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

Scienza dei Metalli

La scienza dei metalli e 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

Tecnologia dei Materiali

- Metalli

Lavorazioni per deformazione plastica dei metalli: fucinatura e stampaggio, estrusione e trafilatura, laminazione, lavorazione delle lamiere.


Processi di fabbricazione per fusione: tecniche di fusione in sabbia, in forma permanente, colata continua.

Tecniche di saldatura: saldatura con arco elettrico, procedimenti TIG, MIG e MAG, saldatura laser e per resistenza elettrica.
Lavorazioni alle macchine utensili.

- Materiali Ceramici

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 e separatori a ciclone, idrocicloni.

Macinazione a ciclo continuo, filtropressatura, atomizzatori.


Granulazione, Foggiatura, Estrusione.


Essiccamento: essiccatoi a camera, a tunnel, rapidi orizzontali e rapidi verticali.


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


Movimentazioni e scelta: TGV, layout di stabilimento.

Cicloni: caratteristiche e funzionamento.

Separatori a filtro, Separatori elettrostatici, Separatori a umido
Trasportatori: a rulli, a nastro, a tazze e a coclea
Trasporto pneumatico.

Laboratorio

- Generalità sulla struttura dei materiali cristallini: la diffrazione di RX.

-Introduzione pratica ai diagrammi di stato: genesi e lettura delle microstrutture.

- Procedure di campionamento e preparazione dei campioni per l'analisi microstrutturale.

- Il diagramma di stato Fe-C e Fe-Fe3C le strutture delle 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.

- Tecniche di microscopia ad alto ingrandimento (SEM, TEM, AFM) e osservazione di microstrutture di materiali metallici e ceramici al SEM con microanalisi EDS.

- Analisi termica (DSC, TGA, dilatometria) applicata a materiali bassofondenti.

- Misura delle proprietà meccaniche dei materiali: prova di flessione su materiali ceramici; prove di microdurezza su materiali metallici; prove di trazione su materiali metallici e polimerici; prove tribologiche (misure di attrito ed usura) su materiali ceramici.

- Prove non distruttive.

- Misura delle proprietà di materiali ceramici piezoelettrici.

Testi/Bibliografia

Lucidi ed appunti del corso

William F. Smith : “SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI” Ed. McGraw Hill, 2004


W.D:Callister: “SCIENZA E INGEGNERIA DEI MATERIALI” EdiSES-Napoli 2003


W.Kurz, J.P.Mercier, G.Zambelli “INTRODUZIONE ALLA SCIENZA DEI MATERIALI” Hoepli Ed. 1997

M.F.Ashby, D.R.H:Jones “ENGINEERING MATERIALS” 2 Voll Butterworth-Heinemann Ed. 1997


D.Askeland “ THE SCIENCE AND ENGINEERING OF MATERIALS” 3°Ed. Pergamon 1996


AA.vari “MANUALE DEI MATERIALI PER L'INGEGNERIA” Ed. McGraw Hill


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


Dieter, G.E., Mechanical metallurgy, 1988, SI metric edition, McGraw-Hill


Edwards, L. and Endean, M., Manufacturing with materials, 1990, Butterworth

Heinemann
Lange, K., Handbook of metal forming, 1985, R.R Donnelly & Sons Company,


Beddroes, J. Bibbly M.J., Principles of metal manufacturing processes, Arnold


G.P. Emiliani, F. Corbara, Tecnologia Ceramica, 1999, Faenza Editrice


Preparazione materie prime e formatura di p.c., 2008, S.A.L.A. Editore Modena


Essiccazione e cottura di piastrelle ceramiche, 2008, S.A.L.A. Editore, Modena


V. Petrone, E. Fiocco. L'impianto Chimico, 2000, Siderea, Roma.


Metodi didattici

Lezioni Frontali, Lezioni ed esercitazioni in laboratorio, con svolgimento secondo l'orario ufficiale.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Scienza dei Metalli 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. Tecnologia dei Materiali Prova scritta. Laboratorio: Valutazione delle relazioni redatte a seguito delle esperienze pratiche.

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore e PC, lavagna tradizionale.

Laboratorio didattico (attrezzatura per preparazione all'analisi microstrutturale; microscopi stereoscopici ed ottici con analizzatore di immagine; microdurometro; attrezzatura per prove di trazione; DSC) e accesso a laboratori di ricerca.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Angelo Casagrande

Consulta il sito web di Alessandro Morri

Consulta il sito web di Carla Martini