67064 - SCIENZA DEI METALLI E TECNOLOGIA DEI MATERIALI CON LABORATORIO

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2017/2018

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente sarà in grado di identificare un materiale sia dal punto di vista della tecnologia di produzione e di lavorazione che da quello del comportamento in esercizio. Attraverso lo studio della struttura, della microstruttura e delle trasformazioni di fase, le varie classi di materiali vengono analizzate in maniera unitaria in modo da confrontare continuamente le loro proprietà ed i processi che sono a fondamento della loro tecnologia. Inoltre lo studente avrà: a) competenze riguardanti le tecnologie e gli impianti di produzione e lavorazione di materiali metallici, ceramici e polimerici, b) capacità di scegliere le tecnologie produttive da adottare in funzione dell’utilizzo del componente/manufatto. A completamento lo studente avrà quindi competenze nella pianificazione di prove atte a caratterizzare la struttura e le proprietà di un materiale. In particolare, sarà in grado di: (a) scegliere quali tecniche di indagine impiegare per la caratterizzazione microstrutturale e meccanica delle diverse tipologie di materiali, tenendo conto della normativa internazionale e di (b) interpretare i risultati ottenuti alla luce delle relazioni struttura/proprietà.

Programma/Contenuti

Prerequisiti necessari richiesti

Funzioni elementari: potenze, radici, esponenziali, logaritmi, derivate. Soluzione di equazioni algebriche. Conoscenze di base del calcolo differenziale. (Attività formativa: Matematica con esercitazioni)

Conoscenza delle principali grandezze fisiche e meccaniche e delle relazioni che le legano; principali unità di misura nelle reazioni chimiche, negli scambi termici e nelle energie di legame. Unità di misura, conversioni nei sistemi internazionali e significato fisico delle principali grandezze meccaniche. Ottica geometrica. (Attività formativa: Fisica con esercitazioni)

Reazioni chimiche e loro bilanciamento. Descrizione dello stato atomico, natura del legame chimico. Principali strutture cristalline. (Attività formativa: Chimica generale).

Principi di Termodinamica e diagrammi di stato di equilibrio. (Attività formativa: Chimica Fisica).

Programma

Scienza dei Metalli

La scienza dei metalli e la tecnologia dei materiali con laboratorio: ambito disciplinare e obiettivi formativi: Definizione di materiali. Classi di materiali e classi di proprietà. Competizione e sinergia tra i materiali. Evoluzione dei materiali. Contenuto energetico ed eco-compatibilità dei materiali. Risorse, riserve e riciclo dei materiali.

Struttura e microstruttura dei materiali. Relazione tra struttura e tipo di legame chimico: solidi covalenti, ionici e metallici. Molecole e solidi molecolari. La struttura cristallina dei metalli: celle cubica a facce centrate (CFC), esagonale compatta (EC) e cubica a corpo centrato (CCC). Spazi interstiziali nelle celle cfc, ec e ccc. La struttura dei cristalli ionici: influenza della stechiometria e del rapporto tra i raggi ionici. La silice e i silicati. La struttura dei materiali polimerici: influenza della natura e della disposizione spaziale dei sostituenti. I materiali non cristallini. Vetri minerali e polimeri amorfi. I vetri metallici. Elementi di cristallografia. Sistemi cristallini e celle elementari.

Proprietà dipendenti dalla struttura e dalla forza dei legami interatomici: densità, punto di fusione e modulo elastico. Relazione tra i diversi moduli elastici. La rigidità dei solidi macromolecolari; polimeri termoplastici, termoindurenti. Comportamento elastico dei materiali compositi. Fenomeni di anelasticità. La deformazione visco-elastica.

La microstruttura dei materiali. Materiali ad uno o più componenti. Soluzioni solide sostituzionali ed interstiziali. Soluzione ideale. I diagrammi energia libera-composizione. I diagrammi di stato a due componenti: a solubilità completa, a solubilità parziale con eutettico o con peritettico. Fasi intermedie e composti intermetallici: diagrammi di stato di leghe industriali. Diagrammi di stato ceramici.

Ruolo dei difetti di punto. Vacanze e interstiziali. I meccanismi di diffusione nei solidi. Leggi di Fick della diffusione: aspetti applicativi. Percorsi di diffusione preferenziali nei solidi reali. La solidificazione. Nucleazione omogenea ed eterogenea. Morfologie di accrescimento dei nuclei: cristalli dendritici e miscugli eutettici. Microstrutture di solidificazione delle leghe: fenomeni di micro- e macro-segregazione. La ricottura di omogeneizzazione. Porosità e cavità di ritiro nei getti metallici: cause e rimedi. Solidificazione cristallina e transizione vetrosa nei silicati e nei polimeri organici.

La sinterizzazione di polveri fini: aspetti termodinamici e cinetici. La microstruttura dei prodotti ceramici tradizionali e dei materiali ceramici avanzati. Le vetroceramiche.

Comportamento meccanico: Resistenza teorica a trazione dei materiali cristallini. La deformazione plastica per slittamento interplanare. I difetti di linea: dislocazione a spigolo, a vite e mista. Piani e direzioni di scorrimento delle dislocazioni: il vettore di Burgers. I sistemi di scorrimento nei metalli. Tensione tangenziale critica e carico di snervamento. Incrudimento e massima resistenza a trazione: il carico di rottura dei metalli. Strizione ed allungamento a rottura: la duttilità. I limiti della deformazione a freddo. Riassetto e ricristallizzazione dei metalli incruditi: la ricottura di lavorazione. I meccanismi di indurimento: per soluzione solida, per precipitazione e per affinamento dei grani. Il comportamento a trazione dei polimeri termoplastici: snervamento, strizione e stiro a freddo. Resistenza a trazione e a compressione dei materiali ceramici. Il modulo di rottura a flessione. Natura statistica della resistenza a rottura dei materiali ceramici: il fattore di Weibull.

Frattura duttile e frattura fragile. La tenacità a frattura. La tenacità all'urto: transizione duttile-fragile negli acciai, nei polimeri e nei ceramici. La rottura per fatica dei materiali metallici, polimerici e ceramici. Lo scorrimento viscoso a caldo (creep). I meccanismi dello scorrimento viscoso nei metalli, ceramici e nei polimeri. La formatura per deformazione plastica a caldo.

Compositi con rinforzo a fibra lunga, corta e particellare a matrice metallica, polimerica e ceramica. Regola delle fasi.

Le proprietà fisiche dei materiali. La conduzione elettrica secondo la teoria delle bande dei solidi: conduttori, semiconduttori ed isolanti. Influenza della temperatura e della composizione sulla resistività dei metalli. Semiconduttori intrinseci ed estrinseci. I dispositivi a semiconduttori. Le proprietà dielettriche: isolatori e condensatori. Piezoelettricità ed elettrostrizione. L'interazione tra fotoni e materiali. Sistemi e materiali fotonici. Le proprietà termiche: conducibilità ed espansione termiche dei materiali. Capacità termica e calore specifico. Lo shock termico.

Degradazione, corrosione ed invecchiamento dei materiali. La corrosione umida dei metalli: basi termodinamiche e meccanismo elettrochimico. Forme di corrosione. L'ossidazione a caldo dei metalli.

Tecnologia dei Materiali

- Metalli

Lavorazioni per deformazione plastica dei metalli: fucinatura e stampaggio, estrusione e trafilatura, laminazione, lavorazione delle lamiere.

Processi di fabbricazione per fusione: tecniche di fusione in sabbia, in forma permanente, colata continua.

Tecniche di saldatura: saldatura con arco elettrico, procedimenti TIG, MIG e MAG, saldatura laser e per resistenza elettrica. Lavorazioni alle macchine utensili.

- Materiali Ceramici

Trattamenti preliminari dei materiali per industria ceramica: essiccatoi, frantumazione, laminatoi, impastatori.

Macinazione a secco: mulini a impatto, mulini pendolari, mulini a tamburo.

Macinazione a umido: mulini Alsing Vagliatura, setacciatura e classificazione: setacci a tamburo rotante, alternativi, vibrovagli, separatori a vento e separatori a ciclone, idrocicloni.

Macinazione a ciclo continuo, filtropressatura, atomizzatori.

Granulazione, Foggiatura, Estrusione.

Essiccamento: essiccatoi a camera, a tunnel, rapidi orizzontali e rapidi verticali.

Cottura: forni continui a fuoco mobile e a fuoco fisso, forni a rulli.

Movimentazioni e scelta: TGV, layout di stabilimento.

Cicloni: caratteristiche e funzionamento.

Separatori a filtro, Separatori elettrostatici, Separatori a umido Trasportatori: a rulli, a nastro, a tazze e a coclea Trasporto pneumatico.

Laboratorio

- Generalità sulla struttura dei materiali cristallini: la diffrazione di RX.

- Introduzione pratica ai diagrammi di stato: genesi e lettura delle microstrutture. Procedure di campionamento e preparazione dei campioni per l'analisi microstrutturale.

- Il diagramma di stato Fe-Fe3C e Fe-C: le strutture delle leghe ferrose all'equilibrio. Preparazione metallografica di acciai e ghise, seguita da osservazione al microscopio ottico. Tecniche di analisi di immagine e cenni di metallografia quantitativa.

- Tecniche di microscopia ad alto ingrandimento (SEM, TEM, AFM) e osservazione di microstrutture di materiali metallici e ceramici al SEM con microanalisi EDS.

- Misura delle proprietà meccaniche dei materiali: prova di flessione su materiali ceramici (misura della resistenza a flessione e della tenacità a frattura); prove di microdurezza su materiali metallici; prove di trazione su materiali metallici e polimerici.

Testi/Bibliografia

Lucidi ed appunti del corso forniti dai docenti.

William F. Smith : “SCIENZA  E  TECNOLOGIA  DEI  MATERIALI” Ed. McGraw Hill, 2004


W.D.Callister: “SCIENZA E INGEGNERIA DEI MATERIALI” EdiSES-Napoli 2003


W.Kurz, J.P.Mercier, G.Zambelli “INTRODUZIONE ALLA SCIENZA DEI MATERIALI” Hoepli Ed. 1997

M.F.Ashby, D.R.H:Jones “ENGINEERING MATERIALS” 2 Voll    Butterworth-Heinemann Ed. 1997


D.Askeland “ THE SCIENCE AND ENGINEERING OF MATERIALS” 3°Ed. Pergamon 1996


AA.Vari “MANUALE DEI MATERIALI PER L'INGEGNERIA”  Ed. McGraw Hill


M. Santocchi, F. Giusti  "Tecnologia Meccanica e studi di fabbricazione", 2000,  Casa Editrice Ambrosiana.


Dieter, G.E., Mechanical metallurgy, 1988, SI metric edition, McGraw-Hill


Edwards, L. and Endean, M., Manufacturing with materials, 1990, Butterworth

Heinemann
 Lange, K., Handbook of metal forming, 1985, R.R Donnelly & Sons Company,


Beddroes, J. Bibbly M.J., Principles of metal manufacturing processes, Arnold


G.P. Emiliani, F. Corbara, Tecnologia Ceramica, 1999, Faenza Editrice


Preparazione materie prime e formatura di p.c., 2008, S.A.L.A. Editore  Modena


Essiccazione e cottura di piastrelle ceramiche, 2008, S.A.L.A. Editore, Modena


V. Petrone, E. Fiocco. L'impianto Chimico, 2000, Siderea, Roma.


Metodi didattici

Lezioni Frontali, Lezioni ed esercitazioni in laboratorio, con svolgimento secondo l'orario ufficiale.

Modalità di verifica dell'apprendimento

La prova d’esame mira a verificare il raggiungimento dei seguenti obiettivi didattici:

- Conoscenza delle proprietà chimiche, fisiche, meccaniche e tecnologiche dei materiali metallici, ceramici, polimerici e compositi in relazione alla loro micro- e macro-struttura;

- Conoscenza e capacità di lettura dei diagrammi di stato per materiali metallici e ceramici e le trasformazioni di fase con i relativi meccanismi di solidificazione;

- Conoscenza e capacità di interpretare i meccanismi di deformazione e cedimento meccanico di leghe metalliche, materiali ceramici, polimerici e compositi, con particolare riguardo alla correlazione micro-strutturale e allo stato difettivo, micro e macro;

- Conoscenza delle principali tecniche strumentali di caratterizzazione della microstruttura e delle più significative proprietà meccaniche;

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso una prova finale da sostenere dopo il termine del corso. La prova finale si articola in parti relative ai diversi moduli che compongono il corso e potrà essere sostenuta, nella verifica orale e scritta, previa iscrizione tramite Alma esami:

- Scienza dei Metalli e Tecnologia dei Materiali: la verifica consta sia di una prova orale non strutturata (valutazione in 30/30) per una valutazione degli obiettivi conseguiti, che di una prova scritta semistrutturata (della durata di 4 ore), relativa alla parte di programma dedicata alle Tecnologie.

- Laboratorio: la valutazione, espressa in 30/30, avviene sulla base di una prova pratica (relazioni di laboratorio in forma scritta) e serve ad accertare la capacità di effettuare una scelta corretta e consapevole delle tecniche di caratterizzazione microstrutturale e meccanica.

La valutazione complessiva sarà formata dalla media ponderale ottenuta dalla valutazione di ciascuna parte, che non dovrà essere inferiore a 18/30.

Per accedere alla prova orale per la valutazione complessiva, il candidato dovrà obbligatoriamente avere superato le prove scritte di Tecnologie e Laboratorio

Nell'eventualità che il candidato non raggiunga l'obiettivo minimo in una sezione del corso, questa dovrà essere ripetuta e superata per il conseguimento della votazione complessiva.

Strumenti a supporto della didattica

Videoproiettore e PC, lavagna tradizionale, appunti e dispense. Laboratorio didattico (attrezzatura per preparazione all'analisi microstrutturale; microscopi stereoscopici ed ottici con analizzatore di immagine; microdurometro; attrezzatura per prove di trazione) e accesso a laboratori di ricerca (SEM/EDS, XRD, prove di flessione su materiali ceramici).

Il materiale didattico utile per la preparazione dell’esame (comprensivo di istruzioni, modelli e schemi per la stesura delle relazioni di laboratorio) viene messo a disposizione dello studente in formato elettronico tramite internet o distribuito a lezione. Per ottenere il materiale didattico via internet lo studente si deve collegare al sito: http://campus.unibo.it/ . Username e password sono riservati a studenti iscritti all'Università di Bologna; l’eventuale password per l’apertura dei file pdf verrà fornita dal docente.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Angelo Casagrande

Consulta il sito web di Carla Martini