SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI - Unicas

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Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica –

anno acc. 2007/08

25/09/200725/09/2007 Scienza e Tecnologia dei Materiali Scienza e Tecnologia dei Materiali –– Lez. 01Lez. 01 11

SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

� Gianfranco Dell’Agli

� Ufficio (piano –1)

� Laboratorio Materiali (piano –1)

� Tel.: 0776-2993682

� E-mail: [email protected]


•• William F. Smith, William F. Smith, Scienza e Scienza e Tecnologia dei MaterialiTecnologia dei Materiali, 2, 2aa Ed Ed McGrawMcGraw--Hill Italia (2004), 41 Hill Italia (2004), 41 €€

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COMUNICAZIONI CON IL DOCENTE

� Posta elettronica

� Ricevimento in studio, orario:

� Mercoledì 15,00 – 17,00

� Venerdì 15,00 – 17,00

� Utilizzo di una e-mail comune per tutti voi (potete crearla con yahoo.it o altri).


MATERIALE DIDATTICO

� Libro di testo: Smith (indicato prima)

� Consultazione (testi presenti in biblioteca):

� W.D. Callister, Materials Science and Engineering, Wiley

� D.R. Askeland, The Science and Engineering ofMaterials, CHapman & Hall

� Lucidi e altro materiale didattico postato sul sito web del corso all’indirizzo web:

� http://webuser.unicas.it/dweb/


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MATERIALE DIDATTICO� http://webuser.unicas.it/dweb/


ORGANIZZAZIONE DEL CORSO

� Il corso è organizzato nel modo classico:

� Lezioni di teoria (lucidi powerpoint)

� Esercitazioni in classe di tipo numerico

� Qualche esercitazione di laboratorio

� L’esame prevede esame scritto ed orale


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PERCHÉ STUDIARE I MATERIALI?

� Tutto ciò che ci circonda è fatta di qualche cosa (i materiali)

� I materiali hanno accompagnato il progresso dell’umanità: nuove scoperte hanno richiesto “nuovi” materiali e viceversa


TIPI DI MATERIALI


� Metalli e leghe metalliche� Ceramici� Polimeri� Compositi � Semiconduttori

Competizione tra i vari tipi di materiali

Dati automobile riferiti al 1997

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TIPI DI MATERIALI

MetalliMetalli CeramiciCeramici Polimeri Polimeri Duttili Duttili FragiliFragili Molto duttiliMolto duttili

ConduttoriConduttori IsolantiIsolanti Isolanti Isolanti

Scarsa resistenza Scarsa resistenza chimicachimica

Eccellente Eccellente resistenza resistenza chimicachimica

Buona resistenza Buona resistenza chimica chimica

Resistenza al Resistenza al calore variabilecalore variabile

Eccellente Eccellente resistenza al resistenza al calorecalore

Scarsa resistenza Scarsa resistenza al caloreal calore


COMPETIZIONE TRA I TIPI DI MATERIALI


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RICERCA SCIENTIFICA SUI MATERIALI


767767titolititoli

COSA CI INTERESSA SAPERE?

� Cosa determina il comportamento (le proprietà) di un materiale, nei riguardi di:

� Duttilità (lavorabilità)

� Resistenza meccanica

� Comportamento ad alte temperature

� Resistenza al degrado ambientale

� Proprietà elettriche ed elettroniche

� Proprietà ottiche

� ecc.


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DI COSA SI OCCUPA LA SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI?


Scienza dei Scienza dei materialimateriali

Tecnologia Tecnologia dei materialidei materiali

ESEMPIO: Al2O3


TrasparenteTrasparente TraslucidoTraslucido OpacoOpaco

Processi di Processi di lavorazione lavorazione

molto diversimolto diversi

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STRUTTURA E LEGAMI DEGLI ATOMI

Alla base della materia ci sono gli atomi: 92 elementi chimici naturali diversi da H a U


nucleo

protone

neutrone

elettrone

Si rimanda al corso di chimica per la Si rimanda al corso di chimica per la struttura struttura atomicaatomica

TAVOLA PERIODICA


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LEGAMI CHIMICI ATOMICI E MOLECOLARI

� Legami primari (tra gli atomi): sono molto forti

� Legami secondari (tra le molecole, dipoli permanenti e indotti): sono relativamente deboli


LEGAMI CHIMICI PRIMARI NEI SOLIDI

� Metallico (Fe, Cu, ottoni, ecc.)

� Ionico (sale, MgO, ZrO2, ecc.)

� Covalente (vetro, C, Si3N4, ecc.)


Rame MgO

Diamante

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LEGAMI PRIMARI

� Forze di attrazione e di repulsione tra due atomi isolati e adiacenti

� FA dipende dal particolare tipo di legame chimico presente

� r0 è la distanza di equilibrio

� E0 è l’energia di legame

� Situazione similare anche se più complessa è presente nei solidi (molti atomi e molto vicini tra loro)


LEGAMI PRIMARI� Semplici deduzioni ricavabili da

questo grafico :

� E0 influenza la Tfusione

� Pendenza di F vs r a r = r0

determina il modulo di Young E

� La dilatazione termica dipende dalla forma di E vs r


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LEGAME METALLICO E SOLIDI METALLICI

� Atomi (di elementi metallici) disposti in maniera regolare e compatta nello spazio.

� Gli elettroni di valenza sono ceduti dagli atomi a formare la “nuvola” degli elettroni di valenza (“colla” che tiene insieme gli atomi)



� Proprietà prevedibili dei metalli:� Elevata conducibilità elettrica (e termica): presenza di elettroni

“liberi”

� Elevata deformabilità: gli atomi possono scorrere mutuamente senza distruggere il legame metallico

� Punti di fusione dei metalli (energia di legame):� Basse con configurazione s1

� Aumenta con configurazione s2

� Elettroni 3d (4d e 5d) aumento ancora più marcato: presenza di ibridizzazione dsp (attività covalente-metallica)


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Z=19Z=19

Z=32Z=32

LEGAME IONICO E SOLIDI IONICI

120

21 ;4

))((+−=−=

+=

nrepattr

attrrep

a

nbF

a

eZeZF

FFF

πε


� Formazione di una coppia di ioni di segno opposto: possibile tra atomi elettronegativi (non metalli) ed atomi elettropositivi (metalli)

n=7n=7÷÷99

.)(04 12

0

221 eq

a

nb

a

eZZF

nLL=−−= +πε

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� Situazione reale più complessa: Ogni ione Cl– è circondato da 6 ioni Na+ e viceversa

� Attrazione elettrostatica tra cariche di segno opposto rende stabile il solido ionico: non direzionale

� La distribuzione spaziale degli ioni può essere estremamente diversificata: dimensioni relative, cariche degli ioni.


Catione

Anione


� Alcune caratteristiche dei solidi ionici:� Isolanti elettrici

� Scarsa o nulla deformazione plastica

� Alti punti di fusione


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LEGAME COVALENTE E SOLIDI COVALENTI

� Si forma tra atomi elettronegativi (non metalli)

� Formazione della molecola di CH4


LEGAME COVALENTE E SOLIDI COVALENTI

� Formazione di solidi covalenti e direzionalità del legame

� Legame molto forte: diamante (Tf > 3500 °C); a volte è anche debole bismuto (Tf = 270 °C)

� Solidi covalenti sono duri e fragili� Spesso degradano ad elevata temperatura

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