CARATTERIZZAZIONE DEI MATERIALI

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Agnese Manzo
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1 Corso di Meccanica dei Materiali A.A CARATTERIZZAZIONE DEI MATERIALI Michele Buonsanti * Dipartimento Meccanica e Materiali Facoltà di Ingegneria Università di Reggio Calabria michele.buonsanti@unirc.it

2 SCIENZA DEI MATERALI Material science has been defined as the relationship among structure, properties, processing and performance of materials. (M.N. White, Properties of Materials, Oxford press, 1999) Piramide delle interazioni Evoluzione della resistenza

3 CLASSIFICAZIONE DEI MATERALI METALLI CERAMICI POLIMERI COMPOSITI SEMICONDUTTORI BIOMATERIALI MATERIALI AVANZATI

4 CLASSI DI MATERIALI PER L INGEGNERIAL

5 CARATTERISTICHE DEI MATERIALI

6 PROPRIETA DEI MATERIALI

7 SCALE IN MECCANICA DEI MATERIALI

8 STRUTTURA E LEGAMI INTERATOMICI Micrografia della superficie di un provino d oro. Gli atomi in evidenza appartengono al piano cristallografico (1,1,1)

9 STRUTTURA ATOMICA LEGAME IONICO Legame tipico della unione tra elementi metallici e non. Forze di legame sono di tipo coulombiano. E il legame presente in forma maggioritaria nei materiali ceramici.

10 STRUTTURA ATOMICA LEGAME COVALENTE La stabilità del legame è raggiunta dalla condivisione di alcuni elettroni. E E un legame direzionale con valori molto forti (diamante) oppure deboli (bismuto). E E il legame tipico per i materiali polimerici

11 STRUTTURA ATOMICA LEGAME METALLICO E il legame per metalli e loro leghe. Legame a-direzionale a con energie molto variabili. La duttilità dei materiali metallici è influenzata dalla natura del legame

12 LA STRUTTURA CRISTALLINA Le strutture cristalline sono disposizioni tridimensionali regolari di atomi nello spazio. Le strutture cristalline dei corpi solidi sono descritte facendo uso del concetto di reticolo spaziale. La classificazione dei reticoli dipende da come i poliedri di coordinazione si impacchettano insieme per rendere minima l energia del solido

13 RETICOLI DI BRAVAIS

14 DIREZIONI E PIANI CRISTALLOGRAFICI

15 MATERIALI CRISTALLINI E NON CRISTALLINI MONOCRISTALLO: solido con atomi perfettamente ordinati secondo ripetizione periodica. Il cristallo assume una forma geometrica regolare con facce piane

nuclei di cristallite Crescita dei cristalliti

16 MATERIALI POLICRISTALLINI Aggregato di piccoli cristalli o grani attraverso solidificazione Ridotti nuclei di cristallite Crescita dei cristalliti Processo di solidificazione con grani irregolari Mappa dei bordi di grano

17 ANISTROPIA CRISTALLOGRAFICA

18 SOLIDI NON CRISTALLINI (amorfi) Assenza di disposizione atomica sistematica e regolare Biossido di silicio cristallino Biossido di silicio non cristallino

19 DIFETTI NEI SOLIDI

20 DIFETTI PUNTIFORMI NEI SOLIDI SOLIDO CRISTALLINO SOLIDO IONICO

21 MANIFESTAZIONE DEI DIFETTI: LE DISLOCAZIONI

22 SLIP BANDS

23 PIANI DI SLIP

24 RISCONTRO SPERIMENTALE LINEE DI SCORRIMENTO PER DEFORMAZIONE DI UN CRISTALLO DI RAME- ALLUMINIO. a) mono-slip, b) multi-slip

25 PROVE A TORSIONE Microstrutture come concentrazione di deformazione

26 EFFETTI MACROSCOPICI SCORRIMENTO CONTRAZIONE TRASVERSALE

27 RISCONTRI SPERIMENTALI

28 PROVE SPERIMENTALI

29 DIAGRAMMI DEGLI EFFETTI MACROSCOPICI

30 D E F R O M A Z I O N I DEFORMAZIONI ESTREME

31 METODI PER L AUMENTO DELLA RESISTENZA

32 PROPRIETA MECCANICHE DEI METALLI RESISTENZA (TRAZIONE E COMPRESSIONE) DUREZZA TENACITA RESISTENZA A FATICA SCORRIEMENTO VISCOSO ROTTURA

33 PROVE DI TRAZIONE PROVINO STANDARD s= F / A* e = DL / L DISPOSITIVO D MISURA

34 DIAGRAMMI DELLA PROVA A TRAZIONE

35 RISULTANZE DELLA PROVA DI TRAZIONE

36 EVOLUZIONE DELLA PROVA

37 LA DUTTILITA

38 VALORI CARATTERISTICI

39 Tenacità: capacità del materiale ad assorbire energia fino alla rottura RESILIENZA e TENACITA Resilienza: capacità d un materiale di assorbire energia quando sottoposto a deformazione elastica per rilasciarla, poi, nella fase di scarico = ½ se

40 PROVE DI RESILIENZA Apparato universale per prove d urto Diagramma per varie leghe in funzione della temperatura

41 PROVA A FATICA Macchina di Moore per prove di fatica a flessione Curve tensione-n cicli per rottura a fatica

42 PROVE DI SCORRIMENTO Curve tensione tempo per lega Monel, prova a rottura con temperatura diversa Curva di scorrimento viscoso ad alta temperatura e carico costante

43 COMPORTAMENTO VISCOELASTICO PROVA A TENSIONE APPLICATA PROVA A TEMPERATURA VARIABILE

44 STRESS RECOVERY

45 DUREZZA Misura della resistenza offerta dal materiale alla deformazione plastica

46 RAPPORTO DUREZZA RESISTENZA

47 MATERIALI CERAMICI Micrografia elettronica di cristalli di caolite, lamelle esagonali in parte stratificate l una sull altra

48 CLASSIFICAZIONE DEI CERAMICI

49 STRUTTURE ATOMICHE DEI CERAMICI Cella unitaria per la struttura della salgemma NaCl Cella unitaria per la struttura Cristallina della fluorite

50 CERAMICI SILICATI Disposizione degli atomi di silicio e ossigeno nella cella unitaria di Cristobalite, composto polimorfo della SiO2

51 PROPRIETA MECCANICHE

52 CARATTERISTICHE MECCANICHE

53 MECCANICA DEI CERAMICI NON CRISTALLINI * * La deformazione non avviene per dislocazioni perché manca un struttura atomica regolare Comportamento di un vetro fluido sotto azione tagliante scorrimento viscoso

54 POROSITA porosità vs. modulo di elasticità

55 POROSITA vs RESISTENZA FLESSIONE Legge di variazione σ =σ e ( np) o

56 CERAMICHE VETROSE: CARATTERISTICHE

57 PROPRIETA DEI VETRI Transizione vetrosa come caratteristica dello stato non cristallino

58 CERAMICI AVANZATI

59 CERAMICI AVANZATI

60 MATERIALI POLIMERICI In natura: legno, gomma, cotone, lana, cuoio, seta In processi fisio e biologici:proteine, enzimi, amidi, cellulosa In processi chimici: Plastiche, gomme, fibre Micrografia elettronica di una struttura sferulitica in campione di gomma naturale

61 STRUTTURA DEI POLIMERI Macromolecole di idrocarburi Vista prospettica della molecola di polietilene con struttura a zig-zag della catena Posizionamento degli atomi di carbonio e influenza sulla forma della catena polimerica

62 FORMA DELLE MOLECOLE Strutture molecolari Legami incrociati Rete tridimensionale Schematizzazione di una singola catena polimerica Lineari Ramificate

63 CRISTALLINITA POLIMERICA Modello a micelle-frangiate per polimero semicristallino con regioni cristalline e zone amorfe Micrografia elettronica di un singolo cristallo di polietilene

64 CRISTALLI POLIMERICI Cristallite laminare Micrografia della struttura sferulitica del polietilene Schematizzazione della struttura di una sferulite

65 PROPRIETA MECCANICHE Curva sforzo deformazione per un polimero plastico Curva sforzo-deformazione per un polimero fragile (A), plastico (B), elastomero ( C )

66 CARATTERISTICHE MECCANICHE

67 PROCESSI DEFORMATIVI 1- Aumento di energia potenziale del sistema 2- Intervento di processi viscoelastici 3- Flusso e scorrimento tra le catene Schema della deformazione molecolare durante la strizione in polimero s.crist.

68 PROPRIETA VISCOELASTICHE DEI POLIMERI

69 MODELLI VISCOELASTICI σ = σ m + σ p σ = σ ε = ε m m = σ + ε p p

70 INFLUENZA TERMICA

71 MECCANISMI DI DEFORMAZIONE b) Allungamento delle catene amorfe, c) rotazione delle lamelle, a) stadio inziale Separazione dei blocchi cristallini, orientazione dei blocchi e delle catene amorfe

72 DEFORMAZIONI PLASTICHE

73 INTERAZIONE TERMICA-MECCANICA Fenomeni di cristallizzazione, fusione, transizione vetrosa Grafico della dipendenza di un polimero dalla temperatura di fusione, e di transizione Vetrosa, dal peso molecolare

74 FENOMENI DI FRATTURA Microstrappo con microcavità e ponti Microstrappo con cricca fibrillari

75 CEDIMENTO PER MICROCAVITAZIONE (Crazing) Cedimento si evolve su piani normali al piano di stiramento

76 FENOMENI DI CRAZING Fotomicrografia di un microstrappo nell ossido di polifenilene

77 ELASTOMERI Vulcanizzazione: processo di realizzazione dei legami incrociati negli elastomeri Aggiunta di atomi di zolfo all elastomero riscaldato Curva sforzo-deformazione al 600% di allungamento per gomma naturale non vulcanizzata e vulcanizzata

78 PROPRIETA DEGLI ELASTOMERI

79 POLIMERI A CRISTALLO LIQUIDO Schema delle strutture molecolari allo stato fuso ed allo stato solido per polimeri semicristallini, amorfi e cristalli liquidi

80 Referenze bibliografiche W.Callister, Materials Science and Engineering,, 5th ed. Wiley,, 2000 M.A.White, Properties of Materials,, Oxford Press, 1999 D.K.Felback, A.G.Atkins, Strength and Fracture of Engineering Solids 2^ed., Prentice Hall, 1996 N.E.Dowling, Mechanical Behaviour of Materials,, 2^ed. Prentice Hall 1998 E.J. Hearn, Mechanics of Materials,, voll.1&2.1&2,, 3rd ed., B.H.,., 1997 D.Roylance, Mechanics of Materials, J.Wiley & Sons., 1996 C.W.Lung,, N.H. March, Mechanical Properties of Metals, W.S.,1999.,1999 J.Lemaitre, J.L. Chaboche, Mechanics of Solids Materials,, Cambridge Press, 1994 W.Grellmann, S.Seidler, Deformation and Fracture Behaviour of Polymers, Springer-Verlag Verlag,, 2001 M.Ashby, D.Jones, Engineering Materials,, 3 voll., B.H.,., 1995 W.Hayden, W.G.Moffatt,, J. Wulf, The Structure and Properties of Materials, 4 voll., J. Wiley & Sons., 1965 AA.VV. Scienza e Tecnologia dei Materiali Polimerici, EdiSES,, 2001 L. Vergani, Meccanica dei Materiali, McGraw-Hill Hill,, 2001 AA.VV.,., Comportamento Meccanico dei Materiali, McGraw-Hill Hill,, 2005

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