Upload
vucong
View
219
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
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: [email protected]@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
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
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
SOLIDI NON CRISTALLINI (amorfi)SOLIDI NON CRISTALLINI (amorfi)
Biossido di siliciocristallino
Biossido di silicionon cristallino
Assenza di disposizione atomica sistematica e regolare
RISCONTRO SPERIMENTALE
LINEE DI SCORRIMENTO PER DEFORMAZIONE DI UN CRISTALLO DI RAME-ALLUMINIO. a) mono-slip, b) multi-slip
PROPRIETAPROPRIETA’’ MECCANICHE DEI METALLIMECCANICHE DEI METALLI
RESISTENZA (TRAZIONE E COMPRESSIONE)RESISTENZA (TRAZIONE E COMPRESSIONE)DUREZZADUREZZATENACITATENACITA’’RESISTENZA A FATICARESISTENZA A FATICASCORRIEMENTO VISCOSOSCORRIEMENTO VISCOSOROTTURAROTTURA
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
MATERIALI CERAMICI
Micrografia elettronica di cristalli di caolite, lamelle esagonali inparte stratificate l’una sull’altra
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
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
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 )
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.
MECCANISMI DI DEFORMAZIONE
b) Allungamento delle catene amorfe, c) rotazionedelle lamelle, a) stadio inziale
Separazione dei blocchi cristallini, orientazionedei blocchi e delle catene amorfe
INTERAZIONE TERMICA-MECCANICAFenomeni di cristallizzazione, fusione, transizione vetrosa
Grafico della dipendenza di un polimerodalla temperatura di fusione, e di transizioneVetrosa, dal peso molecolare
CEDIMENTO PER MICROCAVITAZIONE (Crazing)
Cedimento si evolve su piani normali al piano di stiramento
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
POLIMERI A CRISTALLO LIQUIDO
Schema delle strutture molecolari allo stato fuso ed allo stato solido per polimerisemicristallini, amorfi e cristalli liquidi
Referenze bibliograficheReferenze bibliografiche
W.CallisterW.Callister, , MaterialsMaterials ScienceScience and and EngineeringEngineering, 5th ed. , 5th ed. WileyWiley, 2000, 2000M.A.WhiteM.A.White, , PropertiesProperties of of MaterialsMaterials, Oxford Press, 1999, Oxford Press, 1999D.K.FelbackD.K.Felback, , A.G.AtkinsA.G.Atkins, , StrengthStrength and and FractureFracture of of EngineeringEngineering SolidsSolids2^ed., 2^ed., PrenticePrentice Hall, 1996Hall, 1996N.E.DowlingN.E.Dowling, , MechanicalMechanical BehaviourBehaviour of of MaterialsMaterials, 2^ed. , 2^ed. PrenticePrentice Hall 1998Hall 1998E.J.E.J. HearnHearn, , MechanicsMechanics of of MaterialsMaterials, voll, voll.1&2.1&2, 3rd ed., , 3rd ed., B.HB.H., 1997., 1997D.RoylanceD.Roylance, , MechanicsMechanics of of MaterialsMaterials, , J.WileyJ.Wiley & & SonsSons., 1996., 1996C.W.LungC.W.Lung, N.H. , N.H. MarchMarch, , MechanicalMechanical PropertiesProperties of of MetalsMetals, , W.SW.S.,1999.,1999J.LemaitreJ.Lemaitre, , J.L.J.L. ChabocheChaboche, , MechanicsMechanics of of SolidsSolids MaterialsMaterials, Cambridge, CambridgePress, 1994Press, 1994W.GrellmannW.Grellmann, , S.SeidlerS.Seidler, , DeformationDeformation and and FractureFracture BehaviourBehaviour of of PolymersPolymers, , SpringerSpringer--VerlagVerlag, 2001, 2001M.AshbyM.Ashby, , D.JonesD.Jones, , EngineeringEngineering MaterialsMaterials, 3 , 3 vollvoll., ., B.HB.H., 1995., 1995W.HaydenW.Hayden, , W.G.MoffattW.G.Moffatt, J. , J. WulfWulf, , The The StructureStructure and and PropertiesProperties of of MaterialsMaterials, , 4 4 vollvoll., J. ., J. WileyWiley & & SonsSons., 1965., 1965AA.VV. AA.VV. Scienza e Tecnologia dei Materiali Polimerici,Scienza e Tecnologia dei Materiali Polimerici, EdiSESEdiSES, 2001, 2001L.L. VerganiVergani, , Meccanica dei MaterialiMeccanica dei Materiali, , McGrawMcGraw--HillHill, 2001, 2001AA.VVAA.VV., ., Comportamento Meccanico dei MaterialiComportamento Meccanico dei Materiali, , McGrawMcGraw--HillHill, 2005, 2005