Università di Roma – Tor Vergata

Facoltà di Ingegneria

TECNOLOGIA DEI MATERIALI e

CHIMICA APPLICATA (I parte)

Prof. G. Montesperelli

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Struttura dei materiali Legami, reticoli cristallini e difetti, Indici di Miller

Proprietà meccaniche dei materiali Comportamento elastico, plastico e viscoelastico Prove meccaniche

Trasformazioni termodinamiche Diagrammi di stato binari Diagramma di stato Fe-C Nucleazione e accrescimento dei grani Curve TTT

Materiali metallici Struttura e proprietà

Materiali polimerici Polimeri termoplastici, termoindurenti ed elastomeri Materiali compositi

Materiali ceramici Struttura e proprietà Vetri

Testi consigliati: Smith, Hashemi: Scienza e Tecnologia dei Materiali 3 ed.

Ed. Mc Graw Hill

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Introduzione I materiali possono essere definiti come la materia utilizzata dall'uomo per la fabbricazione di oggetti che formano il supporto del suo genere di vita. Nessun oggetto può essere realizzato senza i materiali e talvolta accade che non è possibile realizzare nuovi oggetti in quanto non si conoscono i materiali adatti. Le proprietà dei materiali sono le più svariate: Proprietà meccaniche: riflettono il comportamento dei materiali sottoposti ad un sistema di forze. Proprietà fisiche: misurano il comportamento dei materiali sotto l'azione della temperatura, dei campi elettrici o magnetici, o della luce. Proprietà chimiche: caratterizzano il comportamento dei materiali in un ambiente più o meno aggressivo. Nella maggior parte delle applicazioni sono richieste più proprietà.

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Per la realizzazione di una linea elettrica ad alta tensione servono: un buon conduttore di elettricità (Cu, Al)

un materiale leggero e resistente (cavo acciaio)

un materiale resistente e poco costoso (traliccio)

un materiale resistente alla corrosione (pittura, Zn)

un materiale isolante (porcellana)

un materiale per la base (calcestruzzo)

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Tre classi di materiali: • Metalli e leghe (Fe, Al, Cu, acciai) • Polimeri organici (PE, PVC, PMMA, Nylon) • Materiali ceramici (Calce, Al2O3, SiC ...) • Materiali compositi Metalli e leghe 2000 Materiali ceramici 5000 Polimeri organici 10000 !! È impossibile conoscere le proprietà di tutti i materiali, ma si devono conoscere i principi che governano i criteri per la scelta e l’applicazione di tutti materiali.

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LEGAMI CHIMICI

Legami forti Covalente 400÷700 kJ Diamante, Silicio

Ionico 600÷1000 kJ Na+Cl- Metallico 300÷800 kJ Fe, Cu ...

Legami deboli Van der Waals 8÷30 kJ Dipolo-dipolo

indotto Dipolare ≈ 20 kJ Dipolo-dipolo

Legame idrogeno ≈ 40 kJ H2O

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LEGAME IONICO

• Avviene tra atomi con forti differenze di elettronegatività (Na+Cl-, Cs+Cl-)

• Equilibrio tra due forze contrastanti forza attrattiva di natura elettrostatica forza repulsiva (repulsione degli orbitali) • Legame non direzionale

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CARATTERISTICHE DI UN CRISTALLO IONICO

• Elevata durezza (e punto di fusione) • Bassa conducibilità • Alta costante dielettrica

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LEGAME COVALENTE

• Ripartizione degli elettroni degli atomi, che si dispongono su orbitali comuni ad i due atomi.

• Combinazione lineare di orbitali atomici. • Legame forte e direzionale.

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CARATTERISTICHE CRISTALLI COVALENTI

• Alto punto di fusione • Difficoltà di deformazione • Isolanti o semiconduttori

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LEGAME METALLICO

• Bassa energia di ionizzazione • I metalli sono caratterizzati da una struttura di ioni positivi

immersi in un gas di elettroni che assicura il legame tra gli ioni positivi.

• Legame forte non direzionale.

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CARATTERISTICHE CRISTALLI METALLICI

• Duttilità • Alta conducibilità • Facile solubilità (formazione di leghe)

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LEGAMI SECONDARI

Sono legami deboli se confrontati con le energie di legame dei legami primari. Sono virtualmente presenti tra tutti gli atomi e tra tutte le molecole, ma spesso sono mascherati dalla presenza di legami forti. Nascono dall’attrazione elettrostatica, dipolo-dipolo o dipolo-dipolo indotto.

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STRUTTURA DEI SOLIDI CRISTALLINI I materiali cristallini sono caratterizzati da una distribuzione regolare e ripetitiva degli atomi nelle tre direzioni che definisce la sua struttura cristallina. - Celle unitarie Sono l'unità strutturale di base la cui trasposizione nello spazio dà luogo ai cristalli. Principali strutture cristalline dei materiali Struttura cubica a facce centrate (CFC) (Cu, Al, Ag, Au ..... ) - Numero di atomi per cella = 4 - Numero di coordinazione = 12

(numero di atomi equivalenti intorno ad un dato atomo) - Fattore di riempimento = 0.74

(rapporto tra il volume occupato dagli atomi contenuti in una cella unitaria ed il volume delle cella)

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Struttura cubica a corpo centrato (CCC) (Fe α, Cr, W, Mo ..... ) - Numero di atomi per cella = 2 - Numero di coordinazione = 8 - Fattore di riempimento = 0.68

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Struttura esagonale compatta (EC) (Zn, Cd, Co, Ti ..... ) - Numero di atomi per cella = 6 - Numero di coordinazione = 12 - Fattore di riempimento = 0.74

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Polimorfismo: proprietà posseduta da certi materiali metallici e non di avere strutture diverse al variare della temperatura o della pressione.

Fe α (ccc) Fe γ (cfc)

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- Sistemi cristallini Le diverse strutture cristalline possono essere divise in gruppi sulla base della forma della cella unitaria, indipendentemente dalla posizione occupata dagli atomi all'interno della cella. Questi gruppi prendono il nome di sistemi cristallini. I sistemi cristallini sono completamente descritti da 6 parametri, individuati su un sistema di coordinate X, Y, Z, la cui origine viene posta in corrispondenza di un vertice della cella ed i cui assi vengono fatti coincidere con tre spigoli della cella. I sei parametri reticolari risultano così essere: a, b, c: dimensioni della cella lungo i tre assi α, β, γ: angoli tra gli assi Tutte le strutture cristalline sono raggruppate in

7 sistemi cristallini a cui corrispondono

14 celle elementari (dette di Bravais)

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Indici di Miller - Direzioni cristallografiche Una direzione cristallografica è data da un vettore, identificato da tre indici, detti indici di Miller, secondo la seguente procedura: 1 - Si traccia un vettore secondo la direzione cristallografica, che passi per l'origine degli assi ed esca dalla cella unitaria. Se il vettore non passa per l'origine lo si trasla, parallelamente a se stesso, in modo che passi per l'origine. 2 - Si scompone il vettore secondo i tre assi e, le coordinate così ottenute, si esprimono in termini di parametri di cella elementare (a, b, c) (p.e.: 1, 1/2, 3/2 rispettivamente di a, b, c) 3 - I numeri così ottenuti si moltiplicano o si dividono per un fattore comune in modo da ridurli ai numeri interi più piccoli (p. es. moltiplicando per 2 i valori precedenti, si ottiene 2,1,3). 4 - I tre indici così ottenuti si pongono tra parentesi quadre senza separarli da virgole [2 1 3].

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Gli indici di Miller relativi alle direzioni cristallografiche sono indicati dalle lettere u v w . Tali indici possono anche assumere valori negativi, nel qual caso si usa la notazione u v w .

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- Direzioni equivalenti: sono equivalenti tutte le direzioni parallele tra di loro (uguali indici di Miller) e tutte quelle lungo le quali gli atomi si trovano alla stessa distanza. Es.: in un sistema cubico sono equivalenti le direzioni: 100 , 010 , 001 , 1 00 , 01 0 , 00 1 .

Tutte le direzioni equivalenti vengono riunite in un'unica famiglia indicata con la notazione 100 .

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- Piani cristallografici Vengono identificati mediante tre indici (h k l). 1 - Si sceglie l'origine (arbitraria) in modo che non si trovi sul piano (altrimenti si trasla il piano parallelamente a se stesso o si sceglie un'altra origine). 2 - Si determinano le intercette del piano con gli assi e le si esprimono in termini di parametri reticolari (a, b, c). Nel caso di piani paralleli ad uno degli assi, la relativa intercetta è ∞. 3 - Si considerano i reciproci di dette intercette, si tolgono i parametri di cella. I numeri così ottenuti si riducono agli interi più piccoli, moltiplicando o dividendo per un fattore comune. 4 - Gli indici interi si pongono tra parentesi tonde non separati da virgole.

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Tutti i piani paralleli tra loro sono identificati dagli stessi indici e sono equivalenti. La distribuzione degli atomi su di un piano dipende dalla struttura (e dalla simmetria) cristallina. Piani cristallografici diversi possono avere la stessa distribuzione di atomi. Tali piani appartengono alla stessa famiglia. Es.: nel caso di un sistema cubico i piani:

111 , 1 1 1 , 1 11 , 11 1 , 11 1 , 1 1 1 , 1 1 1 , 11 1 appartengono alla famiglia 111

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DIFETTI DELLA STRUTTURA CRISTALLINA Al livello microscopico e submicroscopico: difetti di punto

difetti di linea (dislocazioni)

Al livello macroscopico: difetti di volume (bordi di grano)

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Difetti di punto: - vacanze (posizioni reticolari vuote)

La loro concentrazione dipende dalla temperatura:

n A exp WakbT

- atomi interstiziali (atomi estranei di piccole dimensioni che

occupano gli spazi esistenti tra le posizioni reticolari) - atomi autointerstiziali (nel caso di atomi uguali a quelli del

reticolo) - atomi sostituzionali (atomi in posizioni reticolari diversi da

quelli costituenti il reticolo)

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Le posizioni interstiziali possono essere ottaedriche o tetraedriche a seconda della loro geometria.

Ottaedrica Tetraedrica

Nel reticolo CFC i vuoti ottaedrici stanno al centro della cella elementare (1) e degli spigoli del cubo (12). Ci sono quattro posizioni interstiziali ottaedriche per ogni cella CFC. Ricordando che in ogni cella CFC contiene 4 atomi per cella, c’è una posizione interstiziale ottaedrica per ogni atomo nella cella CFC. La cella CFC contiene inoltre otto posizioni tetraedriche, cioè due siti interstiziali tetraedrici per atomo. Lo stesso vale per le celle di tipo EC

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Per i solidi ionici vale sempre il principio dell'elettroneutralità: la mancanza di un catione deve essere bilanciata dalla mancanza di un anione: Difetto di Schottky: contemporanea presenza di una vacanza anionica e di una cationica. Difetto di Frenkel: contemporanea presenza di una vacanza e di uno ione interstiziale.

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- Difetti di linea Dislocazioni Perturbazione nella disposizione degli atomi nell'intorno di una linea, idealmente generata dallo scorrimento su un piano di una parte del reticolo cristallino. - Dislocazione a spigolo Consiste nella presenza di un piano reticolare non completo che termina in una linea (detta linea di dislocazione), generato dallo scorrimento su un piano di una parte di reticolo cristallino rispetto a quella inferiore, in direzione perpendicolare alla linea di dislocazione. Dislocazione positiva quando il semipiano in più è al di sopra del piano di scorrimento, negativa quando il semipiano in più è al di sotto del piano di scorrimento. - Dislocazione a vite Disposizione elicoidale (a vite) degli atomi intorno ad una linea, (linea di dislocazione), idealmente generata dallo scorrimento su un piano della parte superiore del reticolo rispetto a quella inferiore, in direzione parallela alla linea di dislocazione.

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MOVIMENTO DELLE DISLOCAZIONI • È alla base del meccanismo di deformazione plastica dei

materiali metallici a "bassa temperatura". • Coinvolge la rottura contemporanea di un numero limitato

di legami. • Avviene sempre in direzione perpendicolare alla linea di

dislocazione.

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BORDI DI GRANO

Normalmente i materiali hanno una struttura policristallina, cioè formata da svariati cristalli di piccole dimensioni detti grani. Le regioni in cui i grani si toccano, vengono chiamati bordi di grano e costituiscono delle zone di transizione caratterizzate da una struttura più o meno perturbata che permette l'adattamento geometrico e cristallografico dei differenti cristalli. Diversi fenomeni avvengono al bordo grano: • Segregazione delle impurezze • Nucleazioni (formazioni di nuove fasi) • Diffusione • Bloccaggio delle dislocazioni

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