Scienza e Tecnologia dei Materiali

Transcript

1 Scienza e Tecnologia dei Materiali Ingegneria Civile Docente: Prof. Laura Montanaro laura.montanaro@polito.it Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 1

2 Generalità Orario lezioni: Lunedì Martedì Libro di testo: A.Negro et al., Scienza e Tecnologia dei Materiali, Celid / Dispense sul Portale / fotocopie distribuite dal docente VirtLab (parte integrante del programma): AREA_DOCENTE/SITO_VIRTLAB/INDEX.HTM Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 2

3 Generalità Consulenze su appuntamento tramite (da indirizzo a: Esame: prova scritta ( 4 domande a risposta aperta; 2 da 5 punti cadauna, 2 da 10 punti cadauna, suddivise in parti). Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 3

4 Cosa è la Scienza e la Tecnologia dei Materiali? Conoscere i materiali per operare scelte corrette per progettare (tailoring) nuovi materiali Disciplina ingegneristica di base Sono disponibili commercialmente più di materiali Come operare la migliore selezione in un catalogo così vasto????? Non è possibile conoscere tutti i materiali linee-guida per la conoscenza e la scelta Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 4

5 Come si definisce un materiale in Ingegneria? Materiale: qualsiasi solido in grado di svolgere almeno una determinata funzione (meccanica, termica, ottica, magnetica, elettrica,.) Vari materiali possono svolgere la stessa funzione: occorre saper operare la scelta migliore Materiale esigenza/funzione Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 5

6 Materiali e proprietà Proprietà fisiche Proprietà meccaniche Proprietà termiche Proprietà elettriche Proprietà magnetiche Proprietà ottiche Proprietà chimiche. Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 6

7 Classificazione dei Materiali Naturali, di origine geologica (pietre, rocce, argille,..) o chimica (cellulosa, caucciù, carbone,..), Sintetici (metalli ottenuti per trattamento dei minerali, ceramici, materie plastiche,..) Metalli (Fe, Al, Cu, Mg, Ti) e loro Leghe (Acciai, Ghise, Ottoni, Bronzi...) Materie plastiche Termoplastici Termoindurenti Elastomeri o Gomme Ceramici tradizionali e ingegneristici Compositi: CMC, MMC, PMC Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 7

8 Metalli: materiali inorganici metallici Ampio gruppo di elementi chimici caratterizzati da un numero variabile di elettroni di valenza delocalizzati (legame metallico). Organizzazione degli atomi in strutture ordinate (cristalli). Molto difficile produrre metalli amorfi. Leghe (combinazioni non stechiometricamente definite - di due o più metalli o non metalli), quali le ghise e gli acciai (leghe a base Fe-C), le leghe di Al (duralluminio: Al-Cu), Ti, Mg, Ni, Zn, Cu (ottoni, leghe Cu-Zn, e bronzi, leghe Cu-Sn). Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 8

9 Metalli: materiali inorganici metallici Opachi (cioè non trasparenti alla luce visibile), ma lucenti Ottimi conduttori di elettricità e calore Elevate resistenze meccaniche, pur essendo duttili, cioè deformabili plasticamente (cioè in modo irreversibile, permanente, prima di rompersi: sono duttili). Temperature di fusione assai variabili (Al= 660 C; Ti = 1660 C; W = 3420 C) Medio-alte densità (Mg = 1,75 g/cm 3 ; Al = 2,7 g/cm 3 ; Ti = 4,5 g/cm 3 (metalli e leghe LEGGERE); Fe = 7,8 g/cm 3 ; Cu = 8,9 g/cm 3 ; W = 19,3 g/cm 3 ) Si corrodono facilmente (corrosione del Fe: formazione di ruggine) Formatura prevalentemente da fuso Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 9

10 Ceramici: Materiali inorganici non metallici Materiali formati dalla combinazione in rapporti stechiometricamente definiti di elementi metallici e non metallici, caratterizzati dalla presenza di legami ionici e/o covalenti. Possono essere costituiti da organizzazioni ordinate di atomi (cristalli) oppure da strutture caotiche (vetri). Ceramici tradizionali, soprattutto derivati dell argilla (porcellane, gres, maioliche...,), Cementi, calci,... Vetri (a base silice: vetri da bottiglie, da finestra, cristalli, vetri Pyrex... ) Ceramici ingegneristici (o avanzati o di alta tecnologia: ossidi, carburi, nitruri, carburi,...). Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 10

11 Ceramici: Materiali inorganici non metallici Tipologia di ceramico Ossidico silicatico Ossidico non silicatico Non ossidico Esempi Refrattari silicei, silico-alluminosi, mullitici (mullite: 3Al 2 O 3.2SiO 2 ); costituenti del cemento Portland (silicati di calcio); silice SiO 2 e vetri silicatici Allumina Al 2 O 3, Magnesia MgO, Spinello MgO. Al 2 O 3, Zirconia ZrO 2, Titanato di bario BaTiO 3, Biossido di uranio UO 2, Toria ThO 2, Ferrite di nichel NiFe 2 O 4 Carburo di silicio SiC, Nitruro di silicio Si 3 N 4, Carburo di titanio TiC, Carburo di tungsteno WC, Nitruro di boro BN, Carburo di boro B 4 C, Diamante e Grafite C Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 11

12 Ceramici: Materiali inorganici non metallici Isolanti termici ed elettrici Generalmente altofondenti (T f allumina = 2054 C; T f zirconia = 2680 C; T f silice = 1710 C) Resistono bene alle alte temperature (refrattarietà: mantenere inalterate caratteristiche chimico-fisicomeccaniche anche se esposti per lungo tempo ad alte T) Resistono bene agli ambienti aggressivi (inerzia chimica) Possono presentare elevate caratteristiche meccaniche e elevata durezza Sono fragili: si rompono dopo essersi deformati solo in modo reversibile (deformazioni elastiche) Formatura prevalentemente da polveri (da fuso solo per i vetri) Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 12

13 Materie plastiche - Polimeri Materiali organici costituiti da lunghe catene molecolari (macromolecole) nelle quali uno o più gruppi (detti monomeri) si ripetono concatenandosi. Molti polimeri sono costituiti unicamente da carbonio ed idrogeno; altri contengono anche ossigeno e/o azoto e/o fluoro. Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 13

14 Materie plastiche - Polimeri Siliconi: polimeri con catene a base di Si e non di C. Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 14

15 Materie plastiche - Polimeri Legami intra-catena: legami forti (covalenti: C-C) Legami inter-catena: prevalentemente deboli interazioni di Van der Waals (dipolo indotto dipolo indotto; dipolo dipolo..., legami idrogeno...) Proprietà molto variabili da famiglia a famiglia: TP duttili (deformazione plastica, irreversibile, anche estesa prima di rompersi) TI fragili (deformazione elastica, reversibile) Gomme estesissima deformazione elastica prima di rottura Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 15

16 Bassa densità Facilmente formabili Bassa resistenza meccanica Materie plastiche - Polimeri Bassa temperatura di decomposizione oppure di fusione (o, meglio, di rammollimento) Alta reattività chimica Riciclabilità a fine vita (TP) Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 16

17 Riciclo a fine vita ACC (o FE) = acciaio; AL (o ALU) = alluminio; CA = carta; PE = polietilene; PET (PETE) = polietilene tereftalato; PP = polipropilene; PS = polistirene; PVC (o V) = polivinilcloruro; VE = vetro; ABS = acrilonitrile butadiene stirene Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 17

18 Compositi Combinazioni di due o più materiali diversi, finalizzate all accoppiamento delle migliori caratteristiche di ciascuno di essi (effetto sinergico) Matrice Rinforzo Composito naturale: legno, nel quale la matrice di lignina è rinforzata dalle fibre cellulosiche Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 18

19 Compositi Composito sintetico: vetroresina elevata resistenza a trazione delle fibre di vetro, intrinsecamente fragili, notevole duttilità e flessibilità del materiale polimerico, Si conferisce alla matrice polimerica la capacità di sopportare i carichi richiesti ad un materiale strutturale. Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 19

20 Compositi Ceramic Matrix Composite: CMC Metal Matrix Composite: MMC Polymer Matrix Composite: PMC GFRP: Glass-Fiber-Reinforced Polymer CFRP: Carbon-Fiber-Reinforced Polymer Fibre: Carbonio, Vetro, Aramidiche (Kevlar ) Prof. L. Montanaro STM Ing. Civile 20