67064 - SCIENZA DEI METALLI E TECNOLOGIA DEI MATERIALI CON LABORATORIO

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente sarà in grado di identificare un materiale sia dal punto di vista della tecnologia di produzione e di lavorazione che da quello del comportamento in esercizio. Attraverso lo studio della struttura, della microstruttura e delle trasformazioni di fase, le varie classi di materiali vengono analizzate in maniera unitaria in modo da confrontare continuamente le loro proprietà ed i processi che sono a fondamento della loro tecnologia. Inoltre lo studente avrà: a) competenze riguardanti le tecnologie e gli impianti di produzione e lavorazione di materiali metallici, ceramici e polimerici, b) capacità di scegliere le tecnologie produttive da adottare in funzione dell’utilizzo del componente/manufatto. A completamento lo studente avrà quindi competenze nella pianificazione di prove atte a caratterizzare la struttura e le proprietà di un materiale. In particolare, sarà in grado di: (a) scegliere quali tecniche di indagine impiegare per la caratterizzazione microstrutturale e meccanica delle diverse tipologie di materiali, tenendo conto della normativa internazionale e di (b) interpretare i risultati ottenuti alla luce delle relazioni struttura/proprietà.

Contenuti

Prerequisiti richiesti

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

Conoscenza delle principali grandezze fisiche 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. Ottica geometrica. (Attività formativa: Fisica con esercitazioni).

Struttura elementare dell'atomo. Legame chimico, molecole. Solidi molecolari, covalenti, metallici e ionici. Le reazioni chimiche e la conservazione della massa (Attività formativa: Chimica generale ed inorganica).

Principi di Termodinamica. (Attività formativa: Chimica Fisica).

Nozioni di base di chimica organica per razionalizzare la reattività delle classi di composti e dei principali gruppi funzionali nei principali processi industriali illustrati: legami C-C, Legami esterei, legami ammidici, legami uretanici, ecc. (Attività formativa: Chimica Organica con Laboratorio)

Programma

Scienza dei Metalli (Modulo 1)

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

Classificazione dei materiali: definizione di materiali metallici, ceramici, polimerici, compositi. Principali classi di proprietà. Relazioni processo-struttura-proprietà-prestazioni. I materiali strutturali: evoluzione, competizione, sinergie. Aspetti ambientali e circolarità nell’impiego dei materiali metallici. Risorse primarie, secondarie e critiche.

Struttura e microstruttura dei materiali: livelli di scala in scienza dei materiali (dalla struttura atomica alla macrostruttura). Legami interatomici primari e secondari, forze ed energie di legame. Struttura cristallina: celle unitarie e fattori di impaccamento. Sistemi cristallini. Polimorfismo e allotropia. Monocristalli/policristalli. Principali strutture cristalline dei materiali metallici e influenza sulle proprietà meccaniche. Materiali cristallini e amorfi. Generalità su materiali ceramici: classi principali, relative strutture e proprietà; modalità di fabbricazione e lavorazione.

Difetti reticolari puntuali: fenomeni correlati alla struttura cristallina e ai difetti reticolari puntuali (vacanze, atomi interstiziali e sostituzionali). La diffusione (leggi di Fick). Meccanismi di diffusione allo stato solido nelle diverse classi di materiali. Aspetti applicativi dei fenomeni di diffusione.

Principali proprietà meccaniche e relative prove: resistenza a sollecitazioni statiche, dinamiche, cicliche. Proprietà statiche: misura della resistenza a trazione/compressione/flessione, duttilità, durezza. Resistenza alla frattura: cenni al comportamento duttile e fragile delle diverse classi di materiali. Prove per la misura di tenacità a frattura, resilienza, resistenza a fatica, scorrimento viscoso (cenni).

Diagrammi di stato: fasi e costituenti strutturali. Soluzioni solide. Curve di raffreddamento, regola delle fasi e della leva. Fenomeni al raffreddamento e alla solidificazione di sistemi binari. Esempi di lettura dei diagrammi di stato per leghe metalliche e sistemi ceramici. Cenni ai sistemi ternari.

La solidificazione e i difetti di solidificazione: cenni alle tecnologie fusorie per materiali metallici. Nucleazione (omogenea ed eterogenea) e morfologie di accrescimento. Microstrutture e difetti di solidificazione dei materiali metallici (porosità da gas, micro- e macro-ritiro, micro- e macro-segregazione, inclusioni non metalliche): influenza sulle proprietà meccaniche. Controllo delle microstrutture di solidificazione.

Difetti reticolari di linea e teoria della deformazione plastica: fenomenologia della deformazione plastica nei metalli in base alla teoria delle dislocazioni. Dislocazioni a spigolo, a vite e miste. Sistemi di scorrimento. Deformazione plastica nei ceramici.

Meccanismi di rinforzo: alligazione, incrudimento (cenni alle tecnologie di lavorazione dei metalli per deformazione plastica). Riassetto e ricristallizzazione dei metalli incruditi; trattamenti termici di ricottura post-incrudimento. Affinamento del grano. Precipitazione e dispersione. Esempi di applicazione dei diversi meccanismi di rinforzo ai materiali metallici.

Diagrammi di stato binari di leghe metalliche: il diagramma Ferro-Carbonio: fasi e costituenti strutturali. Fenomeni alla solidificazione e al raffreddamento di acciai in condizioni di equilibrio termodinamico. Microstrutture tipiche di acciai in funzione del tenore di C, nell'ipotesi di validità del diagramma di equilibrio.

Proprietà fisiche dei materiali: la conduzione elettrica secondo la teoria delle bande dei solidi: conduttori, semiconduttori ed isolanti. Influenza di microstruttura, composizione e temperatura sulla resistività dei metalli. Comportamento dielettrico: isolatori e condensatori. Piezoelettricità. Proprietà termiche: conducibilità ed espansione termica. Capacità termica e calore specifico. Tensioni termiche.

Fenomeni di degrado: attrito ed usura: definizione di sistema tribologico, modalità di contatto e descrizione delle superfici reali. Componenti dell’attrito e meccanismi di usura. Strategie di intervento per mitigare gli effetti dei principali processi di attrito e usura. Corrosione a umido e ossidazione a caldo dei metalli: aspetti termodinamici e cinetici. Morfologie di corrosione e strategie di protezione.

Laboratorio (Modulo 2)

Diffrazione di raggi X: principi del metodo e applicazione allo studio di composizione di fase e microstruttura di materiali ceramici policristallini.

Solidografia: procedure di campionamento e preparazione dei campioni per l'analisi microstrutturale. Cenni di frattografia.

Microstruttura di leghe ferrose all'equilibrio: preparazione metallografica di acciai e ghise, seguita da osservazione al microscopio ottico. Tecniche di analisi di immagine e cenni di metallografia quantitativa.

Microscopia elettronica in scansione (SEM): principi del metodo ed evoluzioni. Osservazione di microstrutture e sezioni di frattura di materiali metallici, ceramici e polimerici al SEM con microanalisi localizzata EDS.

Misura delle proprietà meccaniche: prove di microdurezza Vickers su materiali metallici; prova di flessione a quattro punti su materiali ceramici (misura della resistenza a flessione e della tenacità a frattura); prove di trazione uniassiale su materiali metallici e polimerici.

Tecnologia dei materiali compositi a matrice polimerica (Modulo 3)

Introduzione ai materiali compositi a matrice polimerica: matrice, rinforzo e interfaccia.

Le matrici polimeriche termoplastiche e termoindurenti: produzione, proprietà e utilizzo, pro e contro nella produzione dei materiali compositi, casi studio di interesse industriale.

Il rinforzo particellare: morfologia e composizione del rinforzo, classificazione (riempitivi, rinforzanti, ecc). La forma delle cariche e il loro effetto sul composito. Proprietà e utilizzo, pro e contro nella produzione dei materiali compositi, casi studio di interesse industriale.

Il rinforzo fibroso: tipologie di rinforzo fibroso (Fibre di vetro, di carbonio, polimeriche, ecc). L’effetto dell’orientazione del rinforzo nel caso di rinforzi fibrosi. Proprietà e utilizzo, pro e contro nella produzione dei materiali compositi, casi studio di interesse industriale.

Le strutture dei materiali compositi polimerici: laminati, sandwich (con riempitivo in schiume rigide, a nido d’ape, ecc).

Le tecnologie di produzione dei materiali compositi polimerici: deposizione a spruzzo, filament winding, laminazione manuale di preimpregnati, poltrusione, RTM (Resin Transfer Molding), SMC (Sheet Moulding Compounds), BMC (Bulk Moulding Compounds), ecc

Tecnologia dei Materiali Ceramici (Modulo 4)

Gli impianti chimici e i simboli UNICHIM. I sensori presenti all’interno di un impianto chimico.

Trattamenti preliminari dei materiali per industria ceramica: essiccatoi, frantumazione, laminatoi, impastatori.

Macinazione a secco: mulini a impatto, mulini pendolari, mulini a tamburo. Macinazione a umido: mulini Alsing.

Vagliatura, setacciatura e classificazione: setacci a tamburo rotante, alternativi, vibrovagli, separatori a vento. Cicloni: caratteristiche e funzionamento, idrocicloni.

Separatori a filtro, Separatori elettrostatici, Separatori a umido.

Macinazione a ciclo continuo, filtropressatura, atomizzatori.

Granulazione, Foggiatura, Estrusione.

Trattamenti di essicazione: essiccatoi a camera, a tunnel, rapidi orizzontali e rapidi verticali.

Cottura: forni continui a fuoco mobile e a fuoco fisso, forni a rulli.

Trasportatori: a rulli, a nastro, a tazze e a coclea. Trasporto pneumatico.

Movimentazioni e scelta: TGV, layout di stabilimento.

Accenni su concetto di qualità e normative.

Testi/Bibliografia

Materiale in formato elettronico fornito dai docenti (le slide proiettate a lezione sono messe a disposizione degli studenti su virtuale.unibo.it, sotto forma di file pdf protetti da password).

Testi di consultazione consigliati:

1. W.D. Callister, D.G. Rethwish, "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. G.P. Emiliani, F. Corbara, “Tecnologia ceramica – Le Materie Prime– Volume I“, Faenza Editrice (1999)

5. G.P. Emiliani, F. Corbara, “Tecnologia ceramica – La Lavorazione – Volume II “, Faenza Editrice (1999)

6. V. Petrone, E. Fioco, “L'impianto Chimico”, Ed. Siderea, Roma (2000).

7. AA.VV. “Tecnologia ceramica applicata Volume I”, La Mandragora (2003).

8. AA.VV. “Tecnologia ceramica applicata Volume II”, La Mandragora (2003).

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). Visite ad aziende e seminari di esperti dal mondo industriale.

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-e-opportunita/salute-e-assistenza/salute-e-sicurezza/sicurezza-e-salute-nei-luoghi-di-studio-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.

Questo corso partecipa al progetto di innovazione didattica dell’Ateneo.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

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

- Conoscenza delle proprietà chimiche, fisiche, meccaniche e tecnologiche di materiali metallici, ceramici, polimerici e compositi a matrice polimerica in relazione alla loro micro- e macro-struttura;

- Conoscenza e capacità di lettura dei diagrammi di stato per materiali metallici e ceramici;

- Conoscenza e capacità di interpretare i meccanismi di deformazione e cedimento meccanico di leghe metalliche, materiali ceramici, polimerici e compositi, considerando anche le correlazioni microstruttura-stato difettivo;

- Conoscenza delle principali tecniche strumentali di caratterizzazione della microstruttura e delle più significative proprietà meccaniche;

- Conoscenza delle principali tipologie di matrice e rinforzo, valutazione delle aree di impego di compositi, valutazione dell’idoneità delle tecnologie produttive per diverse tipologie di prodotto;

- Conoscenza delle principali tecnologie per la produzione e la lavorazione di materiali ceramici.

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 (Modulo 2): la valutazione, espressa in /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 microstrutturale e meccanica. 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.

- Scienza dei Metalli e Tecnologia dei Materiali (Moduli 1, 3 e 4): la verifica consiste in una prova orale non strutturata per ciascun modulo (domande aperte, durata totale massima: 60 minuti)

Tutti i moduli sono valutati in /30 e sono da sostenere nello stesso appello. Il voto finale è computato come media pesata dei voti acquisiti (relazioni di laboratorio: 30%; orale: 70%).

 

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore e PC, lavagna tradizionale, materiale didattico caricato su virtuale.unibo.it (accessibile con credenziali unibo; eventuali password fornite dai docenti). Laboratorio didattico (attrezzatura per preparazione all'analisi microstrutturale; microscopi stereoscopici ed ottici con analizzatore di immagine; microdurometro; attrezzatura per prove di trazione) e accesso a laboratori di ricerca (SEM/EDS, XRD, prove di flessione su materiali ceramici). Visite ad aziende e seminari di esperti dal mondo industriale possono venire organizzate in relazione ai temi trattati.

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 Carla Martini

Consulta il sito web di Laura Mazzocchetti

Consulta il sito web di Fabrizio Tarterini