Introduzione alla scienza dei materiali

Informazioni utili email: antonio.greco@unisalento.it Ricevimento: giovedì ore 14.30-16.30 (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 Polimeri Termoplastici, termoindurenti, elastomeri Ceramici Tradizionali, avanzati, vetri, leganti Compositi Fibre corte, lunghe, laminati, sandwich

I materiali e l’ingegneria ceramici Metalli Polimeri Compositi

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 prodotto processo

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

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

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 1800 1900 2000 Rapporto resistenza/densità Legno Pietra Bronzo ghisa Acciaio Compositi Fibre aramidiche Fibre di carbonio

Mappe modulo- densità 1000 3000 0.01 0.1 1 10 100 Densità  (Kg/m3) Modulo di Young, E (GPa) Legno 300 10000 30000 Schiume polimeriche Elastomeri Polimeri Compositi Ceramici tradizionali Ceramici avanzati metalli Parallelo al grano Perperndicolare al grano PVC soft LDPE PTFE HDPE PP Poliesteri Nylon uniply Laminati CFRP GFRP cementi acciai alluminio W Mo allumina SiC Diamante 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 1000 3000 0.1 1 10 100 10000 Densità  (Kg/m3) Resistenza (MPa) Legno 300 30000 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 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

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 Quarzo cristallino Quarzo amorfo 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