lezione_1_nofig

Scienza e Tecnologia dei
Materiali
Ingegneria Civile
Docente: Prof. Laura Montanaro
[email protected]
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
1
Generalità
Orario lezioni: Lunedì 11.30-13.00
Martedì 8.30-11.30
Libro di testo: A.Negro et al., Scienza e
Tecnologia dei Materiali, Celid / Dispense sul
Portale / fotocopie distribuite dal docente
VirtLab (parte integrante del programma):
http://didattica.polito.it/pls/portal30/docs/FOLDER/
AREA_DOCENTE/SITO_VIRTLAB/INDEX.HTM
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
2
Generalità
Consulenze su appuntamento tramite E-mail (da
indirizzo istituzionale …[email protected]) a:
[email protected]
Esame: prova scritta ( 4 domande a risposta
aperta; 2 da 5 punti cadauna, 2 da 10 punti
cadauna, suddivise in parti).
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
3
Cosa è la Scienza e la Tecnologia dei Materiali?
Disciplina ingegneristica di base
Conoscere i materiali
Æ per operare scelte corrette
Æ per progettare (tailoring) nuovi materiali
Sono disponibili commercialmente più di 160000 materiali
Come operare la migliore selezione in un catalogo così
vasto?????
Non è possibile conoscere tutti i materiali Æ linee-guida per
la conoscenza e la scelta
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
4
Come si definisce un materiale in Ingegneria?
Materiale ÅÆ esigenza/funzione
Materiale: qualsiasi
solido in grado di
svolgere almeno una
determinata funzione
(meccanica, termica,
ottica, magnetica,
elettrica,….)
Vari materiali possono
svolgere la stessa
funzione: occorre saper
operare la scelta
migliore
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
5
Materiali e proprietà
Proprietà fisiche
Proprietà meccaniche
Proprietà termiche
Proprietà elettriche
Proprietà magnetiche
Proprietà ottiche
Proprietà chimiche
…………………….
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
6
Classificazione dei Materiali
• Naturali, di origine geologica (pietre, rocce, argille, ..) o
chimica (cellulosa, caucciù, carbone, ..),
• Sintetici (metalli ottenuti per trattamento dei minerali, ceramici,
materie plastiche, ..)
Metalli (Fe, Al, Cu, Mg, Ti) e loro Leghe (Acciai, Ghise, Ottoni,
Bronzi....)
Ceramici tradizionali e ingegneristici
Materie plastiche
Termoplastici
Termoindurenti
Elastomeri o Gomme
Compositi: CMC, MMC, PMC
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
7
Metalli: materiali inorganici metallici
Ampio gruppo di elementi chimici caratterizzati da un
numero variabile di elettroni di valenza delocalizzati
(legame metallico).
Organizzazione degli atomi in strutture ordinate (cristalli).
Molto difficile produrre metalli amorfi.
Leghe (combinazioni – non stechiometricamente
definite - di due o più metalli o non metalli), quali le
ghise e gli acciai (leghe a base Fe-C), le leghe di Al
(duralluminio: Al-Cu), Ti, Mg, Ni, Zn, Cu (ottoni, leghe
Cu-Zn, e bronzi, leghe Cu-Sn).
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
8
Metalli: materiali inorganici metallici
• Opachi (cioè non trasparenti alla luce visibile), ma
lucenti
• Ottimi conduttori di elettricità e calore
• Elevate resistenze meccaniche, pur essendo duttili, cioè
deformabili plasticamente (cioè in modo irreversibile,
permanente, prima di rompersi: sono duttili).
• Temperature di fusione assai variabili (Al= 660°C; Ti =
1660°C; W = 3420°C)
• Medio-alte densità (Mg = 1,75 g/cm3; Al = 2,7 g/cm3; Ti
= 4,5 g/cm3 (metalli e leghe LEGGERE);
LEGGERE Fe = 7,8 g/cm3;
Cu = 8,9 g/cm3; W = 19,3 g/cm3)
• Si corrodono facilmente (corrosione del Fe: formazione
di ruggine)
• Formatura prevalentemente da fuso
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
9
Ceramici: Materiali inorganici non metallici
Materiali formati dalla combinazione – in rapporti
stechiometricamente definiti – di elementi metallici e non
metallici, caratterizzati dalla presenza di legami ionici e/o
covalenti.
Possono essere costituiti da organizzazioni ordinate di atomi
(cristalli) oppure da strutture caotiche (vetri).
Ceramici tradizionali, soprattutto derivati dell’argilla
(porcellane, gres, maioliche....,),
• Cementi, calci,...
• Vetri (a base silice: vetri da bottiglie, da finestra, cristalli,
vetri Pyrex ®... )
• Ceramici ingegneristici (o avanzati o di alta tecnologia:
ossidi, carburi, nitruri, carburi, ...).
•
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
10
Ceramici: Materiali inorganici non metallici
Tipologia di
ceramico
Esempi
Ossidico silicatico Refrattari silicei, silico-alluminosi, mullitici
(mullite: 3Al2O3.2SiO2); costituenti del
cemento Portland (silicati di calcio); silice
SiO2 e vetri silicatici
Ossidico non
silicatico
Allumina Al2O3, Magnesia MgO, Spinello
MgO. Al2O3, Zirconia ZrO2, Titanato di bario
BaTiO3, Biossido di uranio UO2, Toria ThO2,
Ferrite di nichel NiFe2O4
Non ossidico
Carburo di silicio SiC, Nitruro di silicio
Si3N4, Carburo di titanio TiC, Carburo di
tungsteno WC, Nitruro di boro BN, Carburo di
boro B4C, Diamante e Grafite C
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
11
Ceramici: Materiali inorganici non metallici
Isolanti termici ed elettrici
• Generalmente altofondenti (Tf allumina = 2054°C; Tf
zirconia = 2680°C; Tf silice = 1710°C)
• Resistono bene alle alte temperature (refrattarietà:
mantenere
inalterate
caratteristiche
chimico-fisicomeccaniche anche se esposti per lungo tempo ad alte T)
• Resistono bene agli ambienti aggressivi (inerzia chimica)
• Possono presentare elevate caratteristiche meccaniche e
elevata durezza
• Sono fragili: si rompono dopo essersi deformati solo in
modo reversibile (deformazioni elastiche)
• Formatura prevalentemente da polveri (da fuso solo per i
vetri)
•
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
12
Materie plastiche - Polimeri
Materiali organici costituiti da lunghe catene molecolari
(macromolecole) nelle quali uno o più gruppi (detti monomeri) si
ripetono concatenandosi.
Molti polimeri sono costituiti unicamente da carbonio ed idrogeno;
altri contengono anche ossigeno e/o azoto e/o fluoro.
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
13
Materie plastiche - Polimeri
Siliconi: polimeri con catene a base di Si e non di C.
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
14
Materie plastiche - Polimeri
Legami intra-catena: legami forti (covalenti: C-C)
Legami inter-catena: prevalentemente deboli interazioni di
Van der Waals (dipolo indotto – dipolo indotto; dipolo –
dipolo..., legami idrogeno...)
Proprietà molto variabili da famiglia a famiglia:
• TP Æ duttili (deformazione plastica, irreversibile, anche
estesa prima di rompersi)
• TI Æ fragili (deformazione elastica, reversibile)
• Gomme Æ estesissima deformazione elastica prima di
rottura
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
15
Materie plastiche - Polimeri
• Bassa densità
• Facilmente formabili
• Bassa resistenza meccanica
• Bassa temperatura di
decomposizione oppure di fusione
(o, meglio, di rammollimento)
• Alta reattività chimica
• Riciclabilità a fine vita (TP)
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
16
Riciclo a fine vita
ACC (o FE) = acciaio;
AL (o ALU) = alluminio;
CA = carta;
PE = polietilene;
PET (PETE) = polietilene tereftalato;
PP = polipropilene;
PS = polistirene;
PVC (o V) = polivinilcloruro;
VE = vetro;
ABS = acrilonitrile butadiene stirene
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
17
Compositi
Combinazioni di due o più
materiali diversi, finalizzate
all’accoppiamento delle migliori
caratteristiche di ciascuno di
essi (effetto sinergico)
Composito naturale: legno,
nel quale la matrice di
lignina è rinforzata dalle
fibre cellulosiche
Æ Matrice
Æ Rinforzo
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
18
Compositi
Composito sintetico: vetroresina
• elevata resistenza a
intrinsecamente fragili,
trazione
delle
fibre
di
vetro,
• notevole duttilità e flessibilità del materiale polimerico,
Si conferisce alla matrice polimerica la capacità di sopportare i
carichi richiesti ad un materiale strutturale.
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
19
Compositi
Ceramic Matrix Composite: CMC
Metal Matrix Composite: MMC
Polymer Matrix Composite: PMC
GFRP: Glass-Fiber-Reinforced Polymer
CFRP: Carbon-Fiber-Reinforced Polymer
Fibre: Carbonio, Vetro, Aramidiche (Kevlar ®)
Prof. L. Montanaro ‐ STM ‐ Ing. Civile
20

Download Report