28184 - SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI: STRUTTURA E PROPRIETA' L

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso lo studente è in grado di riconoscere e distinguere 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.

Contenuti

La scienza dei materiali: ambito disciplinare e obiettivi formativi. Definizione di materiali. Classi di materiali e classi di proprietà. Competizione e sinergia tra i materiali. Evoluzione dei materiali. Contenuto energetico ed eco-compatibilità dei materiali. Risorse, riserve e riciclo dei materiali.
 
Struttura e microstruttura dei materiali. Relazione tra struttura e tipo di legame chimico: solidi covalenti, ionici e metallici. Molecole e solidi molecolari. Legami intra- ed inter-molecolari (di Van der Waals e  a idrogeno) nei solidi polmerici. La struttura cristallina dei metalli: celle cubica a facce centrate (cfc), esagonale compatta (ec) e cubica a corpo centrato (ccc). Spazi interstiziali nelle celle cfc, ec e ccc. La struttura dei cristalli ionici: influenza della stechiometria e del rapporto tra i raggi ionici. I cristalli covalenti e iono-covalenti . La silice e i silicati. La struttura dei materiali polimerici: influenza della natura e della disposizione spaziale dei sostituenti. I materiali non cristallini. Vetri minerali e polimeri amorfi. I vetri metallici. Elementi di cristallografia. Sistemi cristallini e celle elementari. Indici cristallografici: direzioni e piani di alta densità atomica nei cristalli metallici. La diffrazione RX nello studio delle strutture cristalline.
 
Proprietà dipendenti dalla struttura e dalla forza dei legami interatomici: densità, punto di fusione  e modulo elastico. Relazione tra i diversi moduli elastici. La rigidità dei solidi macromolecolari; polimeri termoplastici, termoindurenti e fibre polimeriche. Gli elastomeri. Comportamento elastico dei materiali compositi . Fenomeni di anelasticità. La deformazione visco-elastica.
 
La microstruttura dei materiali. Materiali ad uno o più componenti. Soluzioni solide sostituzionali ed interstiziali. Soluzione ideale e soluzione regolare. I diagrammi energia libera-composizione. I diagrammi di stato a due componenti: a solubilità completa, a solubilità parziale con eutettico o con peritettico. Fasi intermedie e composti intermetallici: diagrammi di stato di leghe industriali.  Diagrammi di stato ceramici. Copolimeri e  miscele polimeriche.
 
Trasformazioni di fase nei materiali: aspetti termodinamici e cinetici. Ruolo dei difetti di punto. Vacanze e interstiziali. I meccanismi di diffusione nei solidi. Leggi di Fick della diffusione: aspetti applicativi. Percorsi di diffusione preferenziali nei solidi reali. La solidificazione.. Nucleazione omogenea ed eterogenea. Morfologie di accrescimento dei nuclei: cristalli dendritici e miscugli eutettici. Microstrutture di solidificazione delle leghe: fenomeni di micro- e  macrosegregazione. La ricottura di omogeneizzazione. Porosità e cavità di ritiro nei getti metallici: cause e rimedi. Solidificazione cristallina e transizione vetrosa nei silicati e nei polimeri organici. Microstrutture di solidificazione dei polimeri.Vetrificazione e greificazione nei materiali ceramici.
 
Le trasformazioni in fase solida. L'equazione di Avrami. Le curve TTT (Tempo-Temperatura-Trasformazione). Il diagramma di stato Fe-C: le trasformazioni austenite-perlite ed austenite-bainite. Microstruttura degli acciai in funzione del tenore di C e della velocità di raffreddamento. Le trasformazioni non diffusive la trasformazione austenite-martensite. Struttura e proprietà della martensite. La tempra strutturale degli acciai. Distensione e rinvenimento degli acciai temprati: microstrutture di trasformazione della martensite. I trattamenti termici dell'acciaio: effetto degli elementi di lega. Reazioni di precipitazione in fase solida. La tempra di soluzione. La sinterizzazione di polveri fini: aspetti termodinamici e cinetici. La microstruttura dei prodotti ceramici tradizionali e dei materiali ceramici avanzati. Le vetroceramiche.
 
Resistenza teorica a trazione dei materiali cristallini. La deformazione plastica per slittamento interplanare. I difetti di linea: dislocazione a spigolo, a vite e mista. Piani e direzioni di scorrimento delle dislocazioni: il vettore di Burgers. I sistemi di scorrimento nei metalli. Tensione tangenziale critica e carico di snervamento. Incrudimento e massima resistenza a trazione: il carico di rottura dei metalli. Strizione ed allungamento a rottura: la duttilità. I limiti della deformazione a freddo. Riassetto e ricristallizzazione dei metalli incruditi: la ricottura di lavorazione. I meccanismi di indurimento: per soluzione solida, per precipitazione e per affinamento dei grani. Il comportamento a trazione dei polimeri termoplastici: snervamento, strizione e stiro a freddo. Resistenza a trazione e a compressione dei materiali ceramici. Il modulo di rottura a flessione. Natura statistica della resistenza a rottura dei materiali ceramici: il fattore di Weibull.
 
Frattura duttile e frattura fragile. La tenacità a frattura. La tenacità all'urto: transizione duttile-fragile negli acciai. La rottura per fatica dei materiali metallici: i diagrammi di Whoeler. Meccanismi di innesco e propagazione delle cricche di fatica. Lo scorrimento viscoso a caldo (creep). I meccanismi dello scorrimento viscoso nei metalli. La formatura per deformazione plastica a caldo. Lo stampaggio dei polimeri termoplastici. La formatura dei vetri inorganici.
 
I materiali leganti. Gesso e calce aerea. Calci idrauliche e cementi. Presa e indurimento delle malte cementizie. I materiali compositi. Compositi particellari: carburi cementati e calcestruzzo.Compositi fibrosi. Proprietà delle fibre ceramiche e polimeriche. I polimeri rinforzati con fibre: modulo elastico, resistenza a trazione e tenacità. Compositi laminari e strutture a sandwich. Compositi cellulari: i polimeri espansi. Struttura e proprietà del legno.
 
Le proprietà fisiche dei materiali. La conduzione elettrica secondo la teoria delle bande dei solidi: conduttori, semiconduttori ed isolanti. Influenza della temperatura e della composizione sulla resistività dei metalli. I superconduttori. I polimeri conduttori. Semiconduttori intrinseci ed estrinseci. I dispositivi a semiconduttori. Le proprietà dielettriche: isolatori e condensatori. Piezoelettricità ed elettrostrizione. Proprietà magnetiche: paramagnetismo e ferromagnetismo. Materiali magnetici duri e dolci. L'interazione tra fotoni e materiali. Sistemi e materiali fotonici. Le proprietà termiche: conducibilità ed espansione termiche dei materiali. Capacità termica e calore specifico. Lo shock termico.
 
Degradazione, corrosione ed invecchiamento dei materiali. La corrosione umida dei metalli: basi termodinamiche e meccanismo elettrochimico. Forme di corrosione. Metodi di protezione attivi. Trattamenti e rivestimenti protettivi. L'ossidazione a caldo dei metalli. Degradazione termica e fotochimica dei polimeri. Corrosione chimica dei materiali ceramici

Testi/Bibliografia

William F. Smith : “SCIENZA  E  TECNOLOGIA  DEI  MATERIALI” Ed. McGraw Hill, 2004
Testi di complemento:
1)    W.D:Callister: “SCIENZA E INGEGNERIA DEI MATERIALI” EdiSES-Napoli 2003
2)    W.Kurz, J.P.Mercier, G.Zambelli “INTRODUZIONE ALLA SCIENZA DEI MATERIALI” Hoepli Ed. 19973)    M.F.Ashby, D.R.H:Jones “ENGINEERING MATERIALS” 2 Voll    Butterworth-Heinemann Ed. 1997
4)    D.Askeland “ THE SCIENCE AND ENGINEERING OF MATERIALS” 3°Ed. Pergamon 1996
5)    AA.vari “MANUALE DEI MATERIALI PER L'INGEGNERIA”  Ed. McGraw Hill
William F. Smith : “SCIENZA  E  TECNOLOGIA  DEI  MATERIALI” Ed. McGraw Hill, 2004
Testi di complemento:
1)    W.D:Callister: “SCIENZA E INGEGNERIA DEI MATERIALI” EdiSES-Napoli 2003
2)    W.Kurz, J.P.Mercier, G.Zambelli “INTRODUZIONE ALLA SCIENZA DEI MATERIALI” Hoepli Ed. 19973)    M.F.Ashby, D.R.H:Jones “ENGINEERING MATERIALS” 2 Voll    Butterworth-Heinemann Ed. 1997
4)    D.Askeland “ THE SCIENCE AND ENGINEERING OF MATERIALS” 3°Ed. Pergamon 1996
5)    AA.vari “MANUALE DEI MATERIALI PER L'INGEGNERIA”  Ed. McGraw Hill

Metodi didattici

Le lezioni sono articolate in modo che le più importanti proprietà dei materiali vengano analizzate e discusse secondo uno schema orizzontale. Particolare attenzione viene dedicata alle relazioni tra struttura e proprietà, all'influenza della microstruttura e dei difetti strutturali, alle tecniche di formatura e ai requisiti tecnologici del prodotto finito.

Le lezioni vengono integrate da esercizi numerici ed affiancate da esercitazioni di laboratorio atte a verificare sperimentalmente alcuni dei concetti esposti.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La prova di accertamento è orale e si svolge in forma di colloquio tendente a verificare il grado di apprendimento dello studente e la sua capacità di spiegare il comportamento dei materiali alla luce dei concetti sviluppati durante il corso.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Angelo Casagrande