Introduzione alla scienza dei materiali

Informazioni utili Ricevimento: giovedì ore (o previo appuntamento per ) 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. Colleprdi, “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 Polimeri Termoplastici, termoindurenti, elastomeri Ceramici Tradizionali, avanzati, vetri, leganti Compositi Fibre corte, lunghe, laminati, sandwich

I materiali e l’ingegneria Metalli ceramici Polimeri Compositi

Sviluppo di un prodotto IdeaDefinizione specifiche Scelta del materiale Realizzazione prototipo e testing 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 giunzione Trattamenti superficiali Deformazione Colata Stampaggio Prototipazione Da polveri Saldatura Adesivi Elementi di fissaggio 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 strutturaprocesso

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

Classi di materiali 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 Anni Rapporto resistenza/densità Legno Pietra Bronzo ghisa Acciaio Compositi Fibre aramidiche Fibre di carbonio

Mappe modulo- densità Modulo di Young: inversamente proporzionale alla capacità di deformazione Densità (peso specifico): rapporto tra la massa di un materiale ed il suo volume Densità  (Kg/m 3 ) Modulo di Young, E (GPa) Legno Schiume polimeriche Elastomeri Polimeri Compositi Ceramici tradizionali Ceramici avanzati metalli Parallelo al grano Perperndicolare al grano PVC soft LDPE PTFE HDPE PP Poliesteri NylonPVC uniply Laminati CFRP GFRP cementi acciai alluminio WMo allumina SiC Diamante

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

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