Scienze dei Materiali

Scienze dei Materiali
Le proprietà dei materiali
La materia è organizzata in diversi
livelli
• Livello subatomico Interazioni di elettroni e nuclei entro
gli atomi; fornisce le basi per la comprensione del
comportamento elettrico, magnetico, termico ed ottico dei
materiali.
• Livello atomico e molecolare Interazione tra atomi (e/o
molecole) che conducono diversi tipi di legame e a diversi
stati di aggregazione della materia.
• Livello microscopico Disposizione degli atomi e delle
molecole nello spazio (cristallinità ed aggregazione amorfa).
• Livello macroscopico Proprietà misurabili in laboratorio su
un volume di materiale e risultanti la media delle proprietà
degli stati microscopici.
Legami
• Il legame ionico si instaura tra ioni di carica
opposta. Gli ioni si sistemano nei solidi in
modo da preservare l’elettroneutralità
complessiva. I solidi ionici sono costituiti da
aggregati tridimensionali con un elevato grado
di impaccamento anche se non pari a quello
dei metalli. Il rapporto tra i raggi ionici (r /R)
determina la geometria dell’intorno di ogni
ione (numero di coordinazione).
Legame covalente
• Il legame covalente si instaura tra atomi simili
quando gli orbitali atomici di entrambi si
sovrappongono dando luogo agli orbitali di
legame. Il legame covalente si instaura lungo la
direzione in cui gli orbitali atomici danno luogo
alla massima sovrapposizione. La direzionalità del
legame impedisce il libero posizionamento degli
atomi nello spazio e limita fortemente
l’impaccamento atomico. In genere il legame
covalente è altamente energetico e ciò spiega gli
alti valori di resistenza dei materiali che li
compongono.
Legame metallico
• Il legame metallico si instaura tra gli atomi metallici a
causa della elevata mobilità e delocalizzazione degli
elettroni di valenza. L’orbitale che descrive il legame deve
essere un orbitale molecolare che abbracci tutti gli atomi. Il
legame metallico non è direzionale, si sviluppano
interazioni della stessa intensità in tutte le direzioni. Questo
spiega perché gli atomi metallici si sistemino nello spazio
formando strutture molto impaccate ed alta densità. In
particolare vanno ricordati i metalli di transizione che
hanno come elettroni di valenza quelli negli orbitali d (ed f).
Il legame metallico ha un parziale carattere covalente che
spiega gli alti punti di fusione e le alte resistenze mostrati
da alcuni elementi metallici.
STRUTTURE DEI SOLIDI
• I materiali di interesse ingegneristico sono allo stato solido; per
stato solido si intende uno stato di aggregazione di atomi ioni o
molecole, in contrapposizione con gli stati fluidi, liquidi o gassosi.
L’aggregazione delle particelle costituenti il solido può condurre a
strutture cristalline o amorfe.
• Solido cristallino: Regolarità della ripetizione delle distanze
interatomiche anche oltre i primi vicini Ordine a lungo raggio Danno
luogo ad un’immagine di diffrazione se irradiati con raggi X
• Solido amorfo Assenza di regolarità nella disposizione
tridimensionale degli atomi Ordine a corto raggio Non danno luogo
ad un’immagine di diffrazione se irradiati con raggi X
• METALLI cristallini
• CERAMICI cristallini ed amorfi
• POLIMERI amorfi e semicristallini
• Un solido amorfo può essere considerato un liquido ad alta viscosità (o
bassa fluidità).
• In un materiale semicristallino si possono individuare zone cristalline, e
quindi ordinate, circondate da atomi non disposti in maniera ordinata. Un
solido cristallino è caratterizzato da disposizione ordinata degli atomi,
ioni o molecole, ossia le unità costitutive del cristallo. Nel caso di
molecole (es. H2O, polimeri… ) il legame responsabile della formazione del
cristallo sarà un legame secondario (dipolo-dipolo o Van der Waals). Nel
caso di un singolo cristallo puro, l’ordine interno si manifesta con la
simmetria dell’aspetto esteriore. Il cristallo può essere immaginato o come
una disposizione regolare di atomi o come un reticolo tridimensionale
ottenuto per ripetizione di un’identica unità di base o anche detta cella
Unitaria. La sistemazione degli atomi secondo un reticolo ordinato è una
conseguenza della tendenza della materia verso la condizione di energia
interna minima. L’energia complessiva di tutto il cristallo è data dalla
sommatoria delle energie relative alle coppie di atomi. Gli atomi vengono
assimilati a delle sfere.
Microstruttura
•
•
Il livello di organizzazione strutturale della materia che può essere osservata
generalmente con l'aiuto di un microscopio (ottico ed elettronico) è quello che
può essere definito microstruttura.
La microstruttura è il risultato delle modalità di produzione di un materiale, ma
anche delle successive lavorazioni e dei trattamenti subiti. Il rilevamento
microstrutturale fa parte dei metodi di controllo della qualità dei materiali in
esercizio: una variazione della microstruttura indica variazioni nelle proprietà e
possibile degradazione. La microstruttura è l'insieme di caratteristiche che va
dal numero di fasi presenti alla loro distribuzione, forma geometrica, frazione
in volume e dimensioni. Tutte le proprietà dei materiali ne sono influenzate in
diverso grado. L'omogeneità (il materiale è costituito da una sola fase anche
se non necessariamente da un solo elemento) o l'eterogeneità (il materiale è
costituito da due o più fasi distinte) dei materiali sono caratteristiche
microstrutturali importanti. Tra i materiali per costruzioni o di interesse
industriale è molto più diffusa l'eterogeneità. Il numero e la quantità di fasi
presenti possono essere valutati sulla base dei diagrammi di stato.
• La dimensione delle fasi dipende strettamente da
fattori cinetici legati alla formazione e crescita delle
fasi. La forma e le distribuzioni delle fasi sono meno
prevedibili. La forma delle fasi può determinare
l'isotropia o l'anisotropia delle proprietà dei materiali.
Nel primo caso le proprietà assumono sempre lo
stesso valore indipendentemente dalle direzioni di
misura, nel secondo caso il valore sarà diverso
dipendentemente dalla direzione di misura
sperimentale. Sono anisotropi i cristalli singoli ed i
materiali policristallini orientati. Sono isotropi gli
amorfi (vetri, polimeri) ed i policristallini non orientati
Proprietà meccaniche
• Le proprietà meccaniche determinano la risposta dei materiali
sotto l’azione di forze. Esse dipendono dal tipo di legame, dalla
struttura, dal numero e dal tipo di imperfezioni e quindi sono
sensibili ai processi di formatura, che sono in grado di variare la
microstruttura a parità di composizione chimica. Le forze,
dipendentemente dalle modalità di applicazione sono definite
statiche o dinamiche. Le forze statiche sono costanti nel tempo,
mentre quelle dinamiche variano col tempo (impatto, forze
alternate).
• Ogni forza applicata ad un materiale determina uno sforzo
• σ = F/A (Pa o multipli)
• ed una conseguente deformazione ε (ε > 0→trazione,ε <
0→compressione)
Proprietà meccaniche dei materiali
• Resistenza: la capacità di resistere ad una forza applicata senza fratturarsi.
• Elasticità: la capacità di ritornare alle dimensioni proprie.
• Plasticità: la capacità di conservare la forma imposta.
• Duttilità: la capacità di essere tirati in fili.
• Malleabilità: la capacità di essere laminati.
• Anelasticità: deformazione elastica dipendente dal tempo
• Scorrimento viscoso: capacità di deformarsi permanentemente ad un
grado dipendente dal tempo di applicazione del carico
• Fragilità: la tendenza a fratturarsi se sottoposto ad un carico, soprattutto
se di tipo impulsivo. I materiali fragili non mostrano segni premonitori
dell’imminente frattura.
• Resilienza: la capacità di assorbire lavoro per fratturarsi in maniera fragile.
• Tenacità: la capacità di resistere alla frattura con grande deformazione.
• Durezza: resistenza all’abrasione e all’indentazione, in generale alla
deformazione plastica.
Resistenza
• Nel loro impiego i materiali devono resistere a
sollecitazioni meccaniche di varia natura: carichi
di trazione, compressione, taglio, flessione, urto,
ecc.. Le deformazioni sono prodotte da sforzi che,
localmente, superano l’energia dei legami chimici
consentendo lo scorrimento relativo dei piani
cristallini o delle macromolecole che li
costituiscono cosicché il materiale può assumere
nuove forme (comportamento plastico).
• Sforzi più elevati comportano la rottura.
Deformabilità
• La deformabilità dei materiali viene prima di tutto valutata con
prove statiche sottoponendo provini di dimensioni contenute e
forma geometrica semplice a forze statiche e misurando le
deformazioni corrispondenti. Le prove statiche sono generalmente
uniassiali sono dette di compressione, trazione e taglio. Durante la
prova si incrementa la forza applicata continuando a registrare le
deformazioni prodotte, fino a frattura del materiale. I provini sono
diversi a seconda del tipo di materiale e prova: cilindri di grande
diametro o cubi nel caso di compressione (se il materiale non è
fragile la prova si interrompe quando l =1/2 lo). Il provino per la
prova in trazione è in genere di materiale metallico e sagomato per
poter essere afferrato nei morsetti della macchina di prova (i
materiali ceramici e fragili generalmente non vengono testati
secondo questa modalità). Tutti i materiali possono essere suddivisi
in classi relativamente al loro modo prevalente di deformazione,
valutato tramite i diagrammi tensione deformazione (σ ε).
Legge di Hooke
• L’elasticità è governata dalla legge di Hooke σ = Eε
(sollecitazione uniassiale) con E = modulo di Young; σ carico
unitario; ε allungamento
• Un materiale si dice elastico quando la deformazione
prodotta è interamente recuperata alla rimozione della
forza.
• Un materiale si dice elastoplastico quando, superato un
certo valore di forza, la deformazione indotta permane.
• Un materiale elastomerico mostra grande deformazione
recuperabile per bassi valori di tensione.
• Esistono anche i materiali viscoelastici ed anelastici nei
quali la deformazione dipende dal tempo di applicazione
della forza.
Modulo di Young
• Il modulo di Young E è una caratteristica del
materiale, dipende direttamente dalle forze di
legame e cresce all’aumentare di queste. I
materiali molecolari hanno bassi valori di modulo
elastico, in quanto i legami intermolecolari sono
molto deboli. Il modulo elastico decresce
all’aumentare della temperatura, in quanto le
distanze interatomiche medie sono maggiori e si
riducono le forze interatomiche di richiamo
elastico
• Il modulo elastico risente dell’alligazione, il
modulo elastico della lega segue la legge delle
miscele. L’aggiunta di piccole frazioni in
volume di legante non produce apprezzabili
variazioni di modulo di elasticità. Infatti gli
acciai al carbonio (C fino a 1.2% in peso)
hanno lo stesso modulo elastico e diversa
deformabilità
Durezza
• La durezza rappresenta la resistenza di un materiale all’abrasione ed alla
penetrazione. La procedura di misurazione della durezza prevede l’utilizzo di
indentatori. L’indentatore è costituito da un penetratore con punta di
materiale molto duro che, caricato con pesi di valore noto, produce su
superfici piane del materiale delle impronte misurabili. Infatti la procedura di
misura prevede che inizialmente, a causa della ridotta area di contatto tra la
punta e la superficie, l’indentatore eserciti una pressione tanto elevata da
indurre deformazione plastica. La penetrazione dell’indentatore si arresta
quando l’area dell’impronta di deformazione si è accresciuta a tal punto da
non provocare più né deformazione plastica né elastica. Alcuni indentatori
(microindentatori) possono produrre impronte di dimensioni micrometriche,
tanto che la misura di durezza può essere fatta senza alterare il manufatto. La
prova è non distruttiva e può essere condotta in situ per il controllo qualità o
la verifica dello stato del materiale. I materiali molto duri sono anche molto
fragili, per cui la durezza di materiali ceramici come il vetro viene misurata
con microindentatori. Gli indentatori possono essere appuntiti (metodo
Vickers) o arrotondati (metodo Brinell) ed il valore di durezza viene indicato
con HV (Hardness Vickers = durezza Vickers) o HB (Hardness Brinell = durezza
Brinell) ed unità di misura della pressione.
• HV = F/A = Pa o suoi multipli