MATERIALI PER L INGEGNERIAL METALLI >2000! CERAMICI > 5000! POLIMERI > 10000!

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1 MATERIALI PER L INGEGNERIAL METALLI >2000! CERAMICI > 5000! POLIMERI > 10000! É impossibile conoscere le proprietà di tutti i materiali, ma si devono conoscere i principi che governano i criteri per la scelta e l applicazione di tutti materiali.

2 PROPRIETÁ METALLI CERAMICI POLIMERI Densità (gr/cm 3 ) Punto di fusione basso-alto alto basso Durezza media alta bassa Lavorabilità buona scarsa buona Rt (MPa) <2500 <400 <120 Rc (MPa) <2500 <2500 <350 Proprietà termiche medie medio-basse basse Proprietà elettriche conduttori isolanti isolanti Proprietà chimiche medio-basse eccellenti buone COMPOSITI

3 SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI SCIENZA DEI MATERIALI STRUTTURA PROPRIETÁ COMPORTAMENTO LAVORAZIONE IMPIEGO (o servizio) TECNOLOGIA DEI MATERIALI

4 INDAGINE DEI MATERIALI Microscopia elettronica Diffrattometria ai raggi X STRUTTURA (atomica o molecolare) Microscopia elettronica Microscopia ottica MICROSTRUTTURA (presenza di diverse fasi o costituenti) Prove empiriche MACROSTRUTTURA (visibile a occhio nudo)

5 Esistono solidi cristallini costituiti da atomi (diamante, grafite, silice, ecc.), da ioni (es. cloruro di sodio, costituito da ioni Na o da molecole (ghiaccio). Na + e Cl - ) Nel primo caso (solidi( reticolari o covalenti) i nodi reticolari sono occupati da atomi (uguali o diversi) legati tra loro da legami covalenti; poiché i valori delle energie di tali legami sono di norma assai elevati, in questa classe si trovano sostanze con elevatissime temperature di fusione, dure, rigide e fragili, con notevoli proprietà isolanti (sia termiche che elettriche), perché gli elettroni, tutti impegnati nei legami covalenti, non sono mobili entro il cristallo.

6 RICHIAMI DI CHIMICA (sono gli elettroni di valenza che formano i legami per raggiungere la masssima stabilita chimica di 8 elettroni) LEGAME COVALENTE: è costituito da una coppia di elettroni messa in compartecipazione tra due atomi, è un legame forte e direzionale; LEGAME IONICO: : attrazione che si stabilisce per effetto delle cariche opposte di cationi ed anioni (elettroni di valenza ceduti da un atomo ad un altro), è un legame adirezionale; (in realtà nessun composto è puramente ionico o covalente) LEGAME METALLICO: è costituito da una nuvola elettronica in cui sono immersi i cationi in posizione reticolare, è un legame adirezionale; LEGAME A IDROGENO: è un legame costituito da un atomo di idrogeno che si pone a ponte tra due atomi fortemente elettronegativi (N, O ); LEGAME DIPOLARE: : attrazione tra i dipoli elettrici di molecole polari (interazione tra cariche parziali), i dipoli possono anche essere istantanei per effetto di fluttuazioni degli elettroni all interno della molecola.

7 SOLIDI IONICI - Proprietà LEGAME IONICO: Si forma tra elementi fortemente elettropositivi (metalli) ed elementi ementi molto elettronegativi (non metalli), attrazione che si stabilisce per effetto delle cariche opposte di cationi ed anioni (elettroni di valenza ceduti da un atomo ad un altro), è un legame adirezionale, non compatto per impedimento sterico e bilancio di carica Legame forte.. Energia di coesione molto elevata ( KJ/mol); poco volatili; elevate T di fusione; duri rigidi e fragili; scarsa conducibilità allo stato solido ma buoni conduttori allo stato fuso; elevata solubilità in acqua (NaCl) U1

8 Diapositiva 7 U1 Gli elementi elettropositivi hanno natura metallica e liberano e- nelle reazioni producendo cationi. Gli elementi elettronegativi accettano e- nelle reazioni chimiche producendo ioni negativi o anioni Utente, 2/7/2006

9 SOLIDI IONICI NaCl reticolo cristallino forze elettrostatiche p.to fusione abbastanza elevato SOLIDI IONICI cattivi conduttori altamente fragili NaCl Reticolo cubico a facce centrate

10 SOLIDI COVALENTI - Proprietà Legame forte (covalenti reticolari). Energia di coesione elevata; poco volatili; elevate T di fusione; duri e fragili; scarsa conducibilità elettrica; insolubili nei comuni solventi, legame direzionale. C (diamante) Reticolo cubico a facce centrate SOLIDI COVALENTI legami ad elevata energia elevato p.to fusione notevoli prop. isolanti elevata durezza DIAMANTE SILICE

11 SOLIDI COVALENTI MOLECOLARI - Proprietà Nei solidi covalenti molecolari spesso non si ha la tendenza a formare reticoli cristallini, ma si formano molecole di piccole dimensioni ni che poi si uniscono tra loro mediante legami deboli (legami a idrogeno, legami dipolari o di Van der Waals ) per dar luogo a strutture non caratterizzate da un ordine ad ampio raggio (strutture semicristalline o amorfe, POLIMERI). Le deboli interazioni tra le molecole o gli atomi che costituiscono ono il reticolo; energia di coesione bassa, basse temperature di fusione, volatili i (molti sublimano a P atmosferica); facilmente deformabili; isolanti elettrici; solubili in solventi che hanno caratteristiche di polarità simili. forze Van der Waals GHIACCIO basso p.to fusione Cattivi conduttori fragili

12 SOLIDI METALLICI - Proprietà Nei metalli gli atomi sono legati tra loro da legame metallico,, non direzionale e con elettroni delocalizzati; ciò consente di spostare gli elettroni con piccolissima spesa di energia e quindi i metalli sono buoni conduttori di elettricità e di calore e sono duttili. Legame forte; energia di coesione elevata; poco volatili; elevate T di fusione; elevata densità; duttili e malleabili; sopportano notevoli deformazioni permanenti prima di giungere alla rottura (i piani reticolari possono slittare gli uni sugli altri); elevata conducibilità elettrica e termica; reticoli cristallini molto compatti Nei materiali metallici gli atomi si dispongono secondo reticoli cristallini compatti (massimo riempimento nello spazio massima densità), SOLIDI METALLICI atomi metallici legati da e - di valenza p.to fusione variabile ottimi conduttori duttilità e malleabilità (legame non direzionale)

13 Tipo di solido Particelle costituive Tipo di legame Proprietà Esempi Ionico Ioni positivi (+) e negativi (-) Attrazioni elettrostatiche Durezza Elevato p.to di fusione e conduzione allo stato fuso ed in soluzione NaCl, CaCO 3 Fragilità Covalente molecolare Molecole Forze intermolecolari (Van der Waals) Bassa durezza Basso p.to di fusione Non conduttori CO 2, H 2 O Covalente reticolare Atomi (uguali o diversi tra loro) Legame covalente Molto duri Elevato p.to di fusione C (diamante), SiO 2 Non conduttori Metallico Ioni positivi ed elettroni Attrazioni tra il reticolo e la nube eletrronica Conduttori anche allo stato solido Lucentezza Tutti i metalli Duttilità e malleabilità

14 STATO SOLIDO: - SOLIDI CON STRUTTURA ORDINATA - SOLIDI AMORFI

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16 STRUTTURA DEI SOLIDI CRISTALLINA ordinata a livello molecolare AMORFA disordinata SEMICRISTALLINA

17 SOLIDI AMORFI ripetitività a corto raggio La disposizione degli atomi e delle molecole non è ordinata a lungo raggio ma casuale (es: vetri) Spesso anche le materie plastiche sono amorfe. Lo stato amorfo è detto metastabile poiché si può aver un riarrangiamento della struttura verso forme cristalline (energeticamente favorite). Tale processo è estremamente lento a causa della viscosità del sistema. cella unitaria unità submacromolecolare poliedro di coordinazione SiO 2

18 Un solido cristallino è infatti formato dal ripetersi sistematico nelle tre direzioni di una medesima unità fondamentale (cella( elementare), che forma così un reticolo spaziale. Le particelle che costituiscono il solido si muovono con moto oscillatorio attorno ad un punto (nodo( reticolare) che viene assunto come rappresentativo della posizione della particella nel reticolo cristallino.

19 SOLIDI CRISTALLINI U6 unità ripetitiva SISTEMA CRISTALLINO (a,b,c) ( α, β, γ) U7 SOLIDI AMORFI non presentano un ordine ripetitivo

20 Diapositiva 18 U6 U7 Solidi cristallini: proprietà elettriche, ottiche e meccaniche sono diverse nelle tre direzioni. ANISOTROPIA. T fusione ben definita e netta variazione delle proprietà fisiche. Utente, 2/7/2006 Solidi amorfi: proprietà elettriche, ottiche e meccaniche sono le stesse nelle tre direzioni. ISOTROPIA. T fusione non definita le proprietà fisiche cambiano gradualmente con la T. Utente, 2/7/2006

21 Se nello stato gassoso la distribuzione delle molecole raggiunge il più alto grado di disordine, nello stato solido cristallino la distribuzione delle particelle costitutive realizza il massimo grado di ordine. Un cristallo è un corpo solido delimitato da facce regolari e simmetriche, che sono la manifestazione macroscopica dell ordine interno. La forma poliedrica esterna può cambiare per il differente sviluppo relativo delle varie facce, ma, a temperatura costante, gli angoli tra le facce rimangono sempre gli stessi (principio della costanza dell angolo diedro, formulato da Stenone nel 1669 per i cristalli di quarzo)

22 reticolo spaziale di un solido ideale cella elementare con le costanti reticolari

23 Un solido è un cristallo ed il suo reticolo cristallino risulta dalla ripetizione nelle tre dimensioni dello spazio di una cella elementare che costituisce la più piccola porzione del reticolo stesso che ne possiede tutte le caratteristiche geometriche. primitive 7 SISTEMI CRISTALLINI unitarie 14 RETICOLI CRISTALLINI (Bravais( Bravais)

24 primitive unitarie atomi esterni al reticolo primitivo Cella primitiva cubica Cella unitaria cubica a corpo centrato Cella unitaria cubica a facce centrate

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26 I 14 reticoli fondamentali di Bravais, raggruppati secondo i 7 sistemi cristallografici: - cubico - tetragonale, - romboedrico, - esagonale, - ortorombico - monoclino, - triclino.

27 Classificazione dei reticoli spaziali nei 7 sistemi cristallini e relative costanti reticolari Sistema cristallino Costanti reticolari Reticolo spaziale Cubico Tetragonale Ortorombico Romboedrico Esagonale Monoclino Triclino a=b=c, α=β=γ=90 a=b c, α=β=γ=90 a b c, α=β=γ=90 a=b=c, β=γ=90 α a=b c, α=β=90, γ=120 a b c, β=γ=90 α a b c, α β γ Cubico semplice Cubico corpo centrato Cubico facce centrate Tetragonale semplice Tetragonale corpo centrato Ortorombico semplice Ortorombico corpo centrato Ortorombico basi centrate Ortorombico facce centrate Romboedrico semplice Esagonale semplice Monoclino semplice Monoclino basi centrate Triclino semplice

28 Rappresentazioni diverse della cella elementare cubica facce centrate (CFC): (a) disposizione atomica della cella elementare; (b) cella elementare a sfere rigide; (c) cella elementare isolata (a) (b) (c)

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31 MATERIALE AMORFO

32 Talvolta la riorganizzazione in una situazione ordinata viene ostacolata a causa di un elevatissima viscosità in prossimità del punto di fusione o di un raffreddamento rapido del liquido in via di solidificazione. Queste sostanze assumono così una disposizione delle particelle più o meno irregolare e sono chiamate solidi amorfi. Poiché i comuni vetri sono la classe più nota di solidi amorfi, questo stato della materia viene anche indicato col nome di stato vetroso.

33 MONOCRISTALLO STRUTTURA POLICRISTALLINA

34 Isotropia ed anisotropia Sono isotropi i corpi che non presentano differenze di comportamento dipendenti dalla direzione in cui si sperimenta. Sono invece anisotropi i corpi per i quali i valori delle grandezze che li caratterizzano variano con la direzione.

35 I cristalli sono intrinsecamente anisotropi, perché la periodicità delle posizioni reticolari è diversa a seconda della direzione. Pertanto le loro proprietà fisiche (dilatazione termica, resistenza meccanica, conduzione elettrica, magnetizzazione, indice di rifrazione..) variano con la direzione. Gli aggregati di microcristalli (metalli, granito ecc.) risultano isotropi su scala macroscopica, perché i microcristalli o grani sono orientati in ogni modo possibile. I materiali amorfi (vetri e la maggior parte dei polimeri) sono sempre isotropi perché il disordine molecolare è statisticamente riproducibile in ogni direzione.

36 DIFETTI NEI SOLIDI REALI Nei materiali di comune impiego esistono alcune imperfezioni della struttura cristallina. Le imperfezioni possono essere di natura diversa, ma comunque si tratta di zone più o meno estese in cui viene meno la periodicità della struttura complessiva. Le imperfezioni possono essere localizzate in un punto, oppure lungo una linea o addirittura estendersi ad una superficie.

37 I DIFETTI NEI CRISTALLI Possono essere di due tipi: DIFETTI STECHIOMETRICI Variano la composizione del cristallo (presenza di elementi estranei alla struttura) DIFETTI NON STECHIOMETRICI Non variano la composizione del cristallo (ad esempio manca un atomo) I difetti possono essere puntuali o estesi a seconda che coinvolgano uno o più siti reticolari I difetti variano alcune proprietà dei cristalli come la conducibilità, il colore e le proprietà meccaniche

38 DIFETTI RETICOLARI DEI CRISTALLI U4 Difetti di punto Difetti di linea (vacanze reticolari e atomi interstiziali) (dislocazioni) Difetti di superficie (bordi di grano) Difetti di volume (difetti di impilamento)

39 Diapositiva 36 U4 La presenza di un difetto di punto allo stato solido rende possibile il fenomeno di diffusione atomica Utente, 2/7/2006

40 DIFETTI STRUTTURALI DEI CRISTALLI DIFETTI PUNTUALI:DIFFUSIONE ALLO STATO SOLIDO vacanza atomo interstiziale difetto di Frenkel impurezza sostituzionale impurezza interstiziale

41 vacanza l assenza di un atomo dal sito del reticolo cristallino interstiziale la presenza di un atomo in un sito spurio (posizione non reticolare) Frenkel la combinazione di questi due difetti e cioè la presenza di un sito lasciato vuoto da un atomo che si è portato in un sito interstiziale (metalli alcalini) Schottky metalli di uso comune

42 Esempi di difetti di punto

43 Esempi di difetto di linea

44 DIFETTI LINEARI difetto fisico: atomi in posizione reticolare non originale diversa distribuzione rispetto alla linea originale diversa distribuzione rispetto alla linea originale ma conserva la simmetria scorrimento di piani atomici dovuto a sollecitazioni meccaniche durante i processi di lavorazione

45 DISLOCAZIONE A SPIGOLO DISLOCAZIONE A VITE

46 ip: slittamento dei piani rigido ma graduale quando lo sforzo supera un certo valore critico determinato dalle forze che vincolano gli atomi del reticolo τ τ τ τ τ τ τ τ circuito di Burgers U5 dislocazione a spigolo: linea che giace su un piano di slittamento e che separa la regione che ha subito lo slittamento da quella che non lo ha ancora subito

47 Diapositiva 43 U5 Circuito di Burgers: misura l entità della dislocazione. Si ottiene costruendo un circuito reticolare chiuso in un reticolo perfetto e lo si riporta in un reticolo che contiene una dislocazione. A questo punto il circuito non è più chiuso e per chiuderlo occorre aggiungere un vettore che unisca il punto finale con il punto iniziale del circuito. Il modulo del vettore di Burgers ha come valore un numero intero di distanze reticolari. Vettore e circuito giacciono sullo stesso piano: abbiamo una dislocazione a spigolo (perpendicolare al vettore) quando giacciono su piani perpendicolari, la dislocazione è a vite (parallela al vettore) Utente, 2/7/2006

48 DIFETTI SUPERFICIALI agglomerati interstiziali: per un tratto si ha la successione di atomi interstiziali che modificano la struttura cristallina come per i cluster di vacanze difetti di orientazione (c): in cui è presente un angolo di tilt tra due zone adiacenti del cristallo bordo di grano: bordo di grano: nella quasi totalità i solidi non sono monocristalli, ma aggregati policristallini, in cui i singoli cristalli, detti grani, sono orientati casualmente tra loro. Ai bordi di grano sono associati difetti reticolari dovuti alla vicinanza tra reticoli orientati in modo differente che interferiscono. Tali difetti generano nel materiale una certa quantità di energia interna che rende il policristallo meno stabile del monocristallo GROSSA INFLUENZA SULLE PROPRIETÀ MECCANICHE DEL MATERIALE

49 MONOCRISTALLO STRUTTURA POLICRISTALLINA

50 Materiale formato da più grani: bordi di grano (difetti di superficie)

51 DIFETTI DI VOLUME reticolo cristallino come impilamento regolare di piani a max densità atomica difetto di impilamento dovuto ad irregolarità nella sequenza di impilamento dei piani (A,B,C,A,B,C ) (A,B,C,A,B,A )

52 MICROSTRUTTURA La microstruttura è data dall insieme delle caratteristiche geometriche e quantitative delle fasi presenti, compresi vuoti e difetti.. Essa è il risultato della modalità di produzione del materiale, delle lavorazioni e dei trattamenti subiti, condiziona profondamente il comportamento di un materiale, tanto che il rilevamento della microstruttura fa parte dei metodi di controllo della qualità dei materiali. La relazione tra microstruttura, composizione chimica, struttura cristallina, lavorazione e comportamento è uno degli obiettivi principali della ricerca scientifica e tecnologica sui materiali.

53 Un materiale viene definito: - omogeneo,, se costituito da una sola sostanza, oppure da più sostanze solubili allo stato solido che formano una soluzione solida omogenea. - eterogeneo,, se costituito da componenti insolubili tra loro, formanti un sistema polifasico. Si definisce fase una porzione fisicamente omogenea (a livello microstrutturale) di un materiale, che si differenzia da altre porzioni. La microstruttura dei materiali viene studiata tramite osservazione al microscopio (ottico ed elettronico), con ingrandimenti compresi tra 50 e 10 4.

54 Microstruttura superficiale di una lamina di ferro ricoperta di vernice polimerica. Microscopio elettronico a scansione (SEM), 500x.

55 Microstruttura di un polimero termoplastico rinforzato con fibre di vetro (materiale composito). Microscopio elettronico a scansione (SEM), 80x.

56 Microstruttura di un legno di abete rosso. Microscopio elettronico a scansione (SEM), 100x.