INDICE. 2.6 Legame covalente Materiali e tecnologia Scienza e tecnologia dei materiali Tipi di materiali 5

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1 I_XX_romane_Smith :04 Pagina V INDICE Il sito web dedicato al libro XIV Prefazione alla terza edizione italiana XV Ringraziamenti dell editore XVI Prefazione alla quarta edizione americana Gli autori XX XVII CAPITOLO 1 Introduzione alla scienza e tecnologia dei materiali Materiali e tecnologia Scienza e tecnologia dei materiali Tipi di materiali Materiali metallici Materiali polimerici (materie plastiche) Materiali ceramici Materiali compositi Materiali per l elettronica Competizione tra i materiali Recenti sviluppi nella scienza e nella tecnologia dei materiali e sviluppi futuri Materiali intelligenti (smart materials) Nanomateriali Progettazione e selezione Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione Generalità sul legame ionico Forze interioniche tra due ioni Energie interioniche tra due ioni Disposizione degli ioni nei solidi ionici Energie di legame nei solidi ionici Legame covalente Legame covalente nella molecola di idrogeno Legame covalente in altre molecole biatomiche Legame covalente tra atomi di carbonio Legame covalente in molecole contenenti carbonio Benzene Legame metallico Legami secondari Dipoli fluttuanti Dipoli permanenti Legami misti Legame misto ionico-covalente Legame misto metallico-covalente Legame misto metallico-ionico Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 52 CAPITOLO 2 Struttura e legami degli atomi Struttura degli atomi Numeri atomici e masse atomiche Numeri atomici Masse atomiche Struttura elettronica degli atomi L atomo di idrogeno Numeri quantici degli elettroni degli atomi Struttura elettronica degli atomi con più elettroni Struttura elettronica e reattività chimica Tipi di legami atomici e molecolari Legami atomici primari Legami atomici e molecolari secondari Legame ionico 33 CAPITOLO 3 Struttura e geometria cristallina Reticolo spaziale e celle elementari Sistemi cristallini e reticoli di Bravais Principali strutture cristalline metalliche Struttura cubica a corpo centrato (CCC) Struttura cubica a facce centrate (CFC) Struttura esagonale compatta (EC) Posizioni degli atomi nelle celle elementari cubiche Direzioni nelle celle elementari cubiche Piani nelle celle elementari cubiche Piani cristallografici e direzioni nella struttura cristallina esagonale Indici per i piani cristallini in una cella unitaria EC 68

2 I_XX_romane_Smith :04 Pagina VI VI Indici delle direzioni nelle celle elementari EC Confronto tra le strutture cristalline CFC, EC, CCC Strutture cristalline CFC e EC Struttura CCC Densità volumetrica planare e lineare Densità atomica volumetrica Densità atomica planare Densità atomica lineare Polimorfismo o allotropia Analisi della struttura cristallina Sorgenti di raggi X Diffrazione dei raggi X Analisi delle strutture cristalline Materiali amorfi Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 88 CAPITOLO 4 Solidificazione e imperfezioni cristalline Solidificazione dei metalli Formazione di nuclei stabili nei metalli liquidi Crescita di cristalli e formazione di una struttura a grani Struttura dei grani nei getti industriali Solidificazione dei monocristalli Soluzioni solide metalliche Soluzione solide sostituzionali Soluzioni solide interstiziali Difetti cristallini Difetti di punto Difetti di linea (dislocazioni) Difetti planari Difetti di volume Tecniche sperimentali per l identificazione di microstrutture e difetti Metallografia ottica, dimensione del grano ASTM e determinazione del diametro dei grani Il microscopio elettronico a scansione (SEM) Microscopio elettronico a trasmissione (TEM) Microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) Microscopio a scansione di sonda e risoluzione atomica Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 122 CAPITOLO 5 Processi attivati termicamente e diffusione nei solidi Velocità dei processi nei solidi Diffusione atomica nei solidi Diffusione nei solidi in generale Meccanismi di diffusione Diffusione in condizioni stazionarie Diffusione in condizioni non stazionarie Applicazioni industriali dei processi di diffusione Cementazione gassosa Drogaggio di wafer di silicio Effetto della temperatura sulla diffusione dei solidi Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 142 CAPITOLO 6 Proprietà meccaniche dei metalli - I Lavorazioni industriali dei metalli e delle leghe La fusione dei metalli e delle leghe Laminazione a caldo e a freddo Estrusione Forgiatura Altri processi di formatura Sforzi e deformazioni nei metalli Deformazione elastica e plastica Sforzo nominale e deformazione nominale Modulo di Poisson Sforzo di taglio e deformazione di taglio Prova di trazione e diagramma sforzo-deformazione Proprietà meccaniche ottenute dalla prova di trazione Confronto dei diagrammi sforzo-deformazione di alcune leghe 165

3 I_XX_romane_Smith :04 Pagina VII VII Sforzo reale e deformazione reale Durezza e prove di durezza Deformazione plastica dei metalli monocristallini Bande di scorrimento e linee di scorrimento Meccanismo di scorrimento nei monocristalli Sistemi di scorrimento Sforzo critico di taglio nei metalli monocristallini Legge di Schmid Geminazione Deformazione plastica dei metalli policristallini Effetti dei bordi di grano sulla resistenza dei metalli Effetto della deformazione plastica sulla forma dei grani e sulla disposizione delle dislocazioni Effetto della deformazione plastica a freddo sulla resistenza dei metalli Rafforzamento dei metalli per soluzione solida Recupero e ricristallizzazione nei metalli deformati Struttura di un metallo incrudito Recupero Ricristallizzazione Superplasticità nei metalli Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 194 CAPITOLO 7 Proprietà meccaniche dei metalli - II Frattura dei metalli Frattura duttile Frattura fragile Tenacità e prova di resilienza Temperatura di transizione duttile-fragile Tenacità a frattura La fatica nei metalli Sollecitazioni cicliche Principali cambiamenti strutturali che avvengono in un metallo duttile nel processo di fatica Principali fattori che influenzano la resistenza a fatica di un metallo Velocità di propagazione delle cricche di fatica Correlazione tra velocità di propagazione e variazione del fattore di intensità degli sforzi Calcolo della vita a fatica Creep e creep-rottura dei metalli Creep dei metalli Prova di creep Prova di creep-rottura Uso del parametro di Larsen-Miller Un caso di failure analysis di componenti metallici Recenti sviluppi e direzioni future per migliorare la prestazione meccanica dei metalli Simultaneo miglioramento di duttilità e resistenza meccanica Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 226 CAPITOLO 8 Diagrammi di stato Diagrammi di stato di sostanze pure Regola delle fasi di GIBBS Curve di raffreddamento Leghe binarie isomorfe Regola della leva Solidificazione delle leghe in condizioni non di equilibrio Leghe binarie eutettiche Leghe binarie peritettiche Sistemi binari monotettici Trasformazioni invarianti Diagrammi di stato con fasi e composti intermedi Diagrammi di stato ternari Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 266 CAPITOLO 9 Materiali metallici Produzione della ghisa e dell acciaio Produzione della ghisa grezza nell altoforno 268

4 I_XX_romane_Smith :04 Pagina VIII VIII Produzione dell acciaio e ottenimento dei principali semilavorati di acciaio Diagramma di stato ferro-carbonio Diagramma di stato Fe-Fe 3 C Fasi solide nel diagramma di stato Fe-Fe 3 C Reazioni invarianti nel diagramma di stato Fe-Fe 3 C Raffreddamento lento degli acciai al carbonio Trattamenti termici degli acciai al carbonio Martensite Trasformazione isotermica dell austenite Diagramma di trasformazione con raffreddamento continuo per un acciaio al carbonio eutettoidico Ricottura e normalizzazione degli acciai al carbonio Rinvenimento degli acciai al carbonio Classificazione degli acciai al carbonio e tipiche proprietà meccaniche Acciai basso legati Classificazione degli acciai legati Distribuzione degli elementi di lega negli acciai legati Effetti degli elementi di lega sulla temperatura eutettoidica degli acciai legati Temprabilità Tipiche proprietà meccaniche e applicazioni degli acciai basso legati Leghe di alluminio Rafforzamento per precipitazione Proprietà generali dell alluminio e sua produzione Leghe di alluminio per deformazione plastica Leghe di alluminio per getti Leghe di rame Proprietà generali del rame Produzione del rame Classificazione delle leghe di rame Leghe di rame per deformazione plastica Acciai inossidabili Acciai inossidabili ferritici Acciai inossidabili martensitici Acciai inossidabili austenitici Ghise Proprietà generali Tipi di ghise Ghise bianche Ghise grigie Ghise sferoidali Ghisa malleabile Leghe di magnesio, titanio e nichel Leghe di magnesio Leghe di titanio Leghe di nichel Leghe per scopi speciali e applicazioni Intermetalli Leghe a memoria di forma Metalli amorfi Metalli per applicazioni biomediche - biomateriali Acciai inossidabili Leghe a base di cobalto Leghe di titanio Alcune conseguenze relative all applicazione ortopedica di metalli Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 352 CAPITOLO 10 Materiali polimerici Introduzione Reazioni di polimerizzazione Legame covalente: struttura di una molecola di etilene Legame covalente: struttura di una molecola di etilene attivata Reazione generale per la polimerizzazione del polietilene e grado di polimerizzazione Stadi della polimerizzazione a catena Peso molecolare medio dei termoplastici Funzionalità di un monomero Struttura di polimeri lineari non cristallini Polimeri vinilici e vinilidenici Omopolimeri e copolimeri Altri metodi di polimerizzazione Metodi industriali di polimerizzazione Cristallinità e stereoisomerismo in alcuni termoplastici Solidificazione di termoplastici non cristallini Solidificazione di materiali termoplastici parzialmente cristallini Struttura dei materiali termoplastici

5 I_XX_romane_Smith :04 Pagina IX IX parzialmente cristallini Stereoisomerismo nei materiali termoplastici Catalizzatori Ziegler-Natta Lavorazione dei materiali polimerici Processi utilizzati per i materiali termoplastici Processi utilizzati anche per materiali termoindurenti Classificazione dei materiali polimerici Materiali termoplastici per uso generale Tecnopolimeri Materiali polimerici termoindurenti Deformazione e irrigidimento dei materiali polimerici Meccanismi della deformazione dei termoplastici Irrigidimento dei termoplastici Irrigidimento delle materie plastiche termoindurenti Effetto della temperatura sulla resistenza meccanica delle materie plastiche Creep e frattura dei materiali polimerici Creep dei materiali polimerici Rilassamento dello sforzo dei materiali polimerici Frattura dei materiali polimerici Tipologie di materiali polimerici Materiali polimerici termoplastici Tecnopolimeri Materiali polimerici termoindurenti Elastomeri (gomme) Materiali polimerici in applicazioni biomediche - biopolimeri Materiali polimerici in applicazioni cardiovascolari Applicazioni oftalmologiche Sistemi di rilascio di farmaci Materiali per suture Applicazioni ortopediche Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 432 CAPITOLO 11 Materiali ceramici Introduzione Strutture cristalline ceramiche semplici Legame ionico e covalente in composti ceramici semplici Disposizioni ioniche semplici trovate nei solidi con legami ionici Struttura cristallina del cloruro di cesio (CsCl) Struttura cristallina del cloruro di sodio (NaCl) Posizioni interstiziali nei reticoli cristallini CFC e EC Struttura cristallina del solfuro di zinco (ZnS) Struttura cristallina del fluoruro di calcio (CaF 2 ) Struttura cristallina dell antifluorite Struttura cristallina del corindone (Al 2 O 3 ) Struttura cristallina dello spinello (MgAl 2 O 4 ) Struttura cristallina della perovskite (CaTiO 3 ) Carbonio e suoi allotropi Strutture dei silicati Unità strutturale di base dei silicati Strutture dei silicati a isola, a catena e ad anello Silicati con struttura a strati Reticoli di silicati Lavorazione dei materiali ceramici Preparazione dei materiali Formatura Trattamenti termici Materiali ceramici tradizionali e avanzati Materiali ceramici tradizionali Materiali ceramici avanzati Proprietà meccaniche dei materiali ceramici Generalità Meccanismi di deformazione dei materiali ceramici Fattori che influenzano la resistenza meccanica dei materiali ceramici Tenacità dei materiali ceramici Aumento per trasformazione della tenacità della zirconia parzialmente stabilizzata (PSZ) Rottura per fatica dei materiali ceramici Materiali ceramici abrasivi Proprietà termiche dei materiali ceramici Materiali ceramici refrattari Refrattari acidi Refrattari basici 471

6 I_XX_romane_Smith :04 Pagina X X Piastrelle isolanti ceramiche per la navetta Space Shuttle Vetri Definizione di vetro Temperatura di transizione vetrosa Struttura dei vetri Composizione dei vetri Deformazione viscosa dei vetri Metodi di formatura dei vetri Vetro temprato Vetro rafforzato chimicamente Rivestimenti ceramici e ingegneria di superficie Vetri silicati Ossidi e carburi Materiali ceramici per applicazioni biomediche Allumina in impianti ortopedici Allumina in impianti dentali Impianti ceramici e tessuto connettivo Nanotecnologia e materiali ceramici Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 490 CAPITOLO 12 Materiali compositi Introduzione Fibre per materiali compositi a matrice polimerica Fibre di vetro per rinforzare le resine polimeriche Fibre di carbonio per il rinforzo delle materie plastiche Fibre aramidiche per il rinforzo delle materie plastiche Confronto tra le proprietà meccaniche delle fibre di carbonio, aramidiche e di vetro per il rinforzo dei materiali compositi polimerici Materiali compositi polimerici rinforzati con fibre Materiali per la matrice di materiali compositi polimerici rinforzati con fibre Materiali compositi polimerici rinforzati con fibre Modulo elastico di un composito laminato a matrice polimerica con fibre continue in condizioni di isodeformazione e isosollecitazione Processi di fabbricazione in stampo aperto Processo manuale di laminazione Processo di applicazione a spruzzo Processo sacco a vuoto-autoclave Processo per avvolgimento di filamenti (filament winding) Processi di fabbricazione in stampo chiuso Stampaggio per compressione e iniezione Processo di formatura di composito in foglio da stampaggio (SMC) Processo di poltrusione continua Strutture a sandwich Sandwich con struttura a nido d ape Strutture metalliche placcate Compositi a matrice metallica e a matrice ceramica Compositi a matrice metallica (MMC) Compositi a matrice ceramica (CMC) Compositi ceramici e nanotecnologia Calcestruzzo Cemento portland Acqua di miscelazione per calcestruzzo Aggregati per calcestruzzo Additivi aeranti Resistenza a compressione del calcestruzzo Proporzionamento della miscela di calcestruzzo (mix design) Cemento armato Cemento armato precompresso Asfalto e miscele di asfalto Legno Macrostruttura del legno Microstruttura del legno dolce Microstruttura del legno duro Struttura delle pareti delle cellule Proprietà del legno Osso: un materiale composito naturale Composizione Macrostruttura Proprietà meccaniche Biomeccanica della frattura ossea Viscoelasticità nell osso Rimodellamento osseo Nanotecnologia e riparo osseo Definizioni 537

7 I_XX_romane_Smith :04 Pagina XI XI Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 542 CAPITOLO 13 I materiali nanostrutturati Introduzione Tecniche di produzione Approccio top-down Approccio bottom-up Produzione di nanostrutture Proprietà meccaniche Materiali nanocristallini Nanotubi di carbonio Multistrati Nanocompositi Applicazioni Proprietà elettroniche Sistemi e applicazioni Elettronica e fotonica Ambiente e energia Nanobiotecnologia e nanomedicina Definizioni Problemi 563 CAPITOLO 14 Corrosione e protezione dei materiali Generalità Corrosione elettrochimica dei metalli Reazioni di ossido-riduzione Potenziali di elettrodo standard dei metalli Celle galvaniche Celle galvaniche con elettroliti 1M Celle galvaniche con elettroliti non 1M Celle galvaniche con elettroliti senza ioni metallici Corrosione nelle microcelle galvaniche di elettrodi singoli Celle galvaniche di concentrazione Celle galvaniche con differenza di composizione, struttura e sollecitazione Velocità di corrosione (cinetica) Velocità di corrosione o deposizione di un metallo in soluzione acquosa Reazioni di corrosione e polarizzazione Passivazione Le serie galvaniche Forme di corrosione Corrosione generalizzata Corrosione (o protezione) per contatto galvanico Corrosione per vaiolatura Corrosione in fessura Corrosione intergranulare Corrosione sotto sforzo Corrosione per erosione Corrosione per cavitazione Corrosione per sfregamento Corrosione selettiva Danneggiamento da idrogeno Ossidazione dei metalli Strati di ossidi protettivi Meccanismi di ossidazione Velocità di ossidazione (cinetica) Protezione dalla corrosione Scelta dei materiali Rivestimenti Progettazione Modifica dell ambiente Protezione catodica e anodica Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 611 CAPITOLO 15 Proprietà elettriche dei materiali Conduzione elettrica nei metalli Modello classico per la conduzione elettrica nei metalli Legge di Ohm Velocità di deriva degli elettroni in un conduttore metallico La resistività elettrica dei metalli Semiconduttori intrinseci Conduzione elettrica nei semiconduttori intrinseci Trasporto di cariche positive nel reticolo cristallino del silicio puro Diagramma delle bande di energia per i semiconduttori intrinseci elementari Relazione quantitativa per la conduzione elettrica nei semiconduttori intrinseci elementari 624

8 I_XX_romane_Smith :04 Pagina XII XII Effetto della temperatura sulla semiconducibilità intrinseca Semiconduttori estrinseci Semiconduttori estrinseci di tipo n (tipo negativo) Semiconduttori estrinseci di tipo p (tipo positivo) Drogaggio dei materiali semiconduttori estrinseci di silicio Dispositivi semiconduttori La giunzione pn Alcune applicazioni dei diodi con giunzione pn Transistor con giunzione bipolare Microelettronica Transistor microelettronico bipolare planare Transistor microelettronico piano a effetto di campo Fabbricazione di circuiti integrati microelettronici Composti semiconduttori Proprietà elettriche dei materiali ceramici Proprietà principali dei dielettrici Materiali isolanti ceramici Materiali ceramici per condensatori Semiconduttori ceramici Ceramici ferroelettrici Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 659 Proprietà termiche dei materiali sul sito web CAPITOLO 16 Proprietà ottiche e materiali superconduttori Introduzione Luce e spettro elettromagnetico Rifrazione della luce di rifrazione Legge di Snell per la rifrazione della luce Assorbimento, trasmissione e riflessione della luce Metalli Vetri silicei Plastiche Semiconduttori Luminescenza Fotoluminescenza Catodoluminescenza Emissione stimolata di radiazioni e laser Tipi di laser Fibre ottiche Dispersione della luce nelle fibre ottiche Fibre ottiche a modo singolo e multimodali Produzione delle fibre ottiche Moderni sistemi di comunicazione a fibre ottiche Materiali superconduttori Lo stato superconduttore Proprietà magnetiche dei superconduttori Flusso di corrente e campi magnetici nei superconduttori Superconduttori ad alta corrente e alto campo Ossidi superconduttori ad alta temperatura critica (T c ) Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 687 CAPITOLO 17 Proprietà magnetiche e materiali magnetici Introduzione Campi e grandezze magnetiche Campi magnetici Induzione magnetica Permeabilità magnetica Suscettibilità magnetica Tipi di magnetismo Diamagnetismo Paramagnetismo Ferromagnetismo Momento magnetico di un elettrone spaiato Antiferromagnetismo Ferrimagnetismo 697

9 I_XX_romane_Smith :04 Pagina XIII XIII 17.4 Effetto della temperatura sul ferromagnetismo Domini ferromagnetici Tipi di energia e struttura dei domini ferromagnetici Energia di scambio Energia magnetostatica Energia di anisotropia magnetocristallina Energia di bordo del dominio Energia magnetostrittiva Magnetizzazione e smagnetizzazione di un metallo ferromagnetico Materiali magnetici dolci Proprietà desiderate per i materiali magnetici dolci Perdite di energia per materiali magnetici dolci Leghe ferro-silicio Vetri metallici Leghe nichel-ferro Materiali magnetici duri (permanenti) Proprietà dei materiali magnetici duri Leghe alnico Leghe di terre rare Leghe magnetiche neodimio-ferro-boro Leghe magnetiche ferro-cromo-cobalto Ferriti Ferriti magneticamente dolci Ferriti magneticamente dure Definizioni Problemi Problemi di selezione dei materiali e progettazione 724 APPENDICE Importanti proprietà di materiali selezionati per l ingegneria sul sito web 1. Valori di densità 2. Valori di durezza dei materiali 3. Valori di resistenza a rottura a trazione 4. Valori di sforzo di snervamento 5. Valori di modulo di elasticità 6. Valori di rapporto di Poisson 7. Valori di allungamento percentuale a rottura 8. Valori di riduzione percentuale di area 9. Valori di resistenza all impatto Izod 10. Valori di tenacità a frattura a temperatura ambiente 11. Valori di resistività elettrica a temperatura ambiente 12. Valori di conducibilità termica 13. Valori di coefficiente di espansione termica 14. Valori di capacità di calore specifico Composizione di leghe selezionate Costi e costi relativi di alcuni materiali selezionati APPENDICE I Alcune proprietà di elementi selezionati 725 APPENDICE II Raggi ionici degli elementi Temperatura di transizione vetrosa e temperatura di fusione di polimeri selezionati 728 APPENDICE III Quantità fisiche selezionate e loro unità di misura 729 analitico 731