Domande d'esame con risposte ed esempi di esame di Tecnologia dei materiali e chimica applicata (TMCA)

Proprietà dei polimeri fragili e plastici

Un polimero è fragile quando non presenta deformazione plastica. Principalmente questo comportamento è dovuto all'inibizione dello scorrimento delle catene organiche o a causa della bassa temperatura (T<<Tg) o a causa dell'elevato peso molecolare. Polimeri fragili presentano temperature di transizione vetrosa molto alte.

Un polimero plastico invece ha un grafico sigma-epsilon simile a quello dei metalli, la differenza sostanziale consiste nel fatto che la strinzione nei polimeri non avviene solo sulla sezione centrale del provino, ma si stringe tutto il tratto disponibile. Microscopicamente corrisponde allo stiramento delle catene nella direzione di applicazione dello sforzo. L'ultimo tratto di risalita della curva rappresenta l'aumento dello sforzo necessario a rompere i legami covalenti delle catene. (grafico T=Tg)

Al di sotto della temperatura Tg il fluido disordinato è come "congelato" e rimane nello stato amorfo.

realtà Tg corrisponde ad un intervallo di temperatura e Tg è identificato con l’intersezione delle tangentidelle curve allo stato solido e allo stato liquido. Le proprietà meccaniche dei polimeri sono influenzate dalla temperatura. Al di sotto della temperatura di transizione vetrosa (T molto bassa), hanno comportamento fragile e unelevato modulo elastico. All’incirca alla temperatura di transizione vetrosa i polimeri hanno comportamento duttile, con la curvacaratterizzata da un plateau, in cui si ha la strizione lungo tutta la lunghezza e corrisponde alla zona in cui siha la disposizione delle catene polimeriche lungo la direzione di applicazione del carico e una parzialericristalizzazione, e un riaumento, poiché per portare a rottura il provino bisogna aumentare il carico. Infine se la temperatura è al di sopra della Tg, si hanno gli elastomeri, comportamento di tipo viscoso, per cuiè sufficiente applicare uno sforzo modesto per.

avere un considerevole allungamento, che può arrivare anche al 700%. La rottura avviene lungo un piano perpendicolare rispetto alla direzione dello sforzo.

5) Dimostrare che il fattore di compattazione atomica per la cella CFC è 0.74 e per la cella CCC è 0.68.

RISPOSTA: Nei materiali metallici la struttura è ordinata ed è definita come una struttura cristallina con ordine a lungo raggio. La cella unitaria si ripete in tutte e tre le direzioni dello spazio. I metalli sono dei policristallini e i loro grani sono diversamente orientati. Il reticolo cristallino è la struttura cristallina rappresentata come una griglia con vertici, nei centri degli atomi. Numero di coordinazione: numero di atomi adiacenti ad ogni atomo. Le strutture atomiche metalliche sono caratterizzate per la maggior parte da 3 tipologie di celle unitarie (CFC, CCC ed EC) Nel CFC, n.atomi=4, n.coordinazione=12, FCA=0.74=Volume Atomi/Volume cubo, i piani a massima compattazione sono diagonali (1,1,1),

a=2R(2)^(1/2)Nel CCC, n.atomi=2, n.coordinazione=8, FCA=0.68=Volume Atomi/Volume cubo, non è una struttura compatta, i piani a max compattazione sono diagonali (1,1,0), a=4R/((3)^(1/2))6)

Quali sono i difetti di punto e come influenzano le proprietà dei metalli?

RISPOSTA:

I difetti creano tensioni e compressioni, deformando il reticolo cristallino. I difetti di punto sono vacanze, quindi atomi mancanti e atomi estranei in soluzione, sia sostituzionale (un atomo di un altro elemento sostituisce un atomo dell'elemento principale), sia interstiziale (un atomo, abbastanza piccolo rispetto al principale, si trova negli spazi vuoti tra i suoi atomi (questo è il caso del carbonio nel ferro)).

I difetti di punto influenzano le proprietà meccaniche in quanto sono il mezzo per cui avviene la diffusione, inoltre sono anche uno dei metodi di indurimento (per soluzione solida). Attraverso le dislocazioni invece avviene la deformazione plastica. Infatti con lo scorrimento

di queste (che possono essere a spigolo o a vite) provocano slittamenti dei reticoli cristallini. Infine i difetti di volume sono fondamentali in quanto la loro presenza e la loro forma (se appuntita) può provocare intensificazione di sforzi e determinare il comportamento a rottura (ovvero: la presenza di cricche o intagli con raggio di curvatura piccolo, porta il materiale a rispondere in maniera fragile ad alcune sollecitazioni come la trazione). 7) I metodi di indurimento dei materiali metallici RISPOSTA: La resistenza meccanica è la capacità di resistere alle sollecitazioni sigma (r e s) che sono grandezze di resistenza meccanica. Per aumentare la resistenza meccanica (indurimento), si può intervenire in maniere diverse: Si diminuiscono le dislocazioni attraverso trattamenti termici. Oppure si bloccano le dislocazioni: 1). Per soluzione solida (drogaggio, soluto <= 5%) o (lega, attraverso l'alligazione). 2). Per precipitazione (ossidi), elementi spuri che siinfiltrano nel reticolo.

3). Per incrudimento (dove vi è una lavorazione a freddo) e si aumentano delle dislocazioni tramite deformazione a freddo in modo che si blocchino a vicenda.

4). Per riduzione della dimensione dei grani (con trattamenti termici) velocità di solidificazione elevata.

5). Per Geminazione (le dislocazioni devono cambiare direzione). In tutto ciò c'è ovviamente una perdita di duttilità.

8) Descrivere quali sono i fattori che influenzano le proprietà meccaniche dei polimeri termoplastici e termoindurenti.

RISPOSTA: Il comportamento meccanico di un polimero ad elevata temperatura dipende dalla struttura molecolare dominante. Si classificano i polimeri sulla base del loro comportamento all'aumentare della temperatura. I termoplastici: se riscaldati si ammorbidiscono fino a liquefarsi, e si induriscono in un successivo raffreddamento (processo reversibile), a livello molecolare i legami si indeboliscono; se però allo

stiffness di un materiale, ovvero della sua capacità di resistere alla deformazione elastica quando viene applicata una forza. Il modulo elastico si misura in pascal (Pa) o in gigapascal (GPa) ed è solitamente indicato con la lettera E. Per misurare il modulo elastico di un materiale si utilizza un dispositivo chiamato macchina di prova universale o macchina di trazione. Questo strumento applica una forza al materiale e misura la deformazione risultante. Il modulo elastico viene quindi calcolato dividendo lo sforzo applicato (la forza) per la deformazione. Il modulo elastico può variare notevolmente tra diversi materiali. Ad esempio, i materiali metallici come l'acciaio hanno un modulo elastico molto elevato, mentre i materiali polimerici come la gomma hanno un modulo elastico molto basso. In generale, i materiali più rigidi hanno un modulo elastico più alto. Inoltre, il modulo elastico può variare anche all'interno dello stesso materiale a seconda delle condizioni di trattamento termico o delle proprietà del materiale stesso. Ad esempio, l'acciaio può essere temprato per aumentare il suo modulo elastico. In conclusione, il modulo elastico è una misura della rigidità di un materiale e può variare notevolmente tra diversi materiali e all'interno dello stesso materiale a seconda delle condizioni di trattamento termico o delle proprietà del materiale stesso.campo elastico, cioè la variazione dello sforzo rispetto alla variazione della deformazione. Un modulo elastico più elevato indica una maggiore rigidezza del materiale. I materiali ceramici sono caratterizzati da un modulo elastico molto elevato, il che significa che sono molto rigidi e hanno una bassa capacità di deformazione elastica. Questo li rende duri ma anche fragili, poiché non sono in grado di assorbire grandi sollecitazioni senza rompersi. I metalli, invece, hanno un modulo elastico inferiore rispetto ai ceramici, il che significa che sono meno rigidi e più duttili. Possono deformarsi in modo più significativo senza rompersi, rendendoli adatti a molteplici applicazioni. Infine, i polimeri hanno il modulo elastico più basso tra i tre materiali. Sono molto flessibili e possono subire grandi deformazioni senza rompersi. Questa caratteristica li rende adatti per applicazioni che richiedono flessibilità e adattabilità. In conclusione, il modulo elastico è una proprietà fondamentale dei materiali che influisce sulla loro resistenza e capacità di deformazione elastica. I ceramici sono i più rigidi e fragili, i metalli sono meno rigidi ma più duttili, mentre i polimeri sono i più flessibili.

tratto elastico.

10) Descrivere il Creep.

RISPOSTA:Il creep è il fenomeno per cui, ad alte temperature, il materiale viene deformato in modo permanente per effetto di un carico costante inferiore al carico di snervamento. Per cui la deformazione è funzione del carico, della temperatura e del tempo. Si definiscono alte T se T>0.4T (metalli), T>0.5T (ceramici), T>0.6T (polimeri).

La prova di creep viene effettuata ponendo il provino all'interno di un forno, applicando uno sforzo costante e misurando la deformazione nel tempo.

Nel grafico si individuano 4 diverse zone:

• Deformazione elastica istantanea
• Scorrimento primario: la velocità di deformazione è decrescente, a causa del fenomeno dell'incrudimento, per cui l'aumento del numero di dislocazioni nel blocca il movimento
• Scorrimento secondario: la velocità di deformazione è costante, poiché la diffusione sblocca alcune dislocazioni che compensano

l'incrudimento- Scorrimento terziario: le velocità di deformazione è crescente, poiché aumenta la diffusione e si ha lo scorrimento dei grani uno sull'altro e si ha la formazione di vuoti, che portano alla rottura. Ad alte temperature, resistono meglio i metalli con grani grandi, poiché si ha minore scorrimento uno sull'altro.

11) Descrivere la Fatica.

RISPOSTA: La fatica è il fenomeno per cui un provino può andare a rottura per un carico inferiore al carico di snervamento se ripetuto in modo ciclico nel tempo. La tipica prova di fatica è la flessione rotante. È possibile definire:

• Limite a fatica: lo sforzo minimo per cui anche per uno sforzo ciclico infinito il provino NON va a rottura per fatica.
• Resistenza a fatica: sforzo per cui si ha rottura per fatica per 10 cicli.
• Vita a fatica: rappresenta il numero di cicli per cui il provino va a rottura per un dato carico fissato. Se 4-5 cicli > 10-10 si dice che ha una

fatica ad alti cicli, altrimenti è breve. Il meccanismo di rottura a fatica avviene in tre diverse fasi: innesco di una cricca, dove si ha la concentrazione degli sforzi; la propagazione della cricca, per cui avanza ad ogni ciclo, lasciando come impronte linee di spiaggia (macroscopiche) e striature (microscopiche); infine la rottura, quando la cricca raggiunge la sua dimensione critica. La prova viene effettuata su provini precriccati ed esiste una relazione, data dalla legge di Paris (da/dN=AΔK), che lega l'allungamento della cricca in funzione dell'aumento del numero di cicli. In generale, si vuole che il provino lavori nella zona in cui l'andamento della cricca è lineare, per evitare una rottura improvvisa. 12) Perlite, bainite e martensite: cosa sono, come si ottengono e quali sono le loro proprietà meccaniche? RISPOSTA: La perlite, bainite e martensite sono le diverse microstrutture che si ottengono dai diversi processi di raffreddamento a cui sono sottoposti i materiali ferrosi. La perlite si forma attraverso un raffreddamento lento del materiale, che permette la trasformazione dell'austenite in una struttura lamellare composta da ferrite e cementite. La perlite ha una buona resistenza meccanica e tenacità. La bainite si ottiene attraverso un raffreddamento più rapido rispetto alla perlite, ma ancora abbastanza lento da permettere la formazione di una struttura aghi di ferrite e cementite. La bainite ha una maggiore resistenza meccanica rispetto alla perlite. La martensite si forma attraverso un raffreddamento molto rapido, che impedisce la trasformazione dell'austenite in altre microstrutture. La martensite è caratterizzata da una struttura molto dura e fragile, con elevata resistenza meccanica ma scarsa tenacità.è sottoposto l’acciaio (lega di Fe-C, con %C inferiore al 2%)