67065 - METALLURGIA CON LABORATORIO

Conoscenze e abilità da conseguire

Alla fine del corso lo studente ha acquisito conoscenze sul comportamento in esercizio delle principali leghe metalliche, loro fabbricazione, criteri di scelta e di utilizzo, tecniche analitiche di riconoscimento di microstrutture e controllo delle proprietà meccaniche nonché conoscenze sui fenomeni di degrado in esercizio e sulle modalità di protezione.

Contenuti

Prerequisiti necessari richiesti

Funzioni elementari: potenze, radici, esponenziali, logaritmi, derivate. Risoluzione di equazioni algebriche. Conoscenze di base del calcolo differenziale. (Attività formativa: Matematica con esercitazioni)

Conoscenza delle principali grandezze fisiche e meccaniche e delle relazioni che le legano. Principali unità di misura nelle reazioni chimiche, negli scambi termici e nelle energie di legame. Unità di misura, conversioni nei sistemi internazionali e significato fisico delle principali grandezze meccaniche. (Attività formativa: Fisica con esercitazioni)

Reazioni chimiche e loro bilanciamento. Descrizione dello stato atomico, natura del legame chimico. (Attività formativa: Chimica generale).

Principi di termodinamica. (Attività formativa: Chimica Fisica)

Principali strutture cristalline dei materiali metallici e loro influenza sui meccanismi di deformazione plastica. Significato delle principali proprietà meccaniche e relative modalità di prova. Diagrammi di stato di leghe metalliche binarie. Teoria della solidificazione e difetti di solidificazione in leghe metalliche. Teoria della deformazione plastica. Microstrutture all’equilibrio di leghe Fe-C. Meccanismi di rinforzo. Cenni a fenomeni di corrosione e attrito/usura (Attività formativa: Scienza dei Metalli e Tecnologia dei Materiali con Laboratorio)

Programma

Metallurgia con laboratorio

Introduzione al corso: illustrazione di obiettivi formativi, programma, aspetti logistici, materiale didattico e modalità di valutazione.

Produzione dei materiali metallici: Estrazione dei metalli e produzione. Metallurgia primaria e secondaria. Accenni di siderurgia e produzione di leghe leggere. Processi di riciclo dei materiali metallici. Sostenibilità dei processi di produttivi - Critical Raw Material (CRM). 

Tecnologie di lavorazione dei materiali: Definizione e classificazione dei principali processi di lavorazione.

• Processi di deformazione plastica massiva e delle lamiere, con particolare riferimento a processi di forgiatura, laminazione a caldo e a freddo, estrusione e trafilatura.
• Processi di fonderia in forma transitoria (fusione in sabbia) e permanente (colata per gravità, in pressione e continua).
• Processi di saldatura autogena quali fusione con gas, arco elettrico, plasma, laser e per attrito.
• Processi di “Addittive Manufacturing” sia a letto di polvere (Powder Bed Fusion) che a deposizione diretta (Direct Energy Deposition)

Richiamo al diagramma Ferro-Carbonio: Fasi e costituenti strutturali. Fenomeni relativi alla solidificazione e al raffreddamento di acciai e ghise in condizioni di equilibrio termodinamico. Microstrutture tipiche di acciai in funzione del tenore di C, nell’ipotesi di validità del diagramma di equilibrio. Effetto dei principali elementi di lega. Designazione e classificazione di leghe ferrose secondo Euronorm.

Trasformazioni isoterme e anisoterme negli acciai: Trasformazioni di fase (ferritica, perlitica, bainitica, e martensitica) e curve di Bain (TTT e CCT).

Principali trattamenti termici e termochimici degli acciai: Ricottura (completa, isoterma, di ricristallizzazione), normalizzazione, tempra martensitica e rinvenimento. Acciai da bonifica. Cementazione e nitrurazione. Acciai da cementazione e nitrurazione. Influenza dei trattamenti termochimici su resistenza a usura e a fatica.

Acciai inossidabili: Definizione di acciaio inossidabile e principali famiglie: austenitici, ferritici, martensitici, duplex, indurenti per precipitazione. Composizione chimica, trattamenti termici, proprietà fisiche e meccaniche, settori di applicazione.

Leghe di alluminio: Designazione leghe da fonderia e deformazione plastica. Effetto degli elementi di lega, principali meccanismi di rinforzo, trattamenti termici, microstruttura, proprietà fisiche e meccaniche, settori di applicazione.

Leghe di Titanio: Designazione delle leghe di Titanio, proprietà meccaniche e chimico-fisiche, composizione chimica. Microstrutture, trattamenti termici e proprietà meccaniche.

Fenomeni di degrado dei materiali metallici: Introduzione sulla resistenza a sollecitazioni statiche, dinamiche, cicliche. Fenomeni di fatica e di scorrimento viscoso (creep). Failure analysis con casi di studio.

Laboratorio

Analisi metallografica: Principi del metodo e tecniche di analisi di immagine per la metallografia quantitativa. Procedure di campionamento e preparazione dei campioni per l'analisi microstrutturale. Preparazione metallografica e metallografia ottica di acciai sottoposti a trattamento termico (ricottura, normalizzazione, tempra, martensitica, e rinvenimento). Profili di durezza su provini sottoposti a tempra superficiale e trattamento di cementazione.

Microstruttura di leghe non ferrose: Osservazione di microstrutture tipiche di leghe di alluminio e titanio prodotte sia mediante processi convenzionali che via additive manufacturing.

Analisi termica: Principi di funzionamento dell’analisi DSC. Elaborazione curve DSC su leghe di alluminio. Effetti dell’esposizione ad elevata temperatura delle leghe di alluminio: elaborazione curve di degrado.

Failure analysis mediante microscopia elettronica in scansione (SEM): Procedure di campionamento e preparazione dei campioni. Analisi delle superfici di frattura di materiali metallici al microscopio elettronico in scansione (SEM). Interpretazione delle morfologie di frattura in relazione a microstruttura, condizioni di carico e ambiente di lavoro.

Testi/Bibliografia

Materiale in formato elettronico fornito dal docente (le slide proiettate a lezione sono messe a disposizione degli studenti su virtuale.unibo.it, sotto forma di file pdf protetti da password). Il materiale didattico fornito contiene anche esempi di prove d'esame.

Testi di consultazione consigliati:

1. W.D. Callister,"Scienza ed Ingegneria dei Materiali ", IV Edizione, Edises (2019).

2. D.R. Askeland, P.P. Fulay, W.J. Wright "Scienza e tecnologia dei materiali", Città studi (2017)

3. W.D. Callister, D.G. Rethwish "Materiali per l'ingegneria civile ed industriale", II Edizione, Edises (2023).

4. S. Barella, A. Gruttadauria, "Metallurgia e Materiali Non Metallici", Società Editrice Esculapio, Bologna, II Edizione (2017).

5. A. Cigada, T. Pastore "Struttura e proprietà dei materiali metallici", Mc-Graw Hill (2012).

6. G.M. Paolucci, “Appunti dalle lezioni di Metallurgia per la laurea in Ingegneria Meccanica” Vol.1-2, Edizioni Libreria Progetto, Padova (2002).

7. W. Nicodemi “Metallurgia - Principi generali”, Zanichelli (2007).

8. W. F. Smith, J. Hashemi, “ Scienza e tecnologia dei materiali”. Ed. Italiana a Cura di S. Farè, M. C. Tamzi, Mc Graw Hill. V edizione (2021).

9. M. Santocchi, F. Giusti "Tecnologia Meccanica e studi di fabbricazione", Casa Editrice Ambrosiana, (2000).

Metodi didattici

Lezioni in presenza, in accordo con l'orario proposto e i protocolli di sicurezza in atto. Audiovisivi per l'illustrazione dei principali concetti o processi. Quiz interattivi a scopo formativo (discussione dei concetti principali presentati durante la lezione).

Per quanto riguarda il laboratorio (modulo 2 del corso), in considerazione delle tipologie di attività e metodi didattici adottati, la frequenza dell'attività formativa richiede lo svolgimento di tutti gli studenti dei moduli 1 e 2 della formazione sul tema della sicurezza in modalità e-learning [https://www.unibo.it/it/servizi-eopportunita/salute-e-assistenza/salute-e-sicurezza/sicurezza-e-salute-nei-luoghi-distudio- e-tirocinio] e la partecipazione al modulo 3 di formazione specifica sulla sicurezza e salute nei luoghi di studio.

Si specifica inoltre che per assolvere l’obbligo di frequenza è necessario partecipare a tutte le esperienze di laboratorio. La frequenza verrà accertata mediante foglio presenze compilato a inizio e fine di ciascuna esperienza.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La prova d’esame mira a verificare il raggiungimento dei seguenti obiettivi didattici:

- Conoscenza dei principali metodi di produzione e lavorazione dei materiali metallici;

- Capacità di lettura del diagramma di stato Fe-C e conoscenza delle trasformazioni di fase con i relativi meccanismi di solidificazione, delle trasformazioni isoterme e anisoterme indotte dai principali trattamenti termici, delle microstrutture di riferimento, oltre agli effetti dei principali trattamenti termochimici sugli acciai.

- Conoscenza dei principali concetti relativi agli acciai inossidabili, leghe di alluminio e di titanio: designazione, proprietà meccaniche e chimico-fisiche, composizione chimica. Microstrutture, trattamenti termici, proprietà meccaniche e settori di applicazione.

- Capacità di individuare le principali cause di degrado dei materiali metallici relativi a prove di fatica e scorrimento viscoso a seguito di failure analysis.

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso una prova finale da sostenere dopo il termine del corso. La prova finale si articola in parti relative ai diversi moduli che compongono il corso e potrà essere sostenuta previa iscrizione tramite AlmaEsami:

- Laboratorio: la valutazione, espressa in 30/30, avviene sulla base di una prova pratica (relazioni di laboratorio in forma scritta) e serve ad accertare la capacità di effettuare una scelta corretta e consapevole delle tecniche di caratterizzazione dei materiali metallici. Le scadenze relative alla consegna delle relazioni per ciascun appello di esame verranno comunicate con anticipo tramite annunci via piattaforma virtuale.unibo.it; in genere si prevede la consegna delle relazioni via email in formato pdf circa 8 giorni lavorativi prima di ciascun appello di esame.

- Metallurgia: la verifica consta di 2 parti:

1. prova scritta strutturata (quiz a riposta multipla, durata: 45 minuti) seguita da

2. prova orale non strutturata (domande aperte, durata massima: 45 minuti)

Entrambe le parti sono valutate in 30/30 e sono da sostenere nello stesso appello.

La prova scritta strutturata (quiz a riposta multipla) viene erogata via EOL e consiste di 30 domande con 4 opzioni di cui una sola vera.

Esempi di domande sia per la parte 1 (test a risposte multiple, scritto) che per la parte 2 (domande aperte, orale) sono disponibili nel materiale didattico fornito tramite VIRTUALE per questo corso. Durante l'esame non è ammessa la consultazione di appunti, libri o materiale digitale. Non si richiede l'uso di calcolatrice.

La parte 1 avrà una valutazione in 30/30, così computata:

• + 1 pt per ogni risposta corretta
• 0 pt per ogni risposta omessa
• - 0.25 pt per ogni risposta errata

Per accedere alla parte 2, il candidato dovrà aver conseguito un punteggio di 18/30 nella parte 1.

Per accedere alla prova orale, il candidato dovrà obbligatoriamente avere superato la prova scritta e aver conseguito una valutazione superiore a 18/30 per le relazioni di laboratorio (anche se valutate in un appello precedente).

Il voto finale è computato come media pesata dei voti acquisiti nelle 3 parti (quiz a risposte multiple: 30%; relazioni di laboratorio: 30%; orale: 40%).

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore e PC, lavagna tradizionale, materiale didattico caricato su virtuale.unibo.it (accessibile con credenziali unibo e password fornita dal docente). Laboratorio didattico (attrezzatura per preparazione all'analisi microstrutturale; microscopi ottici con analizzatore di immagine; microdurometro; accesso a laboratori di ricerca (FEG-SEM/EDS, DSC). Eventuali strumenti per studenti con disabilità possono essere concordati con il Servizio Studenti con DSA (https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it/per-studenti ).

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Gianluca Di Egidio