplastico.

I manufatti costituiti da polimeri termoplastici vengono prodotti per stampaggio:

Stampaggio per compressione: viene inserita la quantità necessaria di polimero tra maschio

e femmina dello stampo (di cui solo uno è mobile), si chiude lo stampo e si applica calore e

pressione, in modo che il materiale plastico diventi viscoso e si adatti allo stampo.

Stampaggio per iniezione: la quantità necessaria di materiale granulare scende attraverso la

tramoggia di alimentazione e poi è spinta da un pistone in un cilindro per raggiungere la

camera di riscaldamento dove il materiale viene fuso e poi, sempre spinto dal pistone, deve

raggiungere la cavità dello stampo. La pressione viene mantenuta fino a quando il materiale

non si è solidificato. Estrusione: una vite spinge attraverso una camera il materiale

granulare che viene compattato e fuso. Quando la massa passa attraverso il foro dello

stampo avviene l’estrusione. Il processo di solidificazione viene accelerato da acqua e aria.

Soffiatura: si estrude un tubo di materiale polimerico e quando è ancora in stato semifuso si

inserisce in uno stampo e poi si soffia aria o vapore a pressione all’interno del tubo, forzando

il materiale a modellarsi sui contorni dello stampo. Colata: il materiale plastico fuso viene

versato in uno stampo e lasciato solidificare. La solidificazione avviene per raffreddamento

dello stato fuso.

— Descrivere brevemente le tecniche per aumentare la resistenza meccanica di un

materiale metallico.

Le tecniche per aumentare la resistenza meccanica di un materiale metallico sono: riduzione

della dimensione del grano, formazione di soluzioni solide e incrudimento. Riduzione della

dimensione del grano: la dimensione del grano ha influenza sulle proprietà meccaniche del

metallo. Un metallo a grano fine ha maggiore resistenza meccanica perché i grani più piccoli

hanno maggiore sviluppo di bordo, il quale impedisce il movimento delle dislocazioni.

Formazione di soluzioni solide: si formano delle soluzioni solide con atomi estranei. Gli atomi

estranei che entrano in soluzione solida inducono stati tensionali sul reticolo degli atomi

ospitanti, che li circondano e ne risulta un’interazione del campo di tensione reticolare tra le

dislocazioni e questi atomi e di conseguenza viene limitato il movimento delle dislocazioni.

Incrudimento: è il fenomeno per cui un metallo duttile diviene più duro e più resistente

quando viene deformato plasticamente. Avviene a temperatura “fredda”. La densità delle

dislocazioni, con lavorazione o deformazione a freddo, aumenta, quindi la distanza tra le

dislocazioni diminuisce e il loro movimento è ostacolato.

— Descrivere sinteticamente le materie prime utilizzate e la tecnologia di

fabbricazione di un manufatto costituito da una lega metallica.

I manufatti costituiti da leghe metalliche possono essere prodotti per formatura, processo nel

quale la forma del materiale viene cambiata per deformazione plastica attraverso una forza

esterna, la cui intensità deve superare il carico di snervamento del materiale. Questo

processo avviene al di sopra della temperatura di ricristallizzazione. Le tecniche di formatura

sono: la forgiatura (processo di deformazione meccanica di un pezzo di metallo a caldo,

attraverso l’applicazione di colpi o di compressione continua. Può essere fatta a stampo

chiuso o a stampo aperto), la laminazione (processo di deformazione che consiste nel far

passare il pezzo di metallo attraverso due rulli, per ottenere una riduzione di spessore

attraverso la compressione esercitata), l’estrusione (processo con cui il materiale è forzato

attraverso il foro di uno stampo tramite una forza di compressione applicata a un pistone per

ottenere un pezzo estruso delle dimensioni desiderate), La trafilatura (operazione che

consiste nel sottoporre un pezzo metallico ad una forza di trazione all’uscita da uno stampo

con anima conica. Si ottiene una riduzione della sezione trasversale ed un corrispondente

aumento della lunghezza), lo stampaggio, La fusione (il metallo viene fuso e versato in uno

stampo cavo delle dimensioni desiderate. Può essere in sabbia, in pressofusione, continua,

microfusione, in conchiglia e in guscio), La metallurgia delle polveri (compattazione del

metallo ridotto in polvere seguita da un trattamento di riscaldamento che permette di

ottenere un pezzo più denso).

— Descrivere sinteticamente i principali metodi per aumentare la resistenza

meccanica di un materiale metallico.

I manufatti costituiti da leghe metalliche possono essere prodotti per formatura, processo nel

quale la forma del materiale viene cambiata per deformazione plastica attraverso una forza

esterna, la cui intensità deve superare il carico di snervamento del materiale. Questo

processo avviene al di sopra della temperatura di ricristallizzazione. Le tecniche di formatura

sono: La forgiatura: processo di deformazione meccanica di un pezzo di metallo a caldo,

attraverso l’applicazione di colpi o di compressione continua. Può essere fatta a stampo

chiuso o a stampo aperto. La laminazione: processo di deformazione che consiste nel far

passare il pezzo di metallo attraverso due rulli, per ottenere una riduzione di spessore

attraverso la compressione esercitata. L’estrusione: processo con cui il materiale è forzato

attraverso il foro di uno stampo tramite una forza di compressione applicata a un pistone per

ottenere un pezzo estruso delle dimensioni desiderate. La trafilatura: operazione che

consiste nel sottoporre un pezzo metallico ad una forza di trazione all’uscita da uno stampo

con anima conica. Si ottiene una riduzione della sezione trasversale ed un corrispondente

aumento della