Introduzione alla scienza dei materiali Informazioni utili email

Introduzione alla scienza dei materiali

Informazioni utili • email: antonio. greco@unisalento. it • Ricevimento: giovedì ore 8. 30 -9. 30 (o previo appuntamento per email) • Modalità d’esame: – Appelli di giugno-luglio: solo scritto – Appelli seguenti: solo orale • Testi consigliati: • W. F. Smith “Scienza e tecnologia dei materiali” 3 ed cap 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11, 12 • M. Ashby, H. Shercliff, D. Cebon “Materiali, dalla scienza alla progettazione ingegneristica” cap 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 13 • M. Collepardi, “Il nuovo calcestruzzo”, 5 ed cap 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 • Solo ed esclusivamente per gli argomenti trattati a lezione!

I materiali e l’ingegneria • Classi di materiali Metalli Acciai Ghise Leghe di Al, Zn, Ti Compositi Fibre corte, lunghe, laminati, sandwich Ceramici Polimeri Tradizionali, avanzati, vetri, leganti Termoplastici, termoindurenti, elastomeri

I materiali e l’ingegneria • Metalli • Polimeri • Compositi • ceramici

Sviluppo di un prodotto Idea Definizione specifiche Realizzazione prototipo e testing Scelta del materiale Produzione

Materiali e prodotti • I prodotti (componenti) vengono realizzati utilizzando uno o più materiali • Il processo è la serie di operazioni che servono per trasformare il materiale in un prodotto • Il processo DEVE essere compatibile con il materiale (temperatura, forze, pressioni) ed il prodotto (forma, dimensioni, tolleranze) materiale processo prodotto

Processo • Operazione di formatura del materiale nel prodotto finito • Forma e dimensioni del pezzo da realizzare • Tipologia di materiale da trasformare Processo formatura Deformazione Colata Stampaggio Prototipazione Da polveri giunzione Saldatura Adesivi Elementi di fissaggio Trattamenti superficiali Trattamenti termici Trattamenti termochimici Verniciatura Rivestimento finitura

Relazione proprietà-struttura-processo • La struttura del materiale (disposizione degli elettroni, tipo di legame, disposizione degli atomi e delle fasi) determina le proprietà del materiale • In generale, ogni tipo di materiale ha una sua struttura e delle proprietà caratteristiche. Le proprietà determinano il tipo di processo che è possibile effettuare • Le condizioni di processo ( temperatura di lavorazione, forze applicate, condizioni di raffreddamento) possono alterare la struttura del materiale, e quindi entro alcuni limiti anche le proprietà del prodotto proprietà processo struttura

Proprietà di interesse ingegneristico • Meccaniche – – – – Modulo Resistenza Creep Duttilità Fatica Durezza Impatto • Chimiche, fisiche, Elettriche, Magnetiche, Ottiche, termiche

• I metalli presentano generalmente le migliori proprietà di conducibilità, e buone proprietà meccaniche • I ceramici sono pessimi conduttori, resistenti e duri, ma fragili. Hanno ottime proprietà di resistenza a compressione, e scarse proprietà di resistenza a trazione • I polimeri hanno bassa conducibilità, basse proprietà meccaniche e bassa densità • I compositi ottenuti dalla opportuna combinazione di materiali di classi diverse, permettono di realizzare materiali delle più svariate proprietà Rapporto resistenza/densità Classi di materiali Fibre aramidiche Fibre di carbonio Compositi Legno Bronzo ghisa Pietra Anni Acciaio 1800 1900 2000

Mappe modulo- densità 1000 Ceramici avanzati alluminio cementi Modulo di Young, E (GPa) Laminati 1 Nylon PVC PP Poliesteri HDPE Perperndicolare PTFE al grano LDPE PVC soft 0. 1 Schiume polimeriche 0. 01 100 metalli Ceramici tradizionali Parallelo al grano Legno Mo W acciai Compositi GFRP 10 allumina CFRP uniply 100 Diamante Si. C 300 Polimeri Elastomeri 1000 3000 Densità (Kg/m 3) 10000 30000 Modulo di Young: inversamente proporzionale alla capacità di deformazione Densità (peso specifico): rapporto tra la massa di un materiale ed il suo volume

Mappe resistenza-densità 10000 Ceramici avanzati 1000 Compositi CFRP W acciai Resistenza (MPa) GFRP alluminio Parallelo al grano 100 Mo metalli Polimeri e metalli: snervamento (deformazione plastica) Ceramici e vetri: resistenza a compressione Compositi: resistenza a trazione Nylon PP Legno 10 PVC Poliesteri cementi HDPE PTFE Ceramici LDPE Perperndicolare al grano tradizionali Polimeri Elastomeri 1 Schiume polimeriche 0. 1 100 300 1000 3000 Densità (Kg/m 3) Resistenza: sollecitazione meccanica che porta il materiale a rottura 10000 30000

Metalli • Sostanze inorganiche composte da uno o più elementi metallici • Struttura cristallina (disposizione regolare degli atomi nello spazio) • Possono contenere anche elementi non metallici – Ferro, Rame , alluminio, nichel – Carbonio, ossigeno, azoto • • Leghe ferrose Leghe non ferrose Buoni conduttori termici ed elettrici Buone resistenze meccaniche Duttili Resistenti alle temperature Pesanti

Materie plastiche • • Polimeri, materiali organici, costituiti da macromolecole Una molecola organica contiene carbonio Struttura cristallina o amorfa Cattivi conduttori Bassa resistenza alla temperatura Proprietà meccaniche non eccezionali Leggeri

Ceramici • Materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati tra di loro • Parziale cristallinità • Duri, resistenti e fragili • Ottimi isolanti • Eccezionale resistenza alla temperatura

I vetri • I vetri sono dei materiali ceramici caratterizzati dalla mancanza di fase cristallina ( mancanza di struttura ordinata a lungo raggio) • Il vetro è un materiale solido, rigido, compatto e trasparente a) Quarzo cristallino b) Quarzo amorfo c) Vetro siliceo con sodio

I cementi • Un materiale che presenta alcune proprietà dei ceramici è il cemento • Il cemento è un impasto (legante) che lega altri materiali inerti • I romani utilizzavano calce e silice (pozzolane) che indurivano se messe a contatto con acqua (leganti idraulici) • Oggi il cemento viene ottenuto da calcare e argilla (cemento portland)

Compositi • Formati dall’unione di due o più materiali, in cui la separazione tra i due materiali è netta e visibile su scala macroscopica • Matrice (fase continua) • Rinforzo (fase discontinua) • Esiste un’interfaccia tra le due fasi identificabile su scala macroscopica