esame materiali
test
risposta d
MATERIALI
METALLI (170)
Intro
Materiali inorganici composti di elementi metallici
Elevate caratteristiche meccaniche
Deformabilità plastica
Buona conducibilità termica/elettricA
Riflettività e lucentezza
Legame chimico e struttura cristallina
A temp. ambiente sono tutti solidi
Atomi sono disposti nello spazio in modo regolare -> struttura tridimensionale ordinata e ripetitiva (reticolo cristallino)
Legame metallico -> elettroni si muovono facilmente tra i vari atomi del reticolo formando una nuvola elettrica + legame forte (proprietà meccaniche elevate)
Facilità di movimento di elettroni (alta conducibilità elettrica e termica)
Legame metallico è adirezionale
Struttura cristallina compatta: cubico a facce centrate (cfc) + esagonale compatto (ec) + cubico a corpo centrato
Difetti reticolari
Difetti possono essere localizzati (puntiformi) oppure più estesi (lineari)
I difetti sono alla base di alcune proprietà dei metalli
Puntiformi: costituiti da atomi interstiziali (nella posizione sbagliata)/ da vacanze -> facilitano il processo di diffusione, omogenizzando la composizione chimica della lega
Lineari: facilitano le dislocazioni(lo sforzo necessario per ottenere una deformazione plastica è notevolmente inferiore) -> le dislocazioni sono dei difetti formati da successioni di atomi posizionati in punti non coincidenti con esatte posizioni reticolari -> possono essere a spigolo o a vite
Dislocazione a spigolo
Dislocazione angolo
Incrudimento: quando la forza sufficiente fa scorrere le dislocazioni all’interno portandolo a livello macroscopico => aumento le caratteristiche meccaniche resistenziali del materiale
Ricristallizzazione: ad elevata temperatura si verificano dei riarrangiamenti degli atomi nel reticolo cristallino -> riducendo il numero di dislocazioni
Bassa temperatura => incrudimento + minori variazioni di forma
Alta temperatura => ricristallizzazione + maggiori variazioni di forma
Difetti di superficie e bordi di grano
Materiale metallico commerciale -> formato da vari grani cristallini (no unico cristallo) con varie orientazioni diverse
Deformazione plastica a freddo -> rompe grani cristallini => diminuisce la dimensione dei grani stessi => aumento resistenza meccanica
Struttura delle leghe metalliche
Metalli diversi possono coesistere in un unico reticolo cristallino + formare due o più reticoli cristallini => possibile per soluzioni solide interstiziali/sostituzionali + fasi intermedie
Soluzioni solide interstiziali: gli atomi del soluto (metallo presente in minor quantità) sono così piccoli da poter stare negli spazi vuoti del solvente
Soluzioni solide sostituzionali: gli atomi del soluto prendono il posto degli atomi del solvente -> devono essere metalli molto simili
Composti intermetallici es. carburo di ferro
Meccanismi di rafforzamento
Trattamenti che creano ostacoli al movimento delle dislocazioni => aumento caratteristiche meccaniche
Rafforzamento per alligazione: aggiunta di un elemento di lega a un metallo => soluzioni solide
Rafforzamento per incrudimento: deformazione plastica a freddo => moltiplicazione delle dislocazioni presenti e la loro interazione
Rafforzamento per trattamento termico: tempra -> riscaldamento del materiale e successivo raffreddamento => se il raffreddamento è molto rapido si forma una fase non stabile chiamata martensite (struttura distorta che rende l’acciaio duro, resistente ma fragile) -> con un ulteriore riscaldamento aumento la tenacità
Rafforzamento per precipitazione: aggiunta di piccole quantità di altri elementi -> piccoli precipitati all’interno del reticolo ostacolano la deformazione del materiale rafforzandolo es. alluminio-rame
Proprietà dei materiali metallici
Densità elevata
Caratteristiche meccaniche elevate
Leghe metalliche più resistenti dei metalli puri
Rigidità elevata e diversa tra i vari metalli
Tutti i metalli conducono l’elettricità e il calore
Sono opachi e lucenti
Degrado per corrosione
Leghe di ferro
Leghe costituite da ferro e carbonio
Densità: 7,78 g/cm3
Strutture cristalline: t ambiente - 911° CCC / 911° - 1392° CFC / 1392° - 1532° CCC
Ferro non è mai utilizzato puro -> sempre lega di carbonio e altri elementi: acciai (tenore di carbonio minore di 2,06% d) + ghise (tenore del carbonio maggiore di 2,06%) -> temperature di fusione diminuisce all’aumentare del contenuto di carbonio
Acciaio: lega ferro-carbonio, si dividono in classi (da costruzione di uso generale + speciali da costruzione + inossidabili + da utensili + per usi particolari)
Acciai da costruzione: acciai di base (prodotti con cicli tecnologici di tipo semplice) + di qualità
Acciai di base: cicli tecnologici semplici -> modificati a seconda della funzione con l’aggiunta di microleganti (alluminio, nimbo, azoto,vandaio,titanio)
Acciai di qualità: elevata resistenza e tenacità + acciai per tondino da cemento armato temperati superficialmente + per laminati piani da profondo stampaggio + cor-ten resistenti alla corrosione atmosferica + al solo carbonio
Usati per: calcestruzzo armato ordinario, costruzioni meccaniche, tubi di condutture, alta resistenza per imbutitura e laminati a freddo, impieghi sotto pressione, impieghi strutturali, rotaie, calcestruzzo armato precompresso per formatura a freddo, magnetici
Saldabilità: saldatura per fusiona -> zona di completa fusione + zona termicamente alterata (ZTA) + zona di metallo di base
Transizione duttile-fragile: sotto una determinata temperatura gli acciai tendono a diventare fragili + temperatura di transizione di alcune decine di gradi sotto lo zero
Acciai inossidabili: 2% della produzione di acciaio + leghe di ferro-carbonio-cromo (anche nichel) + ottima resistenza alla corrosione -> usato nell’industria chimica, alimentare, farmaceutica, arredamento + casalinghi => resistenza alla corrosione data dal cromo
Acciai ausetenitici: resistenza a corrosione + più costosi (60% della produzione degli inossidabili) -> aggiunta di molibdeno + diminuzione del carbonio + no trattamenti termici (caratteristiche meccaniche variano con l’incrudimento)
Acciai martenistici: resistenza meccanica
Acciai ferratici: ferro + carbonio + cromo -> resistono meno alla corrosione
Acciai inossidabili martensitici: elevate caratteristiche meccaniche + resistenza alla corrosione + struttura -> austenite e ferrite
Ghise: leghe ferro-carbonio (carbonio 2,5%-4%)
caratteristiche principali: fondono facilmente + buona resistenza alla corrosione atmosferica + basso costo + fragili e basse caratteristiche meccaniche
Tipi di ghise: ghise bianche (cementite) + ghise grigie (laminette di grafite) + ghise consigliate + ghise malleabili (noduli di grafite) + ghise sferoidali (sferoidi regolari di grafite) + ghise legate
Ghise grigie: distribuzioni molto regolari di grafite -> sforzo di rotture (100-350) dipende dal tenore di carbonio e silicio + velocità di raffreddamento + trattamento termico + forma + distribuzione della grafite
Rame e leghe di rame
Rame puro: elevata conducibilità elettrica e termica + facile da deformare + buone caratteristiche meccaniche + resistenza alla corrosione in molti ambienti + facilità di giunzione per saldatura + possibili colorazioni + mediante incrudimento si possono migliore le caratteristiche meccaniche
Leghe di rame: ottoni (con zinco) + bronzi (con stagno) + metalli bianchi (nichel e zinco) + cuprallumini (alluminio) + cupronichel (nichel)
Ottoni: alfa rossi (5-20% Zn + similori + resistenza corrosione) + ottoni alfa gialli (30-35% Zn + buona resistenza meccanica ottima duttilità) + ottoni alfa beta (35-40% Zn + migliori caratteristiche meccaniche)
Bronzi: stagno (12-25%) incrementa durezza e resistenza a corrosione di acqua di mare + lavorabili a freddo + resistenti all’usura + colabilità
Cuprallumini: alluminio (fino 13%) migliora resistenza alla corrosione + resistenza ossidazione a caldo + elevate caratteristiche meccaniche + resistenza usura e proprietà antifrizione
Cupronichel: nichel (fino al 50%) ottima resistenza a corrosione di acqua di mare
Metalli bianchi: rame-zinco-nichel + somiglianza all’argento + elevate caratteristiche meccaniche + ottima deformabilità + alta resistenza a corrosione
Alluminio e leghe di alluminio
Caratteristica principale: leggero (1/3 dell’acciaio) -> impiego aeronautico e aerospaziale e automobilistico
Alluminio puro: resistenza alla corrosione atmosferica + compatibile con i prodotti alimentari + duttilità/malleabilità + conducibilità elettrica e termica + riflettività + riciclabile
Leghe di alluminio: migliori caratteristiche meccaniche + facilmente colabile + resiste alla corrosione + formati per deformazione plastica
anodizzazione: trattamento per formare un rivestimento di ossido di alluminio di maggiore spessore -> ossidazione chimica o elettrochimica in soluzione acquosa con acido solforico + trattamento di sigillatura dei pori tramite immersione in acqua calda => rivestimento resistente all’abrasione trasparente e contenente pori submicroscopici (ideale per coloranti organici depositati mediante elettrocolorazione -> puo essere verniciato )
Titanio e leghe di titanio
Proprietà: leggerezza + resistenza alla corrosione + modesta espansione termica + elevate proprietà meccaniche + amagneticità + biocompatibilità
Magnesio
Proprietà: massima leggerezza tra i metalli + smorza delle vibrazioni + resiste all’urto e all’ammaccatura + saldabilità
Zinco
Riestimento protettivo dell’acciao
Degrado dei metalli
Principale causa di degrado è la corrosione -> per ossigeno e acqua
Non tutti i metalli corrodono
I prodotti di corrosione possono rallentare o bloccare il degrado -> possono essere solubili, insolubili ma non protettivi o protettivi
Corrosione può essere generalizzata -> uniforme su tutta la superficie o localizzata
Per evitare la corrosione bisogna evitare geometri che consentano l’accumulo di acqua e sporco e ricorrere a rivestimenti adatti
Tecnologie di lavorazione
Lavorazioni alle macchine utensili + operazioni di giunzioni + operazioni di finitura superficiale
Lavorazioni di fonderia (tramite metodi di colata -> getti di sabbia/conchiglia/pressofusi) + lavorazione della metallurgia delle polveri (metallo liquido -> particelle -> compattate e sottoposte a processo termico di sinterizzazione) + deformazione plastica a caldo o a freddo (laminazione + estrusione + trafilatura + stampaggio)
Laminazione -> riduce sezione trasversale
Estrusione -> materiale spinto da un pistone fluisce attraverso una matrice e ne assume il profilo
Trafilatura-> a freddo si modifica la sezione di una barra/tubo
Stampaggio-> il materiale riempie delle cavità
Processi di giunzione: saldatura e brasatura + giunzioni meccaniche + incollaggio
Operazioni di finitura superficiale: applicazione di rivestimenti metallici + ossidazione anodica (allumino e titanio)
CERAMICI (48)
Intro
I ceramici sono solidi inorganici e non-metallici costituiti da ossidi metallici
Struttura solitamente cristallina a volte anche amorfa
Scarsa conducibilità termica ed elettrica + elevata fragilità
Proprietà
Densità: 2-2,5 g/cm3
Comportamento puramente elastico
Buone caratteristiche di resistenza a compressione
Scarsa resistenza a trazione
Materiali fragili
Ottimi isolanti termici ed elettrici
Eccezioni
Diamante e grafite anche se composti da solo carbonio vanno inclusi come solidi inorganici e non metallici + il diamante è un ottimo conduttore termico
Alcuni materiali presentano anche una fase amorfa
Zirconia o composti rinforzati non sono fragili
Legami chimici e struttura
Legami primari -> legame covalente (diamante) + legame ionico (sale da cucina)
Legami secondari (grafite)
Assenza di elettroni liberi
Deformazione plastica
Influenzata dalla presenza di dislocazioni + dalla tipologia di legami chimici
Le dislocazioni sono meno frequenti e difficili da rimuovere
Classificazione
Ceramici tradizionali o avanzati
Tradizionali:
Argilla (plasticità) + silice (refrattarietà -> t fusione elevata) + feldspati (fondente -> t fazione bassa, fase vetrosa )
Ceramiche bianche + prodotti strutturali a base di argilla + refrattari + abrasivi + cemento
Prodotti strutturali a base di argilla
Trovano applicazioni in: edilizia + mattoni per muri e per pavimentazione + tegole per tetti e tubi di scarico
Prodotti refrattari
Elevato punto di fusione
Proprità strutturali a temperature molto elevate
Resistenza a shock termici corrosione corrosione
Resistenza alla abrasione
Avanzati:
Materiale inorganico, non metallico principalmente cristallino di composizione rigorosamente controllata, prodotto secondo dettagliate regole da materie prime purificate e caratterizzate in modo estremamente accurato e che presenta specifiche caratteristiche
Produzione: processo di densificazione di un compatto di polveri (rimuove porosità tra le particelle di partenza, forma legami forti tra le particelle) -> ha un costo elevato + le fibre sono sottoposte a stress molto importanti
Proprietà meccaniche opportune in condizioni operative impegnative (ambienti erosivi, corrosivi, elevata temperatura, elevata resistenza all’usura) -> es. valvole dei rubinetti, scrpe sportive chiodate, sfere nelle penne, utensili per la lavorazione dei metalli (frese in ceramica) -> maggiore resistenza al calore consente una elevata velocità di taglio
Elettroceramici -> materiali ceramici con proprietà elettriche come circuiti integrati e condensatori + materiali piezoelettrici + magnetiche (immagginamento di mempria per apparecchi cd e hard disk) + ottiche specifiche (trasparenza + resistenza -> contenitori per lampade ad alta temp + pigmenti) + cambiamenti delle proprietà ottiche => es. batterie converte l’energia chimica in lavoro elettrico
Lavorazione
Preparazione del minerale
Ottenimento della miscela
Formatura
Deformazione plastica
Pressatura + estrusione
Colata a impasto umido
Essicamento
Cottura
Vetrificazione
Finitura
Rivestimento e decorazione
FUNZIONALI (40)
Cosa sono
Materiali funzionali o smart materiali sono materiali intelligenti che modificano le loro proprietà adeguandosi alla situazione in cui vengono utilizzati operando in maniera ripetibile e reversibile (input-stimolo -> materiale funzionale-> output-risposta)
Studio di nuovi materiali che possono reagire intelligentemente a condizione esterne+ esibire funzioni intelligenti proprie
Principali vantaggi
Meno componenti possono cambiare la forma dell’oggetto
Differente user experience -> differente modo di attuvazione e differente controllo
Nuove funzionalità
Principali limitazioni
Le applicazioni per ora si limitano agli ambiti più avanzati e caratterizzati da grandi investimenti nella ricerca (automotive + moda + attrezzatura sportiva)
Quanti ne esistono
Condizioni che possono provocare un cambiamento sono: luce + temperatura + pressione + campo elettrico/magnetico
Tipi di reazione: variazione forma + variazione del colore + emissione di luce + generazione di elettricità
Fenomeno: Input / Output
Temperatura: Termo- / -termico
Luce: Foto- / -luminescente
Colore: / -cromico
Deformazione: Meccano- / -meccanico
Campo elettrico: Elettro- / -elettrico
Fotocromici
Cambiano reversibilmente il colore quando sono esposti a cambiamenti di intensità luminosa e raggi uv
Si basa sul principio di cambiamento cromatico reversibile di sostanze chimiche che poste tra due strati ad assorbimento energetico differente esposte a un flusso luminoso
Sono in grado di assorbire nereggia e variare tramite radiazioni elettromagnetiche lo spettro cromatico in uscita
Esistono pigmenti, vetri e polimeri fotocromici
Es. lenti auto-oscuranti occhiali da sole
Termocromici
Cambiamento di colore al variare della temperatura
La variazione di colore è generalmente reversibile a causa di una reazine chimica o di una transizione di fase
Si dividomno in: cristalli liquidi + leuco colorati
Cristalli liquidi:
Caratteristiche meccaniche vicine a quelle dei liquidi + comportamenti dei solidi
cambiano la loro struttura molecolare e le loro proprietà ottiche al variare delle temperature alle quali sono sottoposti
variazione cromatica avviene quando si raggiunge la temperatura del cristallo liquido ed è la rifrazione della luce bianca in una specifica lunghezza d’onda
20-100°c
Leuco coloranti:
-5-60° C
spirolattoni: mostrano un comportamento termocromico attraverso l’irraggiamento molecolare -> un precursore di tinta e rilevatore di colore si dissolvono in un solvente organico e la soluzione è microincapsulata
esposto a una fonte di calore il sistema si colora o perde colore quando si raggiunge la temperatura del punto di fusione
meno accurati dei cristalli -> impiego limitato (utile per: troppo freddo o troppo caldo)
Non devono essere esposti a radiazioni ultraviolette + elevate temperature + solventi aggressivi
Applicazioni: può essere irreversibile e usto per il controllo qualità di prodotti deperibili o delicati
Fotoluminescenti
Luminescenza -> tutte le forme di emissione di luce da parte di materiali -> è necessario che una sorgente esterna fornisca al sistema una quantità di energia sufficiente a innescare l’emissione
Stimolazione può avvenire tramite: effetto della luce (foto-luminescenti) è effetto dei campi elettrici (elettro-luminescenti)
Nella fotoluminescenza l’energia è fornita dall’assorbimento di radiaione elettromagnetica nello spettro fra l’ultravioletto e infrarosso
Ci sono due processi diversi: fluorescenza + fosforescenza -> la differenza risiede nella scala temporale dell’emissione luminosa
Materiali fluorescenti: producono luminosità visibile come conseguenza di una luce incidente a minore lunghezza d’onda + l’effetto è quasi istantaneo alla rimozione della sorgente + usato nella lotta alla contraffazione
Materiali fosforescenti: producono luce quando eccitate da radiazione luminosa + l’effetto luminoso dura nel tempo + usato nella segnaletica di sicurezza
Vetro ceramica plastica cera
Elettroluminescenti
LED
Leghe a memoria di forma
Dipende dalla struttura cristallina -> elastiche, resistono bene alla corrosione
Titanio-nichel
Rame-alluminio-nichel
Utilizzati nella montatura di occhiali, rubinetti autoregolati, orientamento pannelli solari, termostati, sistemi di sicurezza, chirurgia
Fluidi non newtoniani
Fluido la cui viscosità varia a seconda dello sforzo di taglio che viene applicato
Usato per attrezzatura sportiva e giubbotti antiproiettili
Piezoelettrici
Trasforma deformazioni meccaniche e variazioni di temperatura di impulsi elettrici
Possono essere usati come sensori
VETRO (38)
Intro
Il vetro è un solido che non possiede ordine atomico a lungo raggio e che al riscaldamento rammollisce fino a fusione -> transizione vetrosa
Caratteristiche generali: rasparenza + igienicità + riciclabilità + basso costo + fragilità + bassa resistenza a trazione e agli urti
Materie prime
Verificanti: sabbia silicea (SiO2) + anidride borica e fosforica (Al2O3)
fondenti: ossidi di metalli alcalini (Na2O + K2O + CaO)
stabilizzanti: coloranti + affinanti
Tipi di vetro
Sodico-calcici -> basso costo => finestre + contenitori + lampadine
Di silice -> bassissimo coefficiente di dilatazione => vetrerie tecnica
Al borosilicato -> basso coefficiente di dilatazione => pyrex
Al piombo -> alto indice di rifrazione => cristalleria + schermi per radiazioni
Alluminio-boro-silicati -> elevata resistenza chimica => contenitori per farmaci + profumi
Processo produttivo
Fusione: forni per la produzione di vetro
Formatura: soffiatura + pressatura (il fuso mediante un punzone prende la forma dello stampo e indurisce per il contatto con lo stampo stesso)+ galleggiamento (per fare piastre tramite il metallo liquido) + filatura (per fibre di vetro)
Ricottura: eliminazione delle tensioni interne (riscaldati a 600°C e raffredati a 450°C e poi a temperatura ambiente)
Tempera: sollecitazione superficiale -> tempera fisica/chimica
Proprietà
Proprietà meccaniche -> solido elastico poco resistente a trazione + fragile (E= 70 GPa)
Proprieta ottiche: trasparente -> colore dei vetri + vetri fotocromici (da chiaro a scuro)+ vetri a cristalli liquidi (da opaco a trasparente)+ fibre ottiche
Proprietà termiche: eccellente isolante termico ed elettrico -> pessimi conduttori
Proprietà chimiche: molto resistente a molti ambienti corrosivi -> buona resistenza agli acidi e scarsa resistenza alle basi
Tipi di vetri
Vetri armati -> rete metallica
Vetri temperati -> tempra fisica o chimica
Vetri stratificati -> lastra di materiale plastico
Vetri in architettura: assorbenti + riflettenti + autopulenti (proprietà fotocatalitiche + superidrofiliche)
Vetri ricoperti con materiale diarroico (ossidi metallici depositati sottovuoto + colori di interferenza)
Power glass: led non cablati con strato trasparente conduttivo sulla superficie -> luminex
Calcestruzzo trasparente -> litracon (calcestruzzo convenzionale con fibre di vetro)
LEGNO (23)
Intro
Materiale naturale più versatile e abbondante
Isola termicamente ed elettricamente
relatvamente facile da lvorare
Sensazione di caldo
Struttura
Corteccia esterna + parte lignea centrale (alburno + durame)
Composizione chimica: cellulosa + emicellulosa + lignina
Classificazione
Essenze dolci (gimnosperme)
Essenze forti (angiosperme)
Umidità
Condizioni di legno verde: legno dolce (150% alburno + 60% durame) + legno duro (80 % alburno e durame)
Caratteristiche
Fortemente anisotropo
Buone proprieta meccaniche -> dipendono da difetti + densità + contenuto di umidità + direzione di sollecitazione
Densità è in generale inferiore a quella dell’acqua
Ottimo isolante termico, acustico ed elettrico
Degrado chimico e fisico
Degrado biologico
Proprietà chimiche e fisiche: biologico (funghi + insetti + batteri) + fisico (agenti atmosferici) + chimici
*guardare le slide
Lavorazioni
Le imperfezioni possono riguardare lo sviluppo del tronco -> fusto incurvato + accrescimento eccentrico del midollo + crescita a spirale + fessurazioni
Derivati del legno
Legno compensato (strati sottili di legno con diverso orientamento) + truciolato (più deboli dei compensati)+ pannelli di fibre (fibre pressate insieme + colle sintetiche) + legno lamellare (strati di lamelle giuntate tra di loro con fibre parallele incollare -> caratteristiche meccaniche costanti e omogenee) + sughero (corteccia della quercia da sughero + impermeabile ai liquidi e ai gas + ottimo isolante di calore/elettricità/suono+ levata elasticità)