Appunti di Tecnologia dei Materiali: struttura e proprietà dei materiali

Tecnologia dei Materiali: Struttura e Proprietà

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MATERIALI
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Struttura dei Materiali

I materiali da costruzione sono utilizzati dall'uomo per realizzare le strutture, gli elementi costruttivi e gli oggetti
necessari per lo svolgimento delle sue attività. Una volta scelto il materiale, si potrà procedere al progetto
dell'oggetto che si vuole realizzare, le cui caratteristiche dipenderanno dalle proprietà del materiale impiegato. Per
fare questo è necessaria la conoscenza delle proprietà del materiale, misurate attraverso dei parametri quantitativi.
Il comportamento in esercizio di un materiale dipende dalle sue proprietà meccaniche, che riflettono il
comportamento in seguito all'applicazione di un sistema di forze, dalle proprietà fisiche, che misurano il
comportamento al variare della temperatura, dei campi elettrici o magnetici, della luce, del fuoco e da una serie di
proprietà chimiche o chimico-fisiche che caratterizzano la capacità del materiale di conservarsi nell'ambiente in cui
opera.

Struttura e Proprietà della Materia

Struttura e proprietà. Un qualsiasi aggregato di atomi costituisce la materia, termine con cui si indica tutto ciò che
ha la proprietà intrinseca di avere massa. La materia può presentarsi in diversi stati, a seconda del moto in cui le
unità elementari costituiscono sono legate. I diversi stati sono determinati dall'equilibrio tra l'energia di coesione,
che tende ad avvicinare gli atomi, e l'energia termica, che tende ad allontanarli. Le due soluzioni estreme sono
rappresentate dai fluidi, nei quali prevale l'energia termica, e dai solidi nei quali prevale la coesione.
Il concetto di materiale è comunemente legato allo stato solido. I solidi possono essere di tipo cristallino, cioè
caratterizzati da una struttura ordinata a livello molecolare, ma possono anche avere una struttura disordinata
(amorfa) simile a quelli dei liquidi, o semicristallina.
Ci sono anche strutture molto complesse che implicano la contemporanea presenza di una fase liquida e di una fase
solida, come nei gel, che sono costituiti da una dispersione in un liquido di particelle molto fini legate in una
struttura che intrappola il liquido stesso.
Per comprendere le proprietà di un materiale è necessario conoscere la sua struttura. Lo studio della struttura viene
effettuato con diversi livelli di dettaglio. La struttura atomica o molecolare descrive il modo in cui gli atomi o le
molecole che costituiscono il materiale sono legati tra loro. La microstruttura rappresenta la struttura del materiale
osservata con l'ausilio di microscopi che consentono di individuare l'eventuale presenza di diverse fasi o costituenti.
La macrostruttura è la struttura del materiale come si presenta a livello macroscopico cioè a una osservazione a
occhio nudo.

Struttura a Livello Macroscopico

Struttura a livello macroscopico. A questo livello il materiale e valutato nel suo insieme: viene in genere considerato
come continuo e omogeneo e si considerano proprietà medie valide in tutto il suo volume. La minima scala che
consente di considerare correttamente il materiale in questi termici è quella relativa alla dimensione di un elemento
rappresentativo corrispondente al più piccolo volume che descrive l'intero sistema materiale. Le dimensioni lineari
degli elementi rappresentativi possono variare da un ordine di grandezza di 1 um per certi metalli a 10 cm per il
calcestruzzo. Le proprietà misurate su un volume maggiore p uguale a quello dell'elemento rappresentativo si
possono ritenere caratteristiche dell'intero materiale. Se queste proprietà sono le medesime in tutte le direzioni,
allora il materiale è isotropo; viceversa, se le proprietà dipendono dalla direzione lungo cui vengono valutate, il
materiale è anisotropo.
La caratterizzazione di un materiale da un punto di vista tecnologico viene spesso effettuata a livello macroscopico,
effettuando delle prove sperimentali su provini appositamente preparati e riportando i risultati sotto forma di
opportuni indici convenzionali o relazioni tra variabili macroscopiche.

Struttura a Livello Molecolare

Struttura a livello molecolare. A livello molecolare il materiale viene considerato in termini di aggregati di atomi o di
molecole. Esempi sono le celle elementari dei reticoli cristallini dei metalli, le molecole di cellulosa nel legno.
La struttura atomica consente una prima suddivisione dei materiali in diverse classi, in funzione non solo del tipo di
particelle elementari che li costituiscono, ma soprattutto del modo con cui queste sono legate fra loro. Infatti, fra più
atomi possono formarsi vari tipi di legame in seguito alla condivisione degli elettroni più esterni (legami forti) oppure
in seguito ad interazioni di tipo elettrostatico fra le nubi elettroniche (legami deboli).
Vi sono tre tipi di legami forti: legame ionico è caratterizzato dalla cessione di uno o più elettroni di valenza da un
atomo ad un altro atomo; legame covalente due atomi mettono in compartecipazione due o più elettroni di valenza,
legame metallico è caratterizzato dalla formazione di reticoli tridimensionali nei quelli gli ioni del metallo si trovano
in posizione reticolare, mentre gli elettroni sono liberi di muoversi tra gli ioni.I legami interatomici o intermolecolari che si vengono a formare tra le particelle elementari che costituiscono un
materiale influenzano sia la sua struttura sia le sue proprietà. I legami ionico e metallico sono adirezionali e
consentono agli atomi di disporsi secondo dei reticoli cristallini. Nel materiali metallici si trovano spesso disposizioni
degli atomi secondo reticoli cristallini compatti. Nel caso dei solidi ionici non sempre si hanno strutture compatte in
quanto la disposizione degli atomi è governata anche da fattori geometrici e dal rispetto del bilancio globale della
carica. Nei solidi con legami covalenti, in genere, non si ha la tendenza a formare dei reticoli cristallini, ma si formano
molecole di piccole dimensioni che poi si uniscono tra loro.
Una proprietà immediatamente conseguente al tipo di struttura molecolare è la densità che raggiunge valori
massimi per i metalli e valori via via minori passando ai solidi ionici, ai solidi covalenti cristallini o parzialmente
cristallini. Altre proprietà sono: stabilità chimica e la temperatura di fusione sono legate ai legami chimici e alla loro
forza; rigidità è la tendenza del materiale a deformarsi in modo maggiore o minore in seguito all'applicazione di una
forza; proprietà elettriche.

Struttura a Livello Microscopico

Struttura a livello microscopico. Per microstruttura si intende la struttura che si presenta a un livello di dettaglio tale
per cui si possano individuare le singole fasi o particelle che lo costituiscono e che interagiscono per realizzare il
comportamento del materiale nel suo insieme. Gli aspetti più importanti dell'analisi microstrutturale sono relativi:
alla geometria; alle proprietà chimiche, fisiche e meccaniche delle singole fasi; alle caratteristiche dell'interfaccia.

Classificazione dei Materiali

Classificazione dei materiali. Tre grandi classi: i metalli, i polimeri e i ceramici. (vedi tab. 1.2)
I materiali metallici sono composti da uno o più elementi metallici miscelati fra loro. A temperatura ambiente la
maggior parte dei metalli sono allo stato di solidi cristallini. Tradizionalmente i metalli si dividono in due classi:
metalli e leghe ferrose e metalli e leghe non ferrose.
I materiali polimerici sono composti da lunghe catene molecolari a base di atomi di carbonio. Alle catene sono fissati
altri elementi (H, Cl) o gruppi di atomi. Hanno struttura amorfa o semicristallina, una bassa resistenza meccanica,
elevata deformabilità, bassa conducibilità termica e bassa densità.
I ceramici sono materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente tra loro.
Possono essere cristallini o amorfi o parzialmente cristallini. In genere i materiali ceramici sono duri e fragili, hanno
elevata resistenza a compressione, ma non a trazione, sono isolanti termici e elettrici.
I tre principali tipi di materiale sopra citati possono essere combinati per ottenere un materiale composito, con il
quale si raggiunge una combinazione di proprietà migliore rispetto a quella dei singoli costituenti.

Sistemi Eterogenei

Sistemi eterogenei. Si definisce fase una porzione omogena di un sistema chimico fisico eterogeneo, identificabile in
base al suo stato fisico e alla sua struttura interna.
Si definisce varianza di un sistema eterogeneo in equilibrio il numero dei parametri di equilibrio che si possono far
variare senza che cambi il numero delle fasi. In condizioni di equilibrio, vale la seguente relazione v= C+2-f dove C è il
numero dei componenti chimici indipendenti e f è il numero delle fasi.

Diagramma di Stato Binari

Diagramma di stato binari. Consideriamo un sistema binario A-B, dove A e B possono essere un elemento chimico. I
diagrammi di stato dei sistemi binari sono tracciati a pressione costante, riportando sull'asse delle ascisse la
composizione della lega e sull'asse delle ordinate la temperatura. Fissata la composizione della lega e la
temperatura, la lettura di questi diagrammi consente di valutare: le fasi presenti, la loro composizione, la loro
quantità relativa.

Miscibilità Completa allo Stato Solido

Miscibilità completa allo stato solido. (vedi pag. 14)

Trasformazione Eutettica

Trasformazione eutettica. La figura 1.6 (vedi pag. 19) mostra un diagramma di stato di due metalli completamente
miscibili allo stato puro e parzialmente miscibili allo stato solido con presenza di una trasformazione eutettica. In
questo caso si possono formare due soluzione solide: la fase a, ricca nel componente A, e la fase ß, ricca in B.
Entrambe le fasi presentano un limite di solubilità, funzione della temperatura; i punti 1 e 2 rappresentano le due
soluzioni solide limite. Le due linee di liquidus si incontrano nel punto E, corrispondente alla lega che fonde alla
minima temperatura. Le due linee di solidus terminano in due punti 1 e 2 su una linea orizzontale per E. La retta 1-E-
2 rappresenta il luogo dei punti di invarianza del sistema: infatti in corrispondenza ai punti di tale retta sono presenti
tre fasi: la fase liquida di composizione E, la fase solida a di composizione rappresentata dal punto 1, e la fase solida