Questo Corso vi aiuterà:

TecMat: Chimica Applicata all’Ambiente e Tecnologia dei

MaterialiObiettivo del Corso...

Introdurre i concetti fondamentali di TecMat

Imparerete a conoscere:• la struttura dei materiali• come la struttura determina le proprietà• come le tecnologie di processazione possano modificare la struttura

• ad usare i materiali in maniera appropriata• realizzare nuove opportunità di progettazione

con i materiali

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Docenti: Prof. Ing. Andrea Lazzeri : Dott.ssa Maria-Beatrice Coltelli

Orario: Mercoledì 08:30 – 10:30 A28 Venerdì 15:30 – 18:30A13

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LEZIONI

Contatti:

• telefono: 050 2217807• email: a.lazzeri@ing.unipi.it

• stanza 307

Dipartimento di Ingegneria Civile ed IndustrialeSezione Ingegneria Chimica e dei Materiali

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UFFICIO

Testi consigliato:

Altri testi:

• Scienza e Tecnologia dei Materiali - W.F. Smith, J. Hashemi, 4a ed., McGraw-Hill - 2012

• dispense dei docenti

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TESTI

• Il calcestruzzo. Materiali e Tecnologia - V.A. Rossetti, 3a ed. McGraw-Hill - 2007

L’esame finale è scritto e oraleLa prova prevede esercizi e domande di teoria. L’esame scritto non prevede consultazione di libri, appunti o altro materiale relativo al programma del corso.

Il tempo a disposizione per la prova è di 3 ore.

Verrà valutato un punteggio parziale per risposte numericamente errate ma supportate da un ragionamento corretto. Il punteggio assegnato alle domande ed esercizi è riportato in fondo al testo.

Per l’ammissione all’esame orale occorre ottenere un punteggio pari o superiore a 18, così distribuito: almeno 12 punti nella parte numerica (esercizi) ed almeno 6 in quella teorica (quesiti a risposta aperta e chiusa).

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ESAME FINALE

l’ingegnere progettista usa tradizionali modificati ai i materiali (tradizionali, modificati, nuovi) per progettare e creare nuovi prodotti e nuove strutture.

Ingegneri meccanici → materiali per alte temperature in grado di far lavoraremotori a più alte temperature, per innalzare il rendimento termico.

Ingegneri elettronici → materiali per dispositivi più veloci, in grado ditrasmettere o immagazzinare una maggiore quantità di dati e anche capacidi resistere a più elevate temperature.

Ingegneri aerospaziali → miglioramento del rapporto resistenza/peso.

Ingegneri chimici → materiali più resistenti alla corrosione.

Ingegneri civili/edili → materiali con proprietà strutturali e funzionali (materiali intelligenti), materiali più resistenti alla corrosione, con un migliore rapporto resistenza/peso, migliore durabilità del calcestruzzo.

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Approccio verso i materiali

Scelta di un materiale non può prescindere da tecnologia in uso,impatto ambientale, costo ed estetica

Criteri di scelta si fondano suproprietà dei materiali, relazioni tra struttura e proprietà. Tecnologie e metodi di lavorazione.

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Criteri di progettazione

Costo dei materiali deve essere proporzionato al livellotecnologico dell’applicazione

Il costo dei materiali dipende da:Domanda offertaCosto dell’energiaPurezza e qualitàRelazione costo/prestazioneAlligazioneDisponibilità delle risorseDipendenza da paesi fornitori

g

Costo dei materiali

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

Figura 1.17 – Tendenze future nell’uso dei materiali

Materiali metallici -nuove leghe: a base di Ni per alte temperature,leggere per aeronautica;-nuove nuove tecnologie di produzione: pressatura

tecnologie di produzione: pressatura isostatica, monocristalli, crescita monodirezionale, solidificazione rapida.

Materie plastiche -riduzione del tasso di crescita dei consumi per le plastiche comuni;

-sviluppo delle plastiche strutturali e delle leghe polimeriche

- sviluppo delle plastiche biodegradabiliMateriali ceramici -riduzione del tasso di crescita dei consumi di ceramici

tradizionali; -forte sviluppo dei ceramici avanzati, sia per impieghi

strutturali che funzionali.Materiali compositi -forte tasso di crescita per i compositi a matrice polimerica

specialmente nel settore aeronautico;- progressiva introduzione nel mercato di compositi a

matrice metallica e ceramica

I materiali sono... Strutture ingegnerizzate...non scatole nere!

La struttura...ha molte dimensioni...

Caratteristiche strutturali Dimensioni (m)

Legame atomico

Atomi vacanti/extra

Cristalli (atomi ordinati)

Particelle di fase secondaria

Tessitura cristallina

< 10-10

10-10

10-8-10-1

10-8-10-4

> 10-6

1

CAPITOLO 1: SCIENZA E INGEGNERIA DEI MATERIALI

Es.: la durezza vs la struttura dell’acciaiol • Le proprietà dipendono dalla struttura

Es: la struttura vs la velocità di raffreddamento dell’acciaio

• Le tecnologie di lavorazione possono modificarela struttura

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Struttura, Tecnologie di lavorazione, e Proprietà

Cooling Rate (C/s)

100

200

300

400

500

600

0.01 0.1 1 10 100 1000

(a)

30m

(b)

30m

(d)

30m(c)

4m

Du

rezz

a (

BH

N)

1. Definita l’ApplicazioneSi determinanole Proprietà richieste

2. Proprietà Si identificano i Materiali candidati

3. Materiali Si identificano le Tecnologie di lavorazione richieste

Tecnologie di lavorazione: cambiano la struttura e la forma Es: colata, sinterizzazione, deposizione da fase vapore, dopaggio, forgiatura, saldatura, ricottura.

Proprietà: meccaniche, elettriche, termiche,magnetic, optical, deteriorative.

Materiali: struttura, composizione.

3

Il Processo di Selezione dei Materiali

T (°C)-200 -100 0

Cu + 3.32 at%Ni

Cu + 2.16 at%Ni

deformed Cu + 1.12 at%Ni

1

2

3

4

5

6

Resi

stiv

ity,

(1

0-8

Oh

m-m

)

0

Cu + 1.12 at%Ni

“Pure” Cu

• Resistività Elettrica del Rame:

• Aggiungendo atomi di “impurezze” al Cu aumenta la resistività.

• Deformando il Cu aumenta la resistività. 4

PROPRIETA’ ELETTRICHE

• Piastrelle Space Shuttle: --L’isolamento con fibre di Silice permette una bassa conduzione termica.

• Conduttività Termica del Rame: --Diminuisce aggiungendo zinco!

Composition (wt%Zinc)Therm

al C

onduct

ivit

y

(W/m

-K)

400

300

200

100

00 10 20 30 40

5

100m

PROPRIETA’ TERMICHE

• Permeabilità magnetica vs. Composizione: --Aggiungendo 3% di Si atomico si rende il Fe un materiale per registrazione migliore!

Magnetic FieldMagneti

zati

on

Fe+3%Si

Fe

6

• Immagazzinamento Magnetico --Il mezzo di registrazione è magnetizzato dalla testa di registrazione.

PROPRIETA’ MAGNETICHE

• Trasmittanza: --L’ossido di alluminio (allumina) può essere transparente, traslucido, o opaco secondo la struttura del materiale.

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cristallo singolo

Materiale policristallino:bassa porosità

Materiale policristallino:alta porosità

PROPRIETA’ OTTICHE

• Le sollecitazioni meccaniche e le acque saline... --causano fessurazioni!

• Il trattamento termico: rallenta la velocità di propagazione di fessure in acque saline!

4mm

--materiale: ”lega” di Al 7150-T651 (Zn,Cu,Mg,Zr)

“held at 160C for 1hr before testing”

increasing loadcra

ck s

pe

ed

(m

/s)

“as-is”

10-10

10-8

Alloy 7178 tested in saturated aqueous NaCl solution at 23C

RESISTENZA ALLA CORROSIONE E AL DETERIORIORAMENTO

• Usare il materiale adatto allo scopo.

• Capire le relazioni tra proprietà, struttura, e tecnologie di lavorazione.

• Riconoscere le nuove opportunità di progettazione offerte dalla selezione dei materiali.

Gli scopi del corso:

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SOMMARIO