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COSCOS’’ÈÈ LA SCIENZA DEI MATERIALI?LA SCIENZA DEI MATERIALI?ÈÈ la scienza che studia le la scienza che studia le relazionirelazioni esistenti esistenti

tra la struttura dei materiali e le loro propriettra la struttura dei materiali e le loro proprietàà

COSCOS’’ÈÈ LL’’INGEGNERIA DEI MATERIALI?INGEGNERIA DEI MATERIALI?ÈÈ la la progettazioneprogettazione della struttura di un materiale per della struttura di un materiale per

ottenere determinate proprietottenere determinate proprietàà sulla base delle sulla base delle correlazioni tra struttura e proprietcorrelazioni tra struttura e proprietàà del materiale del materiale

stessostessoCOSCOS’’ÈÈ LA TECNOLOGIA DEI MATERIALI?LA TECNOLOGIA DEI MATERIALI?ÈÈ lo studio delllo studio dell’’applicazione e dellapplicazione e dell’’impiego dei materiali con impiego dei materiali con particolare riferimento ai particolare riferimento ai processi di produzioneprocessi di produzione e e trasformazione delle materie prime in prodotto finitotrasformazione delle materie prime in prodotto finito

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SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALISCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

Scienza dei materiali

Conoscenza di base dei materiali

Tecnologia dei materiali

Conoscenza di base delle tecniche di

lavorazione dei materiali

Scienza e tecnologia dei

materiali

Conoscenza risultante di struttura, proprietà,

lavorazioni e comportamento dei

materiali per applicazioni in ingegneria

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MATERIAMATERIA

MATERIALEMATERIALE

PROPRIETPROPRIETÀÀ

APPLICAZIONEAPPLICAZIONE

SCELTA SCELTA secondo criterisecondo criteri

industrialiindustriali economicieconomicisocialisociali

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CICLO DI VITA DEI CICLO DI VITA DEI MATERIALIMATERIALI

FASI:FASI:-- prelievo e trasformazione delle risorse;prelievo e trasformazione delle risorse;-- costruzione o produzione;costruzione o produzione;-- impiego;impiego;-- dismissione.dismissione.

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LL’’analisi delle trasformazioni dei materiali va effettuato secondoanalisi delle trasformazioni dei materiali va effettuato secondo lo schema lo schema sottostante, identificando la destinazione di tutti i flussi.sottostante, identificando la destinazione di tutti i flussi.

ANALISI DEL CICLO DI VITA DEI MATERIALIANALISI DEL CICLO DI VITA DEI MATERIALI

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Il costo energetico dei materiali rimanda Il costo energetico dei materiali rimanda allall’’impatto ambientaleimpatto ambientale perchperchéé la produzione la produzione di inquinanti dispersi in aria e di rifiuti solidi di inquinanti dispersi in aria e di rifiuti solidi èè determinata in misura importante dalle determinata in misura importante dalle risorse energetiche impiegate. Le risorse energetiche vengono gerisorse energetiche impiegate. Le risorse energetiche vengono generalmente bruciate neralmente bruciate per ottenere calore da impiegare nei processi produttivi oppure per ottenere calore da impiegare nei processi produttivi oppure per ottenere energia per ottenere energia elettrica.elettrica.

Tutte le volte che si brucia del carbonio (come gas metano, petrTutte le volte che si brucia del carbonio (come gas metano, petrolio, benzina, gasolio, olio, benzina, gasolio, carbone, legna, rifiuti, ecc.) si produce anidride carbonica. carbone, legna, rifiuti, ecc.) si produce anidride carbonica.

effetto serraeffetto serraLe diverse attivitLe diverse attivitàà umane umane

(rurale, urbana, (rurale, urbana, industriale ecc.) industriale ecc.)

si accompagnano ad una si accompagnano ad una serie di alterazioni serie di alterazioni

ambientaliambientali……

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-proprietàmeccaniche,

-comportamento in ambiente

(manufatto)

(manufatto)

DURABILITDURABILITÀÀ

SMALTIMENTOSMALTIMENTO

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DURABILITDURABILITÀÀCapacitCapacitàà di un materiale di mantenere nel tempo (vita di di un materiale di mantenere nel tempo (vita di

servizio) le sua proprietservizio) le sua proprietàà (design danno estetico (design danno estetico èèveloce)veloce)

Non Non èè una grandezza fisica direttamente misurabile ma una grandezza fisica direttamente misurabile ma un insieme di proprietun insieme di proprietàà chimiche, fisiche e meccaniche chimiche, fisiche e meccaniche dei materiali costituenti il manufatto che si ripercuotono dei materiali costituenti il manufatto che si ripercuotono

nel comportamento del manufatto stesso messo in nel comportamento del manufatto stesso messo in opera, al passare del tempoopera, al passare del tempo

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LL’’invecchiamento dei materiali invecchiamento dei materiali ed il deterioramento delle loro proprieted il deterioramento delle loro proprietàà rappresentano rappresentano un un problema economicoproblema economico molto importante; si calcola ad molto importante; si calcola ad

esempio che ogni anno un quarto della produzione esempio che ogni anno un quarto della produzione delldell’’acciaio sia distrutta dalla corrosione. acciaio sia distrutta dalla corrosione.

Uno degli obiettivi della tecnologia dei materiali Uno degli obiettivi della tecnologia dei materiali èè pertanto quello di ottenere pertanto quello di ottenere prodotti prodotti

pipiùù stabili nel tempo. stabili nel tempo.

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FATTORI LEGATI ALLA SCELTA DEI MATERIALIFATTORI LEGATI ALLA SCELTA DEI MATERIALI

3. 3. Vita di servizio e durabilitVita di servizio e durabilitàà (continua)(continua)

Per garantire, in sede di progetto, il requisito di durabilitPer garantire, in sede di progetto, il requisito di durabilitàà di una di una struttura struttura èè quindi necessario:quindi necessario:

-- definire la definire la vita di serviziovita di servizio di progetto;di progetto;

-- definire definire le condizioni ambientalile condizioni ambientali in cui si troverin cui si troveràà il manufatto e le azioni il manufatto e le azioni che lche l’’ambiente eserciterambiente eserciteràà su di esso;su di esso;

-- valutare gli valutare gli effetti delleffetti dell’’ambienteambiente e prevedere le prevedere l’’evoluzione temporale del evoluzione temporale del degrado sui materiali;degrado sui materiali;

-- scegliere i materialiscegliere i materiali e progettare il manufatto in modo tale che il e progettare il manufatto in modo tale che il degrado dei materiali stessi nelldegrado dei materiali stessi nell’’arco della vita di servizio richiesta sia arco della vita di servizio richiesta sia

tale da non comprometterne la funzionalittale da non comprometterne la funzionalitàà..

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Life Life CycleCycle CostCost

• Per la definizione della soluzione progettuale più conveniente si ricorre a metodi basati sulla

somma attualizzata di tutti i costi relativi al ciclo di vita della struttura definendo i diversi

scenari in relazione all’evoluzione del degrado e al tasso di inflazione

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STABILITSTABILITÀÀ E DURABILITE DURABILITÀÀ DEI MATERIALIDEI MATERIALI

La La stabilitstabilitàà chimicochimico--fisicafisica dei materiali nei confronti dei materiali nei confronti degli ambienti aggressivi degli ambienti aggressivi èè misurata dal grado di misurata dal grado di spontaneitspontaneitàà di eventuali processi di alterazione. di eventuali processi di alterazione. I materiali svolgono la propria funzione in opera a I materiali svolgono la propria funzione in opera a contatto con sostanze diverse subendone lcontatto con sostanze diverse subendone l’’azione azione aggressiva. aggressiva. Requisito fondamentale dei materiali Requisito fondamentale dei materiali èè pertanto la pertanto la durabilitdurabilitàà,, intesa come capacitintesa come capacitàà del materiale di del materiale di mantenere nel tempo le sue proprietmantenere nel tempo le sue proprietàà..

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fattori intrinsecifattori intrinseci al manufatto, che riguardano sia le proprietal manufatto, che riguardano sia le proprietààchimicochimico--fisichefisiche--meccanichemeccaniche del materiale di cui del materiale di cui èè costituito che le costituito che le lavorazioni a cui lavorazioni a cui èè stato sottoposto (trattamenti termici, meccanici stato sottoposto (trattamenti termici, meccanici e di finitura, dimensioni, geometria delle superfici ecc.). Non e di finitura, dimensioni, geometria delle superfici ecc.). Non vanno vanno

dimenticate le dimenticate le proprietproprietàà geometrichegeometriche del manufatto (cura dei del manufatto (cura dei particolari costruttivi)!particolari costruttivi)!

PerchPerchéé resistenze e sollecitazioni dipendono da posizione forma e resistenze e sollecitazioni dipendono da posizione forma e dimensioni.dimensioni.

Inoltre, dovendo lInoltre, dovendo l’’opera interagire con lopera interagire con l’’ambiente, la sua durabilitambiente, la sua durabilitààsarsaràà influenzata da una serie di influenzata da una serie di fattori estrinsecifattori estrinseci, come la , come la

collocazione, il clima, il microclima e la composizione collocazione, il clima, il microclima e la composizione delldell’’ambiente che circonda il manufatto (INTERAZIONE ambiente che circonda il manufatto (INTERAZIONE

AMBIENTE). AMBIENTE).

LA DURABILITALA DURABILITA’’ DIPENDE DA:DIPENDE DA:

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Ambiente (continua)Ambiente (continua)

Questi fenomeni possono, nel tempo, portare ad una perdita di prQuesti fenomeni possono, nel tempo, portare ad una perdita di prestazioni del estazioni del materiale e quindi compromettere la possibilitmateriale e quindi compromettere la possibilitàà di utilizzare il manufatto in relazione di utilizzare il manufatto in relazione alle funzioni per cui alle funzioni per cui èè stato progettato (ciostato progettato (cioèè la sua la sua FUNZIONALITFUNZIONALITÀÀ) oppure possono ) oppure possono

compromettere la sua compromettere la sua INTEGRITINTEGRITÀÀ strutturale.strutturale.

Le conseguenze delle azioni ambientali sulle prestazioni dei matLe conseguenze delle azioni ambientali sulle prestazioni dei materiali sono funzione eriali sono funzione del tempo di esposizionedel tempo di esposizione..

PROVE ACCELERATEPROVE ACCELERATEche aumentano la velocitche aumentano la velocitàà di evoluzione del degrado di evoluzione del degrado

(es. aumentando la temperatura o la concentrazione dell(es. aumentando la temperatura o la concentrazione dell’’agente aggressivo)agente aggressivo)..

I parametri ricavati da tali prove hanno scarsa utilitI parametri ricavati da tali prove hanno scarsa utilitàà in termini assoluti (non possono in termini assoluti (non possono essere utilizzati direttamente per prevedere lessere utilizzati direttamente per prevedere l’’evoluzione del degrado), ma possono evoluzione del degrado), ma possono

essere impiegati per confrontare soluzioni progettuali alternatiessere impiegati per confrontare soluzioni progettuali alternative.ve.

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É 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.

MATERIALI PER LMATERIALI PER L’’INGEGNERIAINGEGNERIA

••CERAMICI CERAMICI >> 5000!5000!••POLIMERI POLIMERI >> 10000!10000!••METALLI METALLI >>2000 !2000 !

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SCIENZA ESCIENZA E TECNOLOGIATECNOLOGIA DEI MATERIALIDEI MATERIALI

STRUTTURASTRUTTURA

PROPRIETPROPRIETÁÁ

COMPORTAMENTOCOMPORTAMENTO

LAVORAZIONELAVORAZIONE IMPIEGOIMPIEGO(o servizio)(o servizio)

SCIENZA DEI MATERIALISCIENZA DEI MATERIALI

TECNOLOGIA DEI MATERIALITECNOLOGIA DEI MATERIALI

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SCIENZA ESCIENZA E TECNOLOGIATECNOLOGIA DEI MATERIALIDEI MATERIALI

STRUTTURASTRUTTURA

PROPRIETPROPRIETÁÁ

COMPORTAMENTOCOMPORTAMENTO

LAVORAZIONELAVORAZIONESERVIZIOSERVIZIO

Desiderata (biomateriali) o indesiderataDesiderata (biomateriali) o indesiderata

MeccanicheMeccaniche

FisicheFisiche

ChimicheChimicheNormativaNormativa

AMBIENTEAMBIENTE

SCIENZASCIENZA DEIDEI MATERIALIMATERIALI

Tecnologia dei materialiTecnologia dei materiali

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COSA SI INTENDE PER PROPRIETCOSA SI INTENDE PER PROPRIETÀÀ DEI MATERIALI? DEI MATERIALI?

ProprietProprietàà meccanichemeccaniche: riflettono il comportamento del : riflettono il comportamento del materiale a seguito dellmateriale a seguito dell’’applicazione di un sistema di forze applicazione di un sistema di forze (peso, vento, sfregamento).(peso, vento, sfregamento).ProprietProprietàà fisichefisiche: misurano il comportamento sotto l: misurano il comportamento sotto l’’azione azione della temperatura (fusione), delle radiazioni (luce), del fuoco,della temperatura (fusione), delle radiazioni (luce), del fuoco,di campi elettrici o magnetici.di campi elettrici o magnetici.ProprietProprietàà chimichechimiche: caratterizzano la capacit: caratterizzano la capacitàà del materiale di del materiale di conservarsi nellconservarsi nell’’ambiente in cui opera (dissoluzione, ambiente in cui opera (dissoluzione, corrosionecorrosione).).ProprietProprietàà termotermo--chimichechimiche: effetto sinergico: effetto sinergicoProprietProprietàà chimicochimico--meccanichemeccaniche: effetto sinergico (cavi : effetto sinergico (cavi acciaio).acciaio).

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PROPRIETAPROPRIETA’’ CHIMICHECHIMICHE

Il comportamento di un materialeIl comportamento di un materiale, sia durante la , sia durante la lavorazione che in servizio, lavorazione che in servizio, dipende dalla sua dipende dalla sua costituzionecostituzione, ossia dall, ossia dall’’insieme di composizione insieme di composizione chimicachimica,, struttura cristallinastruttura cristallina,, morfologia delle fasi morfologia delle fasi che lo costituiscono e loro distribuzioneche lo costituiscono e loro distribuzione. . Ogni processo chimico, sia esso deliberato o dovuto Ogni processo chimico, sia esso deliberato o dovuto allall’’azione dellazione dell’’ambiente (ossidazione), in grado di ambiente (ossidazione), in grado di modificare la costituzione del materiale, induce delle modificare la costituzione del materiale, induce delle trasformazioni. trasformazioni. Possono essere Possono essere spontaneispontanei o forzati (T, P)o forzati (T, P)

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Azioni dellAzioni dell’’ambienteambienteNelle condizioni di esercizioNelle condizioni di esercizio

Classificabili in:Classificabili in:

-- azioni chimicheazioni chimiche (ad esempio corrosione dei metalli, attacco (ad esempio corrosione dei metalli, attacco solfaticosolfatico del del calcestruzzo, attacco acido delle pietre, attacco alcalino del calcestruzzo, attacco acido delle pietre, attacco alcalino del vetrovetro……););

-- azioni fisicheazioni fisiche (erosione, variazioni di umidit(erosione, variazioni di umiditàà con variazioni dimensionali, variazioni con variazioni dimensionali, variazioni di temperatura con variazioni dimensionali o incendi )di temperatura con variazioni dimensionali o incendi )

--azioni espansiveazioni espansive (di natura fisica o chimica, possono danneggiare soprattutto i (di natura fisica o chimica, possono danneggiare soprattutto i materiali porosi e fragili, es. gelomateriali porosi e fragili, es. gelo--disgelo, cristallizzazione salina)disgelo, cristallizzazione salina)

--trasporto nei materiali porositrasporto nei materiali porosi (le sostanze aggressive, sia allo stato gassoso sia (le sostanze aggressive, sia allo stato gassoso sia allo stato liquido, possono penetrare attraverso i pori e quindiallo stato liquido, possono penetrare attraverso i pori e quindi aggredire il materiale aggredire il materiale non solamente dalla superficie, ma dal suo interno);non solamente dalla superficie, ma dal suo interno);

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TRASPORTO NEI MATERIALI POROSITRASPORTO NEI MATERIALI POROSINel caso dei materiali porosi le sostanze aggressive, allo Nel caso dei materiali porosi le sostanze aggressive, allo

stato sia gassoso sia liquido, possono penetrare attraverso i stato sia gassoso sia liquido, possono penetrare attraverso i pori e quindi aggredire il materiale pori e quindi aggredire il materiale

non solamente dalla superficie, ma dal suo interno.non solamente dalla superficie, ma dal suo interno.

I principali meccanismi con cui avviene il trasporto di massa I principali meccanismi con cui avviene il trasporto di massa sono:sono:

-- la DIFFUSIONE;la DIFFUSIONE;-- la PERMEAZIONE;la PERMEAZIONE;-- ll’’ASSORBIMENTO CAPILLARE;ASSORBIMENTO CAPILLARE;-- la MIGRAZIONE ELETTRICA (trasporto di ioni).la MIGRAZIONE ELETTRICA (trasporto di ioni).

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Gli atomi adiacenti ad una vacanza hanno tutti Gli atomi adiacenti ad una vacanza hanno tutti la stessa probabilitla stessa probabilitàà di di ““saltaresaltare”” in essa. in essa.

Tuttavia, in presenza di un Tuttavia, in presenza di un gradiente di concentrazione gradiente di concentrazione dCdC//dxdx, la , la concentrazione degli atomi di un componente (concentrazione degli atomi di un componente (BB) non ) non èè uguale a uguale a

monte ed a valle della vacanza. monte ed a valle della vacanza.

Ne risulterNe risulteràà pertanto un pertanto un flusso di questi atomi flusso di questi atomi

verso le zone di minore verso le zone di minore concentrazione.concentrazione.

concentrazione iniziale concentrazione iniziale di B pari a di B pari a CCBB

Profili di concentrazione: Profili di concentrazione: (b)(b) iniziale, iniziale,

(c)(c) dopo un certo tempo di dopo un certo tempo di diffusione. diffusione.

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Sia Sia xx la direzione del gradiente di concentrazione (la direzione del gradiente di concentrazione (dCdC//dxdx) e ) e JJ il il flusso di atomi (numero di atomi che attraversano unflusso di atomi (numero di atomi che attraversano un’’area unitaria area unitaria

normale a x nel tempo unitario), si trova sperimentalmente che:normale a x nel tempo unitario), si trova sperimentalmente che:

dove dove DD = coefficiente di diffusione, = coefficiente di diffusione, costante a temperatura costante.costante a temperatura costante.

Questa relazione, conosciuta come Questa relazione, conosciuta come legge di legge di FickFick, integrata, , integrata, consente di ottenere i valori della concentrazione in funzione consente di ottenere i valori della concentrazione in funzione delldell’’ascissa e del tempo, secondo le condizioni al contorno.ascissa e del tempo, secondo le condizioni al contorno.

dxdCDJ −=

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PERMEAZIONEPERMEAZIONELa La permeazionepermeazione èè il meccanismo con il quale un fluido, il meccanismo con il quale un fluido, gas o liquido, penetra attraverso i pori del materiale per gas o liquido, penetra attraverso i pori del materiale per

effetto di un gradiente di pressione.effetto di un gradiente di pressione.

Legge di Legge di DarcyDarcy: :

μ⋅⋅Δ⋅

=L

APkdtdq

dove:

μ = viscosità del fluido (Ns/m2)

A = sezione (m2)

K = coefficiente di permeabilità (m2)

Flusso (m3/s) =

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ASSORBIMENTO CAPILLAREASSORBIMENTO CAPILLAREUna soluzione acquosa a contatto con un materiale poroso non satUna soluzione acquosa a contatto con un materiale poroso non saturo può uro può

essere assorbita da un effetto suzione (essere assorbita da un effetto suzione (azione capillareazione capillare) che si esercita grazie ) che si esercita grazie alle interazioni del liquido con i pori del solidoalle interazioni del liquido con i pori del solido

Quando una goccia dQuando una goccia d’’acqua cade sulla superficie di un materiale idrofilo, grazie allacqua cade sulla superficie di un materiale idrofilo, grazie alle e interazioni con il materiale tende ad aumentare la superficie diinterazioni con il materiale tende ad aumentare la superficie di contatto con il materiale contatto con il materiale

stesso e quindi a formare un angolo acuto (stesso e quindi a formare un angolo acuto (θθ = angolo di contatto).= angolo di contatto).

Viceversa con materiale Viceversa con materiale idofoboidofobo..

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La pressione capillare La pressione capillare PPcc spinge lspinge l’’acqua acqua dentro i pori di raggio rdentro i pori di raggio r

i(t)=S*t0.5

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In presenza di pori di piccole dimensioni, le interazioni tra ilIn presenza di pori di piccole dimensioni, le interazioni tra il liquido e la superficie del liquido e la superficie del materiale determinano una depressione che richiama lmateriale determinano una depressione che richiama l’’acqua consentendo la risalita del acqua consentendo la risalita del

liquido attraverso il materiale.liquido attraverso il materiale.

La depressione La depressione PPcapcap (in Pa) che si genera può essere calcolata (in Pa) che si genera può essere calcolata attraverso lattraverso l’’equazione di equazione di LaplaceLaplace--WashburnWashburn::

rPcap

θσ cos2 ⋅=

dove dove σσ = tensione superficiale dell= tensione superficiale dell’’acqua (pari a 7,2acqua (pari a 7,2··1010--22 N/m a 25N/m a 25°°C),C),

θθ = angolo di contatto tra liquido e pareti del poro,= angolo di contatto tra liquido e pareti del poro,

r = raggio del poro capillare (m)r = raggio del poro capillare (m)

PPcapcap sese rr

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MIGRAZIONEMIGRAZIONE ELETTRICAELETTRICAA volte nei materiali sono presenti campi elettrici A volte nei materiali sono presenti campi elettrici

che possono determinare il trasporto delle specie ioniche che possono determinare il trasporto delle specie ioniche disciolte nella soluzione presente nei pori.disciolte nella soluzione presente nei pori.

Dipende dal contenuto dDipende dal contenuto d‘‘acquaacqua nei pori ed anche quando il materiale nei pori ed anche quando il materiale èè completamente saturo completamente saturo dd’’acqua il flusso di materia acqua il flusso di materia èè notevolmente inferiore a quello che si avrebbe in soluzione libnotevolmente inferiore a quello che si avrebbe in soluzione libera. era. Una della cause Una della cause èè ll’’interazione degli ioni con la superficie dei pori e la presenzainterazione degli ioni con la superficie dei pori e la presenza di un percorso di un percorso

tortuoso che gli ioni devono percorrere (costringendoli a volte tortuoso che gli ioni devono percorrere (costringendoli a volte a muoversi in direzione opposta a a muoversi in direzione opposta a quella imposta dal campo elettrico)quella imposta dal campo elettrico)

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Alcuni meccanismi di trasportoAlcuni meccanismi di trasporto

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