Dip. di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale Università Federico II di Napoli Corso di Laurea in Ingegneria Edile Corso di Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata (Prof. Fabio Iucolano) Introduzione alla Tecnologia dei Materiali La classificazione dei materiali
Struttura del Corso Parte prima: Introduzione ai materiali 1. Classificazione dei materiali 2. Struttura atomica e legami chimici 3. Struttura dei solidi (solidi ideali e reali) 4. Comportamento meccanico dei materiali Parte seconda: Materiali nell edilizia 5. Materiali metallici (acciai, ghise, metalli non ferrosi) 6. Leganti (gesso, calci, cemento, calcestruzzo) 7. Materiali ceramici tradizionali (seminario) 8. Materiali polimerici (seminario)
Introduzione ai Materiali I materiali sono le sostanze con cui sono composti o realizzati gli oggetti che ci circondano Con i materiali l uomo realizza gli oggetti e le strutture necessarie per lo svolgimento delle sue attività Perché è importante lo studio dei materiali? Fin dagli inizi della civilizzazione, la conoscenza e l uso dei materiali, insieme a quello dell energia, ha rappresentato lo strumento più importante per migliorare la qualità della vita Epoche storiche Materiale
Classificazione dei Materiali I materiali di interesse tecnologico sono normalmente suddivisi in tre classi principali: 1.Materiali metallici 2.Materiali ceramici 3.Materiali polimerici (materie plastiche) Inorganici Organici
Materiali Metallici Definizione: materiali inorganici, composti da un elemento puro (metallo) o da due o più elementi miscelati tra loro (leghe). 1.Metalli puri: ferro (Fe), rame (Cu), stagno (Sn), zinco (Zn), alluminio (Al), titanio (Ti),. 2.Leghe metalliche: acciai e ghise (Fe-C), bronzo (Cu-Sn), ottone (Cu-Zn), leghe leggere (leghe dell Al),. N.B. I due (o più) elementi possono essere tutti metallici oppure uno metallico e l altro no. I principali elementi non metallici sono: C, N, O.
Materiali Ceramici Definizione: materiali inorganici non metallici, costituiti da elementi metallici e non metallici (il più comune è l ossigeno) legati chimicamente tra loro. Esempi di ceramici «tradizionali»: 1. vetri 2. mattoni 3. piastrelle 4. laterizi 5. porcellane, terracotta 6. leganti (gesso, calce, cemento, calcestruzzo)
Materiali Polimerici Definizione: materiali costituiti da lunghe catene o reticoli di molecole contenenti carbonio (molecole «organiche»). Esempi: 1. Polietilene (PE) 2. Polipropilene (PP) 3. Polietilentereftalato (PET) 4. Polivinilcloruro (PVC) 5. Polistirene (PS) 6. Polimetilmetacrilato (PMMA o Plexiglass) 7. Poliammidi (PA o Nylon) 8. Politetrafluoroetilene (PTFE o Teflon)
Materiali Compositi Si ottengono dalla combinazione di due o più materiali appartenenti alle tre classi principali (metallici, ceramici e polimerici): MATERIALE COMPOSITO = MATRICE + MATERIALE di RINFORZO Fase continua -fibre - particelle N.B. Il composito risultante presenta una combinazione ottimale delle caratteristiche di matrice e rinforzo.
Esempi di materiali compositi Primo composito della storia è considerato il Torchis: Fango / terra argillosa + paglia /fibre vegetali MATRICE resistenza a compressione RINFORZO resistenza a trazione Torchis Etiope N.B. Le prime costruzioni realizzate in Europa con questa tecnica risalgono al periodo Neolitico
Esempi di materiali compositi VETRORESINA : Resina epossidica + fibre vetro MATRICE POLIMERICA RINFORZO CERAMICO CLS ARMATO: Calcestruzzo + barre di acciaio MATRICE CERAMICA RINFORZO METALLICO CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) Resina epossidica + fibre di carbonio MATRICE POLIMERICA RINFORZO CERAMICO Molto utilizzati per ripristini e consolidamenti sia di strutture in cls armato che di murature storiche
Proprietà dei Materiali A ciascun materiale, in funzione dell applicazione, è richiesto di possedere determinate proprietà: Proprietà meccaniche: riflettono il comportamento in seguito all applicazione di un sistema di forze. Proprietà fisiche: misurano il comportamento sotto l azione della temperatura, dei campi elettrici o magnetici, della luce, del fuoco. Proprietà chimiche : caratterizzano la capacità del materiale di conservarsi nell ambiente in cui opera.
Materiali Metallici Alcune proprietà 1. Buoni conduttori termici ed elettrici; 2. Buona resistenza meccanica e tenacità; 3. Duttilità e malleabilità (facilmente deformabili a freddo e a caldo); 4. Soggetti a corrosione.
Materiali Ceramici Alcune proprietà 1. Refrattarietà (capacità di resistere ad elevate temperature; senza fondere e conservando le caratteristiche meccaniche) 2. Buoni isolanti termici ed elettrici (a parte qualche eccezione); 3. Elevata resistenza a compressione, ma bassa a trazione; 4. Durezza e fragilità; 5. Elevata resistenza chimica.
Materiali Polimerici Alcune proprietà 1. Basso peso specifico (leggerezza); 2. Buoni isolanti termici ed elettrici; 3. Modesta resistenza meccanica; 4. Flessibilità e deformabilità; 5. Soggetti a rammollimento o decomposizione a temperature relativamente basse (bassa stabilità termica); 6. Inerti chimicamente in molti ambienti, ma soggetti ad invecchiamento (degrado dovuto a foto-ossidazione).
Composizione-Struttura-Proprietà Da cosa dipendono le proprietà di un materiale? Per comprendere le proprietà di un materiale è necessario conoscerne sia la composizione chimica che la struttura. Lo studio della struttura dei materiali viene effettuato con diversi livelli di dettaglio, in genere identificati con l ordine di grandezza degli elementi considerati: - struttura atomica o molecolare - microstruttura - macrostruttura
Struttura di un materiale Struttura atomica o molecolare: il materiale viene considerato come un aggregato di atomi e molecole, e quindi tale struttura descrive in che modo (con quale legame) gli atomi o le molecole sono legate tra loro. Microstruttura: la struttura che si presenta ad un livello di dettaglio tale per cui si possano identificare le singole fasi o particelle che costituiscono il sistema. Macrostruttura: rappresenta la struttura del materiale come si presenta a livello macroscopico, cioè ad una osservazione ad occhio nudo. Ognuno dei suddetti livelli di dettaglio fornisce delle informazioni utili a comprendere e prevedere il comportamento del materiale stesso.
Macrostruttura, microstruttura e struttura atomica Esempio: Tubi in acciaio Bordo di grano Risoluzione a livello atomico (scala: 10-10 m) Microstruttura a grani (scala: 10-6 m)