45373 - FISICA DEI MATERIALI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al temine del corso, lo studente possiede le nozioni indispensabili alla comprensione delle proprietà fisiche dei materiali in relazione ai concetti di ordine e dimensionalità ed alcune conoscenze sulle metodologie fisiche per la sintesi di materiali ad avanzato impiego tecnologico. Durante l'attività di laboratorio, lo studente apprende le metodologie e conosce le apparecchiature per la sintesi di materiali nanostrutturati.

Contenuti

1- Simmetria, struttura e proprietà di equilibrio

Proprietà fisiche tensoriali della materia: simmetrie intrinseche. Il principio di Neumann. Operazioni ed elementi di simmetria nei cristalli. La proiezione stereografica. Teorema di Eulero e combinazione di assi di simmetria. I gruppi puntuali cristallografici e la simmetria delle proprietà tensoriali. Applicazioni: piroelettricità, ferroelettricità, proprietà ottiche, piezoelettricità, elasticità. Estensione del principio di Neumann all'inversione temporale: proprietà magnetiche. I gruppi spaziali e la loro costruzione. Esempi di strutture cristalline. Topological close-packing. Ordine a lungo raggio senza simmetria di traslazione: i quasicristalli

2- Termodinamica e trasformazioni di fase

Diagramma di fase di una sostanza pura: equazione di Clapeyron, tensione del vapore. Diagramma di fase ed energia libera di un sistema binario: ordinamento a lungo raggio e gap di miscibilità in funzione della temperatura. Soluzioni solide: ideali, diluite e regolari. Ordine a corto raggio. Equazione di Gibbs-Duhem. Equilibrio tra fasi con composizione variabile. Il potenziale chimico. Linee del solido e del liquido per una soluzione ideale. Linea del soluto per un sistema con gap di miscibilità. Diagrammi di fase binari: comprensione del significato e dei principi di costruzione con il metodo della tangente comune e la regola della leva. La regola delle fasi di Gibbs: punti invarianti di un diagramma di fase. Esempi di diagrammi di fase: Al-Cu, Al-Si, Fe-C.

Termodinamica irreversibile e cinetica: accoppiamento di forze e flussi. Produzione di entropia: postulato base della termodinamica irreversibile. Principio di simmetria di Onsager: simmetria delle proprietà di trasporto. Effetti termoelettrici: materiali e applicazioni. Forze motrici e flussi di diffusione: il potenziale di diffusione. Legame fra punto di vista macroscopico e microscopico: salti atomici termicamente attivati, random walk e coefficiente di diffusione. L'equazione della diffusione. Meccanismi atomici per la diffusione: auto-diffusione, diffusione sostituzionale e interstiziale in gradiente di concentrazione, effetto Kirkendall, regime intrinseco ed estrinseco in cristalli ionici; trasporto ionico allo stato solido. Trasformazioni di fase: parametro d'ordine conservato e non conservato. Trasformazioni continue: decomposizione spinodale e ordine-disordine; equazioni di Cahn-Hilliard e di Allen-Cahn Trasformazioni discontinue: nucleazione omogenea e eterogenea; precipitazione nei sistemi Cu-Co e Al-Cu. Trasformazioni martensitiche: analogia con il twinning. Materiali a memoria di forma. Cenni alla nucleazione e crescita, equazione di Johnson-Mehl-Avrami.

3- Argomenti selezionati

Introduzione ai difetti cristallini estesi

Dislocazioni a spigolo e a vite. Energia elastica e forza agente su una dislocazione. Dissociazione di una dislocazione in parziali di Shockley. Stacking faults. Interfacce in solidi cristallini: classificazione generale. Bordi di grano a basso e alto angolo: struttura ed energia. Diffusione lungo difetti estesi.

Fondamenti di proprietà meccaniche dei materiali

Metodi per la misura delle proprietà meccaniche di un materiale: rigidità, carico di snervamento, durezza, resistenza. Base microscopica: la resistenza teorica di un cristallo alla deformazione plastica. Dislocazioni e proprietà meccaniche: sorgente di Frank-Read. Deformazione plastica termicamente attivata: creep di Nabarro-Herring e di Coble. Le mappe di Ashby.

Materiali nanostrutturati

Caratteristiche fondamentali dei materiali nanostrutturati, quali: condizione mesoscopica, effetti dimensionali, fenomeni di confinamento. Classificazione in base a microstruttura e composizione.

Stoccaggio di idrogeno allo stato solido

Fisica del processo reversibile di trasformazione di fase metallo-idruro. Equazioni di van't Hoff e di Sievert. Il modello lattice gas: termodinamica statistica dell'idrogeno interstiziale. Prospettive aperte dall'impiego di materiali innovativi e nanostrutturati.

Testi/Bibliografia

Saranno resi disponibili i lucidi delle lezioni. Saranno inoltre distribuiti articoli scientifici su argomenti selezionati.

Per approfondimenti si consiglia la consultazione dei libri di testo:

· M. De Graef, M. E. McHenry, Structure of Materials, Cambridge University Press

· R.A. Swalin, Thermodynamics of Solids, Wiley (per richiami di termodinamica)

· R.W. Balluffi, S.M. Allen, W.C. Carter, Kinetics of Materials, Wiley

Metodi didattici

Lezioni frontali

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Colloquio

Strumenti a supporto della didattica

Personal computer e videoproiettore, ambienti software dedicati.
Appunti e materiale didattico saranno depositati su campus.cib.unibo.it

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Luca Pasquini