Scienze dei Materiali Le proprietà dei materiali
La materia è organizzata in diversi livelli Livello subatomico Interazioni di elettroni e nuclei entro gli atomi; fornisce le basi per la comprensione del comportamento elettrico, magnetico, termico ed ottico dei materiali. Livello atomico e molecolare Interazione tra atomi (e/o molecole) che conducono diversi tipi di legame e a diversi stati di aggregazione della materia. Livello microscopico Disposizione degli atomi e delle molecole nello spazio (cristallinità ed aggregazione amorfa). Livello macroscopico Proprietà misurabili in laboratorio su un volume di materiale e risultanti la media delle proprietà degli stati microscopici.
Legami Il legame ionico si instaura tra ioni di carica opposta. Gli ioni si sistemano nei solidi in modo da preservare l elettroneutralità complessiva. I solidi ionici sono costituiti da aggregati tridimensionali con un elevato grado di impaccamento anche se non pari a quello dei metalli. Il rapporto tra i raggi ionici (r /R) determina la geometria dell intorno di ogni ione (numero di coordinazione).
Legame covalente Il legame covalente si instaura tra atomi simili quando gli orbitali atomici di entrambi si sovrappongono dando luogo agli orbitali di legame. Il legame covalente si instaura lungo la direzione in cui gli orbitali atomici danno luogo alla massima sovrapposizione. La direzionalità del legame impedisce il libero posizionamento degli atomi nello spazio e limita fortemente l impaccamento atomico. In genere il legame covalente è altamente energetico e ciò spiega gli alti valori di resistenza dei materiali che li compongono.
Legame metallico Il legame metallico si instaura tra gli atomi metallici a causa della elevata mobilità e delocalizzazione degli elettroni di valenza. L orbitale che descrive il legame deve essere un orbitale molecolare che abbracci tutti gli atomi. Il legame metallico non è direzionale, si sviluppano interazioni della stessa intensità in tutte le direzioni. Questo spiega perché gli atomi metallici si sistemino nello spazio formando strutture molto impaccate ed alta densità. In particolare vanno ricordati i metalli di transizione che hanno come elettroni di valenza quelli negli orbitali d (ed f). Il legame metallico ha un parziale carattere covalente che spiega gli alti punti di fusione e le alte resistenze mostrati da alcuni elementi metallici.
STRUTTURE DEI SOLIDI I materiali di interesse ingegneristico sono allo stato solido; per stato solido si intende uno stato di aggregazione di atomi ioni o molecole, in contrapposizione con gli stati fluidi, liquidi o gassosi. L aggregazione delle particelle costituenti il solido può condurre a strutture cristalline o amorfe. Solido cristallino: Regolarità della ripetizione delle distanze interatomiche anche oltre i primi vicini Ordine a lungo raggio Danno luogo ad un immagine di diffrazione se irradiati con raggi X Solido amorfo Assenza di regolarità nella disposizione tridimensionale degli atomi Ordine a corto raggio Non danno luogo ad un immagine di diffrazione se irradiati con raggi X METALLI cristallini CERAMICI cristallini ed amorfi POLIMERI amorfi e semicristallini
Un solido amorfo può essere considerato un liquido ad alta viscosità (o bassa fluidità). In un materiale semicristallino si possono individuare zone cristalline, e quindi ordinate, circondate da atomi non disposti in maniera ordinata. Un solido cristallino è caratterizzato da disposizione ordinata degli atomi, ioni o molecole, ossia le unità costitutive del cristallo. Nel caso di molecole (es. H2O, polimeri ) il legame responsabile della formazione del cristallo sarà un legame secondario (dipolo-dipolo o Van der Waals). Nel caso di un singolo cristallo puro, l ordine interno si manifesta con la simmetria dell aspetto esteriore. Il cristallo può essere immaginato o come una disposizione regolare di atomi o come un reticolo tridimensionale ottenuto per ripetizione di un identica unità di base o anche detta cella Unitaria. La sistemazione degli atomi secondo un reticolo ordinato è una conseguenza della tendenza della materia verso la condizione di energia interna minima. L energia complessiva di tutto il cristallo è data dalla sommatoria delle energie relative alle coppie di atomi. Gli atomi vengono assimilati a delle sfere.
Microstruttura Il livello di organizzazione strutturale della materia che può essere osservata generalmente con l'aiuto di un microscopio (ottico ed elettronico) è quello che può essere definito microstruttura. La microstruttura è il risultato delle modalità di produzione di un materiale, ma anche delle successive lavorazioni e dei trattamenti subiti. Il rilevamento microstrutturale fa parte dei metodi di controllo della qualità dei materiali in esercizio: una variazione della microstruttura indica variazioni nelle proprietà e possibile degradazione. La microstruttura è l'insieme di caratteristiche che va dal numero di fasi presenti alla loro distribuzione, forma geometrica, frazione in volume e dimensioni. Tutte le proprietà dei materiali ne sono influenzate in diverso grado. L'omogeneità (il materiale è costituito da una sola fase anche se non necessariamente da un solo elemento) o l'eterogeneità (il materiale è costituito da due o più fasi distinte) dei materiali sono caratteristiche microstrutturali importanti. Tra i materiali per costruzioni o di interesse industriale è molto più diffusa l'eterogeneità. Il numero e la quantità di fasi presenti possono essere valutati sulla base dei diagrammi di stato.
La dimensione delle fasi dipende strettamente da fattori cinetici legati alla formazione e crescita delle fasi. La forma e le distribuzioni delle fasi sono meno prevedibili. La forma delle fasi può determinare l'isotropia o l'anisotropia delle proprietà dei materiali. Nel primo caso le proprietà assumono sempre lo stesso valore indipendentemente dalle direzioni di misura, nel secondo caso il valore sarà diverso dipendentemente dalla direzione di misura sperimentale. Sono anisotropi i cristalli singoli ed i materiali policristallini orientati. Sono isotropi gli amorfi (vetri, polimeri) ed i policristallini non orientati
Proprietà meccaniche Le proprietà meccaniche determinano la risposta dei materiali sotto l azione di forze. Esse dipendono dal tipo di legame, dalla struttura, dal numero e dal tipo di imperfezioni e quindi sono sensibili ai processi di formatura, che sono in grado di variare la microstruttura a parità di composizione chimica. Le forze, dipendentemente dalle modalità di applicazione sono definite statiche o dinamiche. Le forze statiche sono costanti nel tempo, mentre quelle dinamiche variano col tempo (impatto, forze alternate). Ogni forza applicata ad un materiale determina uno sforzo σ = F/A (Pa o multipli) ed una conseguente deformazione ε (ε > 0 trazione,ε < 0 compressione)
Proprietà meccaniche dei materiali Resistenza: la capacità di resistere ad una forza applicata senza fratturarsi. Elasticità: la capacità di ritornare alle dimensioni proprie. Plasticità: la capacità di conservare la forma imposta. Duttilità: la capacità di essere tirati in fili. Malleabilità: la capacità di essere laminati. Anelasticità: deformazione elastica dipendente dal tempo Scorrimento viscoso: capacità di deformarsi permanentemente ad un grado dipendente dal tempo di applicazione del carico Fragilità: la tendenza a fratturarsi se sottoposto ad un carico, soprattutto se di tipo impulsivo. I materiali fragili non mostrano segni premonitori dell imminente frattura. Resilienza: la capacità di assorbire lavoro per fratturarsi in maniera fragile. Tenacità: la capacità di resistere alla frattura con grande deformazione. Durezza: resistenza all abrasione e all indentazione, in generale alla deformazione plastica.
Resistenza Nel loro impiego i materiali devono resistere a sollecitazioni meccaniche di varia natura: carichi di trazione, compressione, taglio, flessione, urto, ecc.. Le deformazioni sono prodotte da sforzi che, localmente, superano l energia dei legami chimici consentendo lo scorrimento relativo dei piani cristallini o delle macromolecole che li costituiscono cosicché il materiale può assumere nuove forme (comportamento plastico). Sforzi più elevati comportano la rottura.
Deformabilità La deformabilità dei materiali viene prima di tutto valutata con prove statiche sottoponendo provini di dimensioni contenute e forma geometrica semplice a forze statiche e misurando le deformazioni corrispondenti. Le prove statiche sono generalmente uniassiali sono dette di compressione, trazione e taglio. Durante la prova si incrementa la forza applicata continuando a registrare le deformazioni prodotte, fino a frattura del materiale. I provini sono diversi a seconda del tipo di materiale e prova: cilindri di grande diametro o cubi nel caso di compressione (se il materiale non è fragile la prova si interrompe quando l =1/2 lo). Il provino per la prova in trazione è in genere di materiale metallico e sagomato per poter essere afferrato nei morsetti della macchina di prova (i materiali ceramici e fragili generalmente non vengono testati secondo questa modalità). Tutti i materiali possono essere suddivisi in classi relativamente al loro modo prevalente di deformazione, valutato tramite i diagrammi tensione deformazione (σ ε).
Legge di Hooke L elasticità è governata dalla legge di Hooke σ = Eε (sollecitazione uniassiale) con E = modulo di Young; σ carico unitario; ε allungamento Un materiale si dice elastico quando la deformazione prodotta è interamente recuperata alla rimozione della forza. Un materiale si dice elastoplastico quando, superato un certo valore di forza, la deformazione indotta permane. Un materiale elastomerico mostra grande deformazione recuperabile per bassi valori di tensione. Esistono anche i materiali viscoelastici ed anelastici nei quali la deformazione dipende dal tempo di applicazione della forza.
Modulo di Young Il modulo di Young E è una caratteristica del materiale, dipende direttamente dalle forze di legame e cresce all aumentare di queste. I materiali molecolari hanno bassi valori di modulo elastico, in quanto i legami intermolecolari sono molto deboli. Il modulo elastico decresce all aumentare della temperatura, in quanto le distanze interatomiche medie sono maggiori e si riducono le forze interatomiche di richiamo elastico
Il modulo elastico risente dell alligazione, il modulo elastico della lega segue la legge delle miscele. L aggiunta di piccole frazioni in volume di legante non produce apprezzabili variazioni di modulo di elasticità. Infatti gli acciai al carbonio (C fino a 1.2% in peso) hanno lo stesso modulo elastico e diversa deformabilità
Durezza La durezza rappresenta la resistenza di un materiale all abrasione ed alla penetrazione. La procedura di misurazione della durezza prevede l utilizzo di indentatori. L indentatore è costituito da un penetratore con punta di materiale molto duro che, caricato con pesi di valore noto, produce su superfici piane del materiale delle impronte misurabili. Infatti la procedura di misura prevede che inizialmente, a causa della ridotta area di contatto tra la punta e la superficie, l indentatore eserciti una pressione tanto elevata da indurre deformazione plastica. La penetrazione dell indentatore si arresta quando l area dell impronta di deformazione si è accresciuta a tal punto da non provocare più né deformazione plastica né elastica. Alcuni indentatori (microindentatori) possono produrre impronte di dimensioni micrometriche, tanto che la misura di durezza può essere fatta senza alterare il manufatto. La prova è non distruttiva e può essere condotta in situ per il controllo qualità o la verifica dello stato del materiale. I materiali molto duri sono anche molto fragili, per cui la durezza di materiali ceramici come il vetro viene misurata con microindentatori. Gli indentatori possono essere appuntiti (metodo Vickers) o arrotondati (metodo Brinell) ed il valore di durezza viene indicato con HV (Hardness Vickers = durezza Vickers) o HB (Hardness Brinell = durezza Brinell) ed unità di misura della pressione. HV = F/A = Pa o suoi multipli