B8045 - MATERIALI METALLICI 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 e logaritmi), risoluzione di equazioni algebriche, derivate e conoscenze di base del calcolo differenziale. (Attività formativa di riferimento: Matematica con esercitazioni).

• Conoscenza delle principali grandezze fisiche e meccaniche, delle relative unità di misura e delle relazioni che le legano. Bilanci di materia ed energia, unità di misura nelle reazioni chimiche, negli scambi termici e nelle energie di legame. Conversioni tra unità di misura nel Sistema Internazionale. (Attività formativa di riferimento: Fisica con esercitazioni).

• Reazioni chimiche e loro bilanciamento, struttura atomica e natura del legame chimico. (Attività formativa di riferimento: Chimica Generale).

• Principi fondamentali della termodinamica. (Attività formativa di riferimento: Chimica Fisica).

• Principali strutture cristalline dei materiali metallici e loro influenza sui meccanismi di deformazione plastica; proprietà meccaniche dei materiali e relative prove sperimentali; diagrammi di stato di leghe metalliche binarie; teoria della solidificazione e difetti di solidificazione; microstrutture di equilibrio delle leghe Fe-C; meccanismi di rinforzo; cenni ai fenomeni di corrosione e usura. (Attività formativa di riferimento: Scienza dei Metalli e Tecnologia dei Materiali con Laboratorio).

Introduzione al corso

Presentazione degli obiettivi formativi, del programma, delle modalità di svolgimento delle attività didattiche e di laboratorio, del materiale didattico e delle modalità di verifica dell’apprendimento.

Produzione dei materiali metallici

Estrazione e produzione dei metalli. Metallurgia primaria e secondaria: siderurgia e produzione di leghe leggere. Processi di riciclo dei materiali metallici. Sostenibilità dei processi produttivi, economia circolare e criticità legate all’approvvigionamento delle Materie Prime Critiche (Critical Raw Materials, CRM).

Tecnologie di lavorazione dei materiali metallici

Definizione e classificazione dei principali processi di trasformazione dei materiali metallici.

• Processi di fonderia in forma transitoria (fusione in sabbia) e permanente (colata per gravità, pressofusione e colata continua).
• Processi di deformazione plastica massiva e delle lamiere, con particolare riferimento a forgiatura, laminazione a caldo e a freddo, estrusione e trafilatura.
• Processi di saldatura autogena mediante gas, arco elettrico, plasma, laser e attrito.
• Processi di Additive Manufacturing, con particolare riferimento alle tecnologie Powder Bed Fusion (PBF) e Directed Energy Deposition (DED).

Diagramma ferro-carbonio e leghe ferrose

Richiami sul diagramma ferro-carbonio: fasi e costituenti strutturali. Fenomeni di solidificazione e raffreddamento di acciai in condizioni di equilibrio termodinamico. Microstrutture tipiche degli acciai in funzione del tenore di carbonio. Effetto dei principali elementi di lega. Designazione e classificazione degli acciai secondo le normative europee.

Trasformazioni di fase negli acciai

Trasformazioni isoterme e anisoterme. Trasformazioni ferritiche, perlitiche, bainitiche e martensitiche. Curve di Bain e diagrammi TTT (Time-Temperature-Transformation) e CCT (Continuous Cooling Transformation).

Trattamenti termici e termochimici degli acciai

Ricottura completa, isoterma e di ricristallizzazione. Normalizzazione. Tempra martensitica e rinvenimento. Acciai da bonifica. Trattamenti termochimici di cementazione e nitrurazione. Acciai per trattamenti termochimici. Influenza dei trattamenti termici e termochimici sulle proprietà meccaniche, sulla resistenza all’usura e alla fatica.

Acciai inossidabili

Definizione e classificazione degli acciai inossidabili. Famiglie principali: austenitici, ferritici, martensitici, duplex e indurenti per precipitazione. Composizione chimica, trattamenti termici, proprietà fisiche e meccaniche, principali settori applicativi.

Leghe di alluminio

Classificazione e designazione delle leghe da fonderia e da deformazione plastica. Effetto degli elementi di lega. Meccanismi di rinforzo. Trattamenti termici, microstruttura, proprietà fisiche e meccaniche. Principali applicazioni industriali.

Leghe di titanio

Classificazione e designazione delle leghe di titanio. Proprietà meccaniche e chimico-fisiche. Effetto degli elementi di lega. Microstrutture, trattamenti termici e principali applicazioni.

Fenomeni di degrado dei materiali metallici

Comportamento dei materiali metallici in presenza di sollecitazioni statiche, dinamiche e cicliche. Fenomeni di fatica e di scorrimento viscoso (creep). Introduzione ai fenomeni di corrosione e alle interazioni materiale-ambiente. Analisi dei cedimenti (failure analysis) mediante casi di studio.

 

Attività di laboratorio

Analisi metallografica

Principi della metallografia quantitativa e tecniche di analisi d’immagine. Procedure di campionamento e preparazione dei campioni per l’analisi microstrutturale. Preparazione metallografica e osservazione al microscopio ottico di acciai sottoposti a trattamenti termici (ricottura, normalizzazione, tempra e rinvenimento). Determinazione di profili di durezza su campioni sottoposti a trattamenti termochimici di cementazione e nitrurazione.

Microstruttura di leghe non ferrose

Osservazione e interpretazione delle microstrutture tipiche di leghe di alluminio ottenute mediante processi convenzionali e tecnologie di Additive Manufacturing.

Analisi termica

Principi di funzionamento della calorimetria differenziale a scansione (DSC). Elaborazione e interpretazione di curve DSC di leghe di alluminio. Effetti dell’esposizione a elevata temperatura sulle proprietà delle leghe di alluminio mediante analisi delle curve di degrado.

Analisi microstrutturale mediante microscopia elettronica in scansione (SEM)

Procedure di campionamento e preparazione dei campioni. Analisi delle microstrutture mediante microscopia elettronica in scansione (SEM) e, ove applicabile, microanalisi chimica EDS. Interpretazione delle microstrutture in relazione ai trattamenti termici e termochimici applicati e alle condizioni di processo.

 

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

L’insegnamento è articolato in lezioni frontali ed attività di laboratorio.

Le lezioni frontali si svolgono in presenza e prevedono l’utilizzo di supporti audiovisivi per l’illustrazione dei principali concetti teorici, delle tecnologie di processo e dei casi di studio presentati durante il corso. Al fine di favorire la partecipazione attiva degli studenti e la verifica in itinere dell’apprendimento, durante le lezioni potranno essere proposti quiz interattivi e momenti di discussione sui contenuti trattati.

Le attività di laboratorio consentono agli studenti di applicare sperimentalmente i concetti teorici sviluppati durante il corso attraverso esperienze di caratterizzazione microstrutturale, analisi termica e valutazione delle proprietà dei materiali metallici.

In considerazione delle tipologie di attività previste nel laboratorio (Modulo 2), tutti gli studenti sono tenuti a completare i moduli 1 e 2 della formazione sulla sicurezza erogata in modalità e-learning dall’Ateneo e a partecipare al Modulo 3 di formazione specifica sulla salute e sicurezza nei luoghi di studio, secondo le modalità indicate dall’Università di Bologna.

La partecipazione alle attività di laboratorio è obbligatoria. Ai fini dell’assolvimento dell’obbligo di frequenza, gli studenti devono partecipare a tutte le esperienze di laboratorio previste.

L’insegnamento aderisce ai progetti di innovazione didattica promossi dall’Università di Bologna.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento ha l’obiettivo di accertare il raggiungimento dei risultati attesi in termini di conoscenze, capacità di applicazione e autonomia di giudizio sui principali temi del corso.

In particolare, la prova d’esame mira a verificare:

• la conoscenza dei principali processi di produzione, lavorazione e trasformazione dei materiali metallici;
• la capacità di interpretare il diagramma di stato Fe-C e di descrivere le trasformazioni di fase negli acciai, con riferimento ai fenomeni di solidificazione, alle trasformazioni isoterme e anisoterme, alle microstrutture di riferimento e agli effetti dei principali trattamenti termici e termochimici;
• la conoscenza delle principali famiglie di acciai inossidabili, leghe di alluminio e leghe di titanio, con riferimento a designazione, composizione chimica, microstruttura, trattamenti termici, proprietà meccaniche e chimico-fisiche, e settori di applicazione;
• la capacità di individuare e discutere le principali cause di degrado e cedimento dei materiali metallici, con particolare riferimento a fenomeni di fatica, scorrimento viscoso (creep) e failure analysis;
• la capacità di scegliere e discutere criticamente le principali tecniche di caratterizzazione microstrutturale e meccanica dei materiali metallici utilizzate nelle attività di laboratorio.

La verifica dell’apprendimento avviene mediante una prova finale, da sostenere dopo il termine del corso previa iscrizione tramite AlmaEsami. L’esame si articola in tre componenti:

1. prova scritta relativa al modulo di Metallurgia;
2. relazioni di laboratorio in formato Powerpoint relative alle attività di laboratorio;
3. prova orale relativa al modulo di Metallurgia e alle attività di laboratorio.

Prova scritta strutturata

La prova scritta consiste in un quiz a risposta multipla composto da 30 domande, ciascuna con 4 opzioni di risposta, di cui una sola corretta. La durata della prova è di 45 minuti.

Il punteggio della prova scritta è espresso in trentesimi ed è calcolato come segue:

• +1 punto per ogni risposta corretta;
• 0 punti per ogni risposta omessa;
• -0,25 punti per ogni risposta errata.

La prova scritta si intende superata con un punteggio minimo di 18/30. Il superamento della prova scritta è necessario per accedere alla prova orale e alla valutazione finale delle relazioni di laboratorio. La prova scritta e la prova orale devono essere sostenute nello stesso appello.

Durante la prova scritta non è ammessa la consultazione di appunti, libri, materiale didattico o risorse digitali. Non è richiesto né ammesso l’uso della calcolatrice.

Relazioni di laboratorio in formato Powerpoint

La valutazione del modulo di Laboratorio si basa sulle relazioni di laboratorio in formato Powerpoint redatte relativamente alle esperienze svolte durante il corso.

Le relazioni hanno lo scopo di verificare la capacità dello studente di descrivere correttamente le procedure sperimentali adottate, interpretare i risultati ottenuti, discutere le microstrutture osservate e scegliere in modo consapevole le tecniche di caratterizzazione più idonee per lo studio dei materiali metallici.

Le scadenze per la consegna delle relazioni relative a ciascun appello saranno comunicate con anticipo tramite la piattaforma Virtuale.

Prova orale

La prova orale consiste in domande aperte sugli argomenti trattati nel modulo di Metallurgia e ha durata massima di 60 minuti.

La prova orale mira a verificare la padronanza dei contenuti, la capacità di collegare tra loro i diversi argomenti del corso, l’uso corretto della terminologia tecnica e la capacità di discutere criticamente le relazioni tra processo, microstruttura, proprietà e prestazioni dei materiali metallici.

Durante la prova orale non è ammessa la consultazione di appunti, libri, materiale didattico o risorse digitali.

Determinazione del voto finale

Il voto finale, espresso in trentesimi, tiene conto dei risultati ottenuti nelle:

• relazioni di laboratorio;
• prova orale.

Ai fini della valutazione finale saranno considerati: il livello di conoscenza degli argomenti del corso, la capacità di applicare i concetti teorici a casi concreti, la correttezza dell’interpretazione dei risultati sperimentali, la capacità di collegamento tra i diversi contenuti dell’insegnamento, la chiarezza espositiva e la padronanza della terminologia tecnico-scientifica.

Esempi di domande relative sia alla prova scritta sia alla prova orale sono disponibili nel materiale didattico fornito tramite la piattaforma Virtuale.

Studenti e studentesse con DSA o disabilità

Studenti e studentesse con DSA o disabilità temporanee o permanenti sono invitati/e a contattare per tempo l’ufficio di Ateneo competente. L’ufficio proporrà eventuali adattamenti, che dovranno essere sottoposti con adeguato anticipo, e comunque almeno 15 giorni prima della prova, all’approvazione del/della docente, che ne valuterà la coerenza con gli obiettivi formativi dell’insegnamento.

Utilizzo dell’Intelligenza Artificiale generativa

Per quanto riguarda la verifica dell’apprendimento, l’uso dell’Intelligenza Artificiale generativa è vietato nelle prove d’esame. Ogni utilizzo non autorizzato costituisce violazione dell’integrità accademica.

Per le relazioni di laboratorio, è consentito un uso limitato, dichiarato e non sostanziale dell’IA generativa per attività di supporto linguistico, sintesi o riformulazione. Non è consentito l’uso sostanziale dell’IA per l’elaborazione dei dati, l’interpretazione dei risultati, la discussione tecnico-scientifica o la redazione autonoma di parti rilevanti della relazione. Ogni eventuale utilizzo deve essere esplicitamente dichiarato nella relazione.

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).

Studenti/sse con DSA o disabilità temporanee o permanenti: si raccomanda di contattare per tempo l’ufficio di Ateneo responsabile (https://site.unibo.it/studenti-con-disabilita-e-dsa/it). Sarà sua cura proporre agli/lle studenti/sse interessati/e eventuali adattamenti, che dovranno comunque essere sottoposti, con un anticipo di 15 giorni, all’approvazione del docente, che ne valuterà l'opportunità anche in relazione agli obiettivi formativi dell'insegnamento.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Gianluca Di Egidio