CorsoCorso didi MeccanicaMeccanica deidei MaterialiMateriali A.A. 2010A.A. 2010--20112011

CARATTERIZZAZIONECARATTERIZZAZIONE DEI DEI MATERIALIMATERIALI

Michele Michele BuonsantiBuonsanti **

DipartimentoDipartimento MeccanicaMeccanica e e MaterialiMaterialiFacoltFacoltàà didi IngegneriaIngegneria UniversitUniversitàà didi Reggio CalabriaReggio Calabria

EE--mail: mail: michele.buonsanti@unirc.itmichele.buonsanti@unirc.it

SCIENZA DEI MATERALI

“Material science has been defined as the relationship among structure, properties, processing and performance of materials. “

(M.N. White, Properties of Materials, Oxford press, 1999)

Evoluzione della resistenza

Piramide delle interazioni

CLASSIFICAZIONE DEI MATERALICLASSIFICAZIONE DEI MATERALI

METALLIMETALLICERAMICICERAMICIPOLIMERIPOLIMERICOMPOSITICOMPOSITISEMICONDUTTORISEMICONDUTTORIBIOMATERIALIBIOMATERIALIMATERIALI AVANZATIMATERIALI AVANZATI

CLASSI DI MATERIALI PER LCLASSI DI MATERIALI PER L’’INGEGNERIAINGEGNERIA

CARATTERISTICHE DEI MATERIALICARATTERISTICHE DEI MATERIALI

PROPRIETA’ DEI MATERIALI

SCALE IN MECCANICA DEI MATERIALISCALE IN MECCANICA DEI MATERIALI

STRUTTURA E LEGAMI INTERATOMICI

Micrografia della superficie di un provino d’oro. Gli atomi in evidenza appartengonoal piano cristallografico (1,1,1)

STRUTTURA ATOMICASTRUTTURA ATOMICA

LEGAME IONICOLEGAME IONICOLegame tipico della unioneLegame tipico della unionetra elementi metallici e non.tra elementi metallici e non.Forze di legame sono di tipoForze di legame sono di tipocoulombianocoulombiano..EE’’ il legame presente in formail legame presente in formamaggioritaria nei materiali ceramaggioritaria nei materiali cera--mici.mici.

STRUTTURA ATOMICASTRUTTURA ATOMICA

LEGAME COVALENTELEGAME COVALENTELa stabilitLa stabilitàà del legame del legame èèraggiunta dalla condivisioneraggiunta dalla condivisionedi alcuni elettroni. Edi alcuni elettroni. E’’ un legameun legamedirezionale con valori moltodirezionale con valori moltoforti (diamante) oppure deboliforti (diamante) oppure deboli(bismuto). E(bismuto). E’’ il legame tipico peril legame tipico peri materiali polimericii materiali polimerici

STRUTTURA ATOMICASTRUTTURA ATOMICA

LEGAME METALLICOLEGAME METALLICOEE’’ il legame per metalli e loro leghe.il legame per metalli e loro leghe.Legame aLegame a--direzionale con energie moltodirezionale con energie moltovariabili. La duttilitvariabili. La duttilitàà dei materiali metallicidei materiali metallicièè influenzata dalla natura del legameinfluenzata dalla natura del legame

LA STRUTTURA CRISTALLINALe strutture cristalline sono disposizioni tridimensionali regolari di atominello spazio. Le strutture cristalline dei corpi solidi sono descritte facendo uso del concettodi reticolo spaziale.La classificazione dei reticoli dipende da come i poliedri di coordinazione siimpacchettano insieme per rendere minima l’energia del solido

RETICOLI DI BRAVAIS

DIREZIONI E PIANI CRISTALLOGRAFICI

MATERIALI CRISTALLINI E NON MATERIALI CRISTALLINI E NON CRISTALLINICRISTALLINI

MONOCRISTALLO: solido con atomi perfettamente ordinatisecondo ripetizione periodica. Il cristallo assume una formageometrica regolare con facce piane

MATERIALI POLICRISTALLINIMATERIALI POLICRISTALLINI

Aggregato di piccoli cristalli o grani attraverso solidificazione

Ridotti nuclei di cristallite

Crescita deicristalliti

Processo di solidificazione congrani irregolari

Mappa dei bordidi grano

ANISTROPIA CRISTALLOGRAFICAANISTROPIA CRISTALLOGRAFICA

SOLIDI NON CRISTALLINI (amorfi)SOLIDI NON CRISTALLINI (amorfi)

Biossido di siliciocristallino

Biossido di silicionon cristallino

Assenza di disposizione atomica sistematica e regolare

DIFETTI NEI SOLIDIDIFETTI NEI SOLIDI

DIFETTI PUNTIFORMI NEI SOLIDI

SOLIDO CRISTALLINO SOLIDO IONICO

MANIFESTAZIONE DEI DIFETTI: LE DISLOCAZIONI

SLIP BANDS

PIANI DI SLIP

RISCONTRO SPERIMENTALE

LINEE DI SCORRIMENTO PER DEFORMAZIONE DI UN CRISTALLO DI RAME-ALLUMINIO. a) mono-slip, b) multi-slip

PROVE A TORSIONE

Microstrutture come concentrazione dideformazione

EFFETTI MACROSCOPICI

SCORRIMENTO CONTRAZIONE TRASVERSALE

RISCONTRI SPERIMENTALI

PROVE SPERIMENTALI

DIAGRAMMI DEGLI EFFETTI MACROSCOPICI

DEFROMAZIONI

DEFORMAZIONI ESTREME

METODI PER L’AUMENTO DELLA RESISTENZA

PROPRIETAPROPRIETA’’ MECCANICHE DEI METALLIMECCANICHE DEI METALLI

RESISTENZA (TRAZIONE E COMPRESSIONE)RESISTENZA (TRAZIONE E COMPRESSIONE)DUREZZADUREZZATENACITATENACITA’’RESISTENZA A FATICARESISTENZA A FATICASCORRIEMENTO VISCOSOSCORRIEMENTO VISCOSOROTTURAROTTURA

DISPOSITIVO D MISURA

PROVINO STANDARD

PROVE DI TRAZIONE

s= F / A*

e = DL / L

DIAGRAMMI DELLA PROVA A TRAZIONE

RISULTANZE DELLA PROVA DI TRAZIONE

EVOLUZIONE DELLA PROVA

LA DUTTILITA’

VALORI CARATTERISTICI

RESILIENZA e TENACITA’Resilienza: capacità d un materiale di assorbire energia quando sottoposto a deformazione elastica per rilasciarla, poi, nella fase di scarico

= ½ se

Tenacità: capacità del materiale ad assorbire energia fino allarottura

PROVE DI RESILIENZA

Apparato universale perprove d’urto

Diagramma per varie leghe infunzione della temperatura

PROVA A FATICA

Macchina di Moore per prove di fatica a flessione

Curve tensione-n°cicli perrottura a fatica

PROVE DI SCORRIMENTO

Curva di scorrimento viscoso adalta temperatura e carico costante

Curve tensione tempo per lega Monel,prova a rottura con temperatura diversa

COMPORTAMENTO VISCOELASTICO

PROVA A TENSIONE APPLICATA PROVA A TEMPERATURA VARIABILE

STRESS RECOVERY

DUREZZAMisura della resistenza offerta dal materiale alla deformazione plastica

RAPPORTO DUREZZA RESISTENZA

MATERIALI CERAMICI

Micrografia elettronica di cristalli di caolite, lamelle esagonali inparte stratificate l’una sull’altra

CLASSIFICAZIONE DEI CERAMICI

STRUTTURE ATOMICHE DEI CERAMICI

Cella unitaria per la strutturadella salgemma NaCl

Cella unitaria per la struttura Cristallina della fluorite

CERAMICI SILICATI

Disposizione degli atomi di silicio e ossigeno nella cella unitaria diCristobalite, composto polimorfo della SiO2

PROPRIETA’ MECCANICHE

CARATTERISTICHE MECCANICHE

MECCANICA DEI CERAMICI NON CRISTALLINI *

Comportamento di un vetro fluido sotto azione tagliantescorrimento viscoso

* La deformazione non avviene per dislocazioni perché manca un strutturaatomica regolare

POROSITA’

porosità vs. modulo di elasticità

)( nPo e −=σσLegge di variazione

POROSITA’ vs RESISTENZA FLESSIONE

CERAMICHE VETROSE: CARATTERISTICHE

PROPRIETA’ DEI VETRI

Transizione vetrosa come caratteristica dello stato non cristallino

CERAMICI AVANZATI

CERAMICI AVANZATI

MATERIALI POLIMERICI

Micrografia elettronica di una struttura sferulitica in campione di gommanaturale

In natura: legno,gomma, cotone, lana, cuoio, seta

In processi fisio ebiologici:proteine, enzimi, amidi, cellulosa

In processi chimici:Plastiche, gomme, fibre

STRUTTURA DEI POLIMERI

Vista prospettica della molecola di polietilene con struttura a zig-zag della catena

Macromolecole di idrocarburi

Posizionamento degli atomi dicarbonio e influenza sulla formadella catena polimerica

FORMA DELLE MOLECOLE

Schematizzazione di una singolacatena polimerica

Legami incrociati Rete tridimensionale

Lineari Ramificate

Strutture molecolari

CRISTALLINITA’ POLIMERICA

Modello a micelle-frangiate per polimerosemicristallino con regioni cristalline e zone amorfe

Micrografia elettronica di un singolo cristallodi polietilene

CRISTALLI POLIMERICI

Cristallite laminare

Micrografia della strutturasferulitica del polietilene

Schematizzazione della struttura di unasferulite

PROPRIETA’ MECCANICHE

Curva sforzo deformazione per un polimero plastico

Curva sforzo-deformazione per un polimerofragile (A), plastico (B), elastomero ( C )

CARATTERISTICHE MECCANICHE

PROCESSI DEFORMATIVI

1- Aumento di energia potenziale del sistema2- Intervento di processi viscoelastici3- Flusso e scorrimento tra le catene

Schema della deformazione molecolare durante la strizione in polimero s.crist.

PROPRIETA’ VISCOELASTICHE DEI POLIMERI

MODELLI VISCOELASTICI

pm σσσ +=pm

pm

εεε

σσσ

+=

==

INFLUENZA TERMICA

MECCANISMI DI DEFORMAZIONE

b) Allungamento delle catene amorfe, c) rotazionedelle lamelle, a) stadio inziale

Separazione dei blocchi cristallini, orientazionedei blocchi e delle catene amorfe

DEFORMAZIONI PLASTICHE

INTERAZIONE TERMICA-MECCANICAFenomeni di cristallizzazione, fusione, transizione vetrosa

Grafico della dipendenza di un polimerodalla temperatura di fusione, e di transizioneVetrosa, dal peso molecolare

FENOMENI DI FRATTURA

Microstrappo con microcavità e ponti Microstrappo con criccafibrillari

CEDIMENTO PER MICROCAVITAZIONE (Crazing)

Cedimento si evolve su piani normali al piano di stiramento

FENOMENI DI CRAZING

Fotomicrografia di un microstrappo nell’ossido di polifenilene

ELASTOMERI

Curva sforzo-deformazione al 600% di allungamento per gomma naturalenon vulcanizzata e vulcanizzata

Vulcanizzazione: processo direalizzazione dei legami incrociatinegli elastomeri

Aggiunta di atomi di zolfoall’elastomero riscaldato

PROPRIETA’ DEGLI ELASTOMERI

POLIMERI A CRISTALLO LIQUIDO

Schema delle strutture molecolari allo stato fuso ed allo stato solido per polimerisemicristallini, amorfi e cristalli liquidi

Referenze bibliograficheReferenze bibliografiche

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