COS È LA SCIENZA DEI MATERIALI? È la scienza che studia le relazioni esistenti tra la struttura dei materiali e le loro proprietà

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1 COS È LA SCIENZA DEI MATERIALI? È la scienza che studia le relazioni esistenti tra la struttura dei materiali e le loro proprietà COS È L INGEGNERIA DEI MATERIALI? È la progettazione della struttura di un materiale per ottenere determinate proprietà sulla base delle correlazioni tra struttura e proprietà del materiale stesso COS È LA TECNOLOGIA DEI MATERIALI? È lo studio dell applicazione e dell impiego dei materiali con particolare riferimento ai processi di produzione e trasformazione delle materie prime in prodotto finito 1

2 SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI Scienza dei materiali Conoscenza di base dei materiali Tecnologia dei materiali Conoscenza di base delle tecniche di lavorazione dei materiali Scienza e tecnologia dei materiali Conoscenza risultante di struttura, proprietà, lavorazioni e comportamento dei materiali per applicazioni in ingegneria 2

3 MATERIA MATERIALE APPLICAZIONE PROPRIETÀ SCELTA secondo criteri industriali economici sociali 3

4 CICLO DI VITA DEI MATERIALI FASI: - prelievo e trasformazione delle risorse; - costruzione o produzione; - impiego; - dismissione. 4

5 ANALISI DEL CICLO DI VITA DEI MATERIALI L analisi delle trasformazioni dei materiali va effettuato secondo lo schema sottostante, identificando la destinazione di tutti i flussi. 5

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7 Il costo energetico dei materiali rimanda all impatto ambientale perché la produzione di inquinanti dispersi in aria e di rifiuti solidi è determinata in misura importante dalle risorse energetiche impiegate. Le risorse energetiche vengono generalmente bruciate per ottenere calore da impiegare nei processi produttivi oppure per ottenere energia elettrica. Tutte le volte che si brucia del carbonio (come gas metano, petrolio, benzina, gasolio, carbone, legna, rifiuti, ecc.) si produce anidride carbonica. Le diverse attività umane (rurale, urbana, industriale ecc.) si accompagnano ad una serie di alterazioni ambientali effetto serra 7

8 -proprietà meccaniche, -comportamento in ambiente (manufatto) DURABILITÀ SMALTIMENTO (manufatto) 8

9 DURABILITÀ Capacità di un materiale di mantenere nel tempo (vita di servizio) le sua proprietà (design danno estetico è veloce) Non è una grandezza fisica direttamente misurabile ma un insieme di proprietà chimiche, fisiche e meccaniche dei materiali costituenti il manufatto che si ripercuotono nel comportamento del manufatto stesso messo in opera, al passare del tempo 9

10 L invecchiamento dei materiali ed il deterioramento delle loro proprietà rappresentano un problema economico molto importante; si calcola ad esempio che ogni anno un quarto della produzione dell acciaio sia distrutta dalla corrosione. Uno degli obiettivi della tecnologia dei materiali è pertanto quello di ottenere prodotti più stabili nel tempo. 10

11 FATTORI LEGATI ALLA SCELTA DEI MATERIALI 3. Vita di servizio e durabilità (continua) Per garantire, in sede di progetto, il requisito di durabilità di una struttura è quindi necessario: - definire la vita di servizio di progetto; - definire le condizioni ambientali in cui si troverà il manufatto e le azioni che l ambiente l eserciterà su di esso; - valutare gli effetti dell ambiente e prevedere l evoluzione l temporale del degrado sui materiali; - scegliere i materiali e progettare il manufatto in modo tale che il degrado dei materiali stessi nell arco della vita di servizio richiesta sia tale da non comprometterne la funzionalità. 11

12 Life Cycle Cost Per la definizione della soluzione progettuale più conveniente si ricorre a metodi basati sulla somma attualizzata di tutti i costi relativi al ciclo di vita della struttura definendo i diversi scenari in relazione all evoluzione del degrado e al tasso di inflazione 12

13 STABILITÀ E DURABILITÀ DEI MATERIALI La stabilità chimico-fisica dei materiali nei confronti degli ambienti aggressivi è misurata dal grado di spontaneità di eventuali processi di alterazione. I materiali svolgono la propria funzione in opera a contatto con sostanze diverse subendone l azione l aggressiva. Requisito fondamentale dei materiali è pertanto la durabilità, intesa come capacità del materiale di mantenere nel tempo le sue proprietà. 13

14 LA DURABILITA DIPENDE DA: fattori intrinseci al manufatto, che riguardano sia le proprietà chimico-fisiche fisiche-meccaniche del materiale di cui è costituito che le lavorazioni a cui è stato sottoposto (trattamenti termici, meccanici e di finitura, dimensioni, geometria delle superfici ecc.). Non vanno dimenticate le proprietà geometriche del manufatto (cura dei particolari costruttivi)! Perché resistenze e sollecitazioni dipendono da posizione forma e dimensioni. Inoltre, dovendo l opera l interagire con l ambiente, l la sua durabilità sarà influenzata da una serie di fattori estrinseci,, come la collocazione, il clima, il microclima e la composizione dell ambiente che circonda il manufatto (INTERAZIONE AMBIENTE). 14

15 Ambiente (continua) Questi fenomeni possono, nel tempo, portare ad una perdita di prestazioni del materiale e quindi compromettere la possibilità di utilizzare il manufatto in relazione alle funzioni per cui è stato progettato (cioè la sua FUNZIONALITÀ) ) oppure possono compromettere la sua INTEGRITÀ strutturale. Le conseguenze delle azioni ambientali sulle prestazioni dei materiali sono funzione del tempo di esposizione. PROVE ACCELERATE che aumentano la velocità di evoluzione del degrado (es. aumentando la temperatura o la concentrazione dell agente aggressivo). I parametri ricavati da tali prove hanno scarsa utilità in termini assoluti (non possono essere utilizzati direttamente per prevedere l evoluzione l del degrado), ma possono essere impiegati per confrontare soluzioni progettuali alternative. 15

16 MATERIALI PER L INGEGNERIAL CERAMICI > 5000! POLIMERI > 10000! METALLI >2000! É impossibile conoscere le proprietà di tutti i materiali, ma si devono conoscere i principi che governano i criteri per la scelta 16 e l applicazione di tutti materiali.

17 SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI SCIENZA DEI MATERIALI STRUTTURA PROPRIETÁ COMPORTAMENTO LAVORAZIONE IMPIEGO (o servizio) TECNOLOGIA DEI MATERIALI 17

18 SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI SCIENZA DEI MATERIALI Normativa STRUTTURA PROPRIETÁ Meccaniche Fisiche COMPORTAMENTO Chimiche LAVORAZIONE Tecnologia dei materiali Desiderata (biomateriali) o indesiderata SERVIZIO 18 AMBIENTE

19 COSA SI INTENDE PER PROPRIETÀ DEI MATERIALI? Proprietà meccaniche: : riflettono il comportamento del materiale a seguito dell applicazione di un sistema di forze (peso, vento, sfregamento). Proprietà fisiche: : misurano il comportamento sotto l azione l della temperatura (fusione), delle radiazioni (luce), del fuoco, di campi elettrici o magnetici. Proprietà chimiche: : caratterizzano la capacità del materiale di conservarsi nell ambiente in cui opera (dissoluzione, corrosione). Proprietà termo-chimiche chimiche: : effetto sinergico Proprietà chimico-meccaniche meccaniche: : effetto sinergico (cavi acciaio). 19

20 PROPRIETA CHIMICHE Il comportamento di un materiale,, sia durante la lavorazione che in servizio, dipende dalla sua costituzione,, ossia dall insieme di composizione chimica, struttura cristallina, morfologia delle fasi che lo costituiscono e loro distribuzione. Ogni processo chimico, sia esso deliberato o dovuto all azione azione dell ambiente (ossidazione), in grado di modificare la costituzione del materiale, induce delle trasformazioni. Possono essere spontanei o forzati (T, P) 20

21 Azioni dell ambiente Nelle condizioni di esercizio Classificabili in: - azioni chimiche (ad esempio corrosione dei metalli, attacco solfatico del calcestruzzo, attacco acido delle pietre, attacco alcalino del vetro ); - azioni fisiche (erosione, variazioni di umidità con variazioni dimensionali, variazioni di temperatura con variazioni dimensionali o incendi ) -azioni espansive (di natura fisica o chimica, possono danneggiare soprattutto i materiali porosi e fragili, es. gelo-disgelo, cristallizzazione salina) -trasporto nei materiali porosi (le sostanze aggressive, sia allo stato gassoso sia allo stato liquido, possono penetrare attraverso i pori e quindi aggredire il materiale non solamente dalla superficie, ma dal suo interno); 21

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23 TRASPORTO NEI MATERIALI POROSI Nel caso dei materiali porosi le sostanze aggressive, allo stato sia gassoso sia liquido, possono penetrare attraverso i pori e quindi aggredire il materiale non solamente dalla superficie, ma dal suo interno. I principali meccanismi con cui avviene il trasporto di massa sono: - la DIFFUSIONE; - la PERMEAZIONE; - l ASSORBIMENTO CAPILLARE; - la MIGRAZIONE ELETTRICA (trasporto di ioni). 23

24 Gli atomi adiacenti ad una vacanza hanno tutti la stessa probabilità di saltare in essa. Tuttavia, in presenza di un gradiente di concentrazione dc/dx dx,, la concentrazione degli atomi di un componente (B)( ) non è uguale a monte ed a valle della vacanza. Ne risulterà pertanto un flusso di questi atomi verso le zone di minore concentrazione. concentrazione iniziale di B pari a C B Profili di concentrazione: (b) iniziale, (c) dopo un certo tempo di diffusione. 24

25 dc/dx Sia x la direzione del gradiente di concentrazione (dc( dx) ) e J il flusso di atomi (numero di atomi che attraversano un area unitaria normale a x nel tempo unitario), si trova sperimentalmente che: J = D dc dx dove D = coefficiente di diffusione, costante a temperatura costante. Questa relazione, conosciuta come legge di Fick,, integrata, consente di ottenere i valori della concentrazione in funzione dell ascissa e del tempo, secondo le condizioni al contorno. 25

26 PERMEAZIONE La permeazione è il meccanismo con il quale un fluido, gas o liquido, penetra attraverso i pori del materiale per effetto di un gradiente di pressione. Legge di Darcy: Flusso (m 3 /s) = dove: dq dt = k ΔP A L μ μ= viscosità del fluido (Ns/m 2 ) A = sezione (m 2 ) K = coefficiente di permeabilità (m 2 ) 26

27 ASSORBIMENTO CAPILLARE Una soluzione acquosa a contatto con un materiale poroso non saturo può essere assorbita da un effetto suzione (azione( capillare) ) che si esercita grazie alle interazioni del liquido con i pori del solido Quando una goccia d acqua d cade sulla superficie di un materiale idrofilo, grazie alle interazioni con il materiale tende ad aumentare la superficie di contatto con il materiale stesso e quindi a formare un angolo acuto (θ( = angolo di contatto). Viceversa con materiale idofobo. 27

28 La pressione capillare P c spinge l acqua l dentro i pori di raggio r i(t)=s*t

29 In presenza di pori di piccole dimensioni, le interazioni tra il liquido e la superficie del materiale determinano una depressione che richiama l acqua l consentendo la risalita del liquido attraverso il materiale. La depressione P cap (in Pa) che si genera può essere calcolata attraverso l equazione l di Laplace-Washburn Washburn: P cap = 2σ cos θ r dove σ = tensione superficiale dell acqua (pari a 7, N/m a 25 C), θ = angolo di contatto tra liquido e pareti del poro, r = raggio del poro capillare (m) P cap se r 29

30 MIGRAZIONE ELETTRICA A volte nei materiali sono presenti campi elettrici che possono determinare il trasporto delle specie ioniche disciolte nella soluzione presente nei pori. Dipende dal contenuto d acquad nei pori ed anche quando il materiale è completamente saturo d acqua il flusso di materia è notevolmente inferiore a quello che si avrebbe in soluzione libera. Una della cause è l interazione degli ioni con la superficie dei pori e la presenza di un percorso tortuoso che gli ioni devono percorrere (costringendoli a volte a muoversi in direzione opposta a 30 quella imposta dal campo elettrico)

31 Alcuni meccanismi di trasporto 31

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