PROPIETA' DEI MATERIALI

Question 1

IN BASE A COSA SCELGO UN MATERIALE?

Answer 1

Scelgo il materiale in base all’uso che devo fare, quindi studio la struttura del materiale, perché è la struttura determina le proprietà e le proprietà determinano l’applicazione, come posso usare il materiale, altra caratteristica collegata alle precedenti 3 è la lavorazione, perché come va lavorato il materiale va a modificare la struttura.
lavorazione → struttura → proprietà → applicazioni.

Question 2

COME SCELGO UN MATERIALE (4 Step):

Answer 2

1. scelgo il materiale in base alle proprietà
2. costo (materia prima + lavorazione)
3. disponibilità del materiale
4. costi di gestione e dismissione

Question 3

ELETTRONI DI VALENZA

Answer 3

L’atomo è formato da protoni ( nucleo al centro con cariche positive) e dallo stesso numero di elettroni (cariche negative) che girano intorno al livello più esterno, gli atomi fanno dei legami coinvolgendo gli elettroni più esterni, l’ “anello” più vicino gli elettroni vicino al nucleo e non si muovono, l’ “anello” più lontano, con gli elettroni che hanno un legame con il nucleo meno forte, possono essere condivisi, quindi gli elettroni considerati sono sempre quelli dello strato più esterno

Question 4

PERCHE’ SI FA UN LEGAME TRA DUE ATOMI?

Answer 4

Per avere più stabilità e energia, si può fare un legame quando gli atomi sono vicini e risento della influenza dell’uno dell’altro, con forze che li attraggono o forze che li respingono, se invece sono lontani non funziona

Question 5

I LEGAMI CHIMICI

Answer 5

Un legame chimico avviene tra 2 atomi che si legano tra loro, quando c’è un bilancio di energia, se A+ B hanno un’energia + bassa rispetto ai due atomi slegati A B.
- legami primari (+ forti), servono per creare un materiale, coinvolge gli elettroni, ci può essere un trasferimento o una condivisione di elettroni:
* Legame metallico (metallici)
* Legame covalente (puro e polarizzato) (polimeri)
* Legame ionico (avvengono nei materiali ceramici)
- legami secondari (-forti) non può legare due atomi serve solo per stabilizzare le molecole:
* Legame a ponte di idrogeno
* Van der Waals
* Dipolo/dipolo
* Ione/dipolo

Question 6

CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI

Answer 6

CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI:
1. Metallici e leghe (costituiti da elementi metallici e piccole quantità di elementi non metallici come idrogeno e carbonio, molto usate nelle costruzioni)
2. Ceramici (terre, macinate, modellate, cotte e colorate per realizzare vasi, piatti, forni con un tipo di ceramica refrattaria, sanitari, laterizi, usato nelle costruzioni)
3. Polimeri (o plastiche, nelle costruzioni non vengono usate molto, molto usato per tubature, infissi, imballaggi)
4. Compositi prodotti negli ultimi anni, caratteristiche innovative, costituiti da due di 2 precedenti famiglie (es. polimero + ceramico), es. fibre rinforzate in carbonio o vetro, usato anche in interventi di restauro in edilizia, per rinforzare, travi/pilastri

Question 7

ISOTROPIA E ANISOTROPIA

Answer 7

ISOTROPIA: proprietà tutte uguali in tutte le direzioni (vetro)
ANISOTROPIA: proprietà diverse a seconda delle direzioni (trasversali, longitudinali) (legno)

Question 8

STUDIO DELLA STRUTTURA (3 LIVELLI)

Answer 8

• MACROSTRUTTURA: studio a occhio nudo, interezza del materiale -> proprietà medie studiate con un “provino” (materiale più piccolo possibile ma rappresentativo dell’intero elemento), a cui applico degli stimoli per vedere come reagisce.
• MICROSTRUTTURA: studio con microscopio ottico (mm) o elettrico (micrometri) -> struttura nel dettaglio, vedo se ci sono difetti, es. un materiale che sembra omogeneo può risultare eterogeno
• STRUTTURA A LIVELLO ATOMICO-MOLECOLARE: studio con spettrometro a raggi X

Question 9

STATI DI AGGREGAZIONE

Answer 9

• solido: forma e volume ben precisi, la forma è però MODIFICABILE !! perché il materiale reagisce agli stimoli applicati, ha una struttura ordinata, che si ripete → Struttura Cristallina. (es. ferro, acciaio)
• liquido: no forma, si volume, prende la forma del contenitore, ha una struttura disordinata, le unità più piccole che identifico in quella struttura sono correlate in maniera casuale, ha anche parti ordinate e ripetitive → Struttura Amorfa. (es. vetro)
• gas: no forma, no volume, prende il volume del contenitore, ha una parte ordinata tipica delle macromolecole, e poi parte disordinata → Struttura Semicristallina. (es. plastica)

Question 10

PROPRIETA’ IMPORTANTI

Answer 10

• MECCANICHE: Descrivono il comportamento dei materiali in seguito all’applicazione di un sistema di forze, uno stimolo meccanico (campo strutturale)
• FISICHE: Descrivono il comportamento di un materiale sottoposto all’azione della temperatura (termiche), campi elettrici (elettriche) e campi magnetici (magnetiche) della luce o del fuoco (impianti)
• CHIMICHE: Descrivono l’interazione del materiale con le sostanze che normalmente il materiale nel suo periodo di vita viene a contatto durante l’utilizzo e caratterizzano la capacità del materiale di conservarsi nell’ambiente in cui opera → Durabilità

Question 11

MATERIA

Answer 11

insieme/aggregato di atomi e molecole che possono essere strettamente uniti insieme/legati, o più lontani. Ha la proprietà intrinseca di avere una massa.

Question 12

Come faccio ad occhio a capire quale tipo di legame ha un materiale?

Answer 12

Quando abbiamo 2 atomi, vado a controllare l’elettronegatività degli atomi, cioè la tendenza di ogni atomo di attrarre verso di sé gli elettroni di legame (= costante che dipende da i (energia di ionizzazione) + A (attività elettronica), cioè “i” è quanto facile è strappare un elettrone, “A”, quanto facile è donare un elettrone).
- se la differenza di elettronegatività tra questi 2 atomi è 0, significa che hanno uguale tendenza ad attrarre gli elettroni di legame, perfettamente condivisi e avremo un tipo di LEGAME COVALENTE. (es. molecola di ossigeno o idrogeno, O2, H2),
- se la differenza è molto alta, A è molto elettronegativo, B no, A attrae verso di sé gli elettroni di legame, avremo un LEGAME IONICO. (es. NaCl, sale da cucina dove Cl molto elettronegativo, riesce a strappare un elettrone in più), *
- se l’elettronegatività tra A e B è un po’ diversa ma la differenza è piccola, si tratta di un LEGAME COVALENTE POLARIZZATO.

Question 13

CATIONE
ANIONE

Answer 13

Se c’è tanta differenza di elettronegatività, uno dei due atomi attira verso di sé gli elettroni di legame, nel momento in cui li strappa via, abbiamo che l’atomo è neutro dopo quando un atomo cede un elettrone esso possiede un numero di elettroni inferiore al numero di protoni, quindi acquista una carica positiva (catione). Quando un atomo acquista uno o più elettroni, gli elettroni sono in numero maggiore dei protoni e si forma uno ione carico negativamente (anione).

Question 14

ELETTRONEGATIVITA’ TAVOLA PERIODICA

Answer 14

la tendenza di ogni atomo di attrarre verso di sé gli elettroni di legame, a destra della tavola periodica, tanti elettroni nello strato esterno, aggiungendone 1-2 riescono a completare il piano → cioè avvicinarsi al gruppo dell’ultimo piano, quello dei gas nobili, che hanno nel loro strato esterno il piano completo, tutti i posti disponibili sono stati riempiti da elettroni, non posso portare via né aggiungere elettroni, non reagisce con nessuno, sono elementi molto stabili, sopra le caselle degli elementi della tavola periodica, troviamo numerini che indicano il numero atomico del materiale che corrisponde al numero di protoni, va da 1 idrogeno a 92 uranio, non c’è un elemento conosciuto sulla terra che abbia numero atomico uguale all’altro, l’elettronegatività di questi elementi aumenta da sinistra a destra e diminuisce dall’alto in basso, quindi ad esempio il fluoro più elettronegativo del cloro.

Question 15

Il NUMERO DI COORDINAZIONE

Answer 15

Su ogni materiale ionico, si va a vedere per ogni carica positiva, il numero di cariche negative che gli stanno intorno, (es. NaCl, n. di coordinazione. è 6, intorno a ogni atomo di Cl ci sono 6 atomi di Na e intorno ad atomo di Na ci sono 6 atomi di Cl, ma da cosa è dato? è dato dalla dimensione di ogni atomo, e dal rapporto dei raggi di ogni catione e di ogni anione, es. fig.1 se il positivo è molto piccolo e il negativo molto grande non ce ne stanno altri.

Question 16

Come sono caratterizzati i materiali con legame ionico?

Answer 16

1. solidi a temperatura ambiente, perchè l. ionico è un l. forte
2. elevata temperatura di fusione ed ebollizione,
3. solubili in solventi polari, es. NaCl si scioglie nell’acqua
4. scarsa conducibilità allo stato solido, (conducibilità = una certa mobilità di ioni)
5. elevata conducibilità allo stato fuso, allo stato fuso la coesione delle cariche positive e quelle negative viene meno, quindi le cariche hanno una certa mobilità
6. materiali duri
7. fragili, a cosa è dovuta la fragilità? Se ho un piccolo urto, ho anche a livello microscopico una piccola deformazione avviene uno spostamento, un movimento di cationi e ioni, che crea disordine, quindi non ho più attrazione ma una repulsione che porta al cedimento immediato del materiale, i materiali che sono caratterizzati maggiormente da legame ionico sono i ceramici

Question 17

LEGAME IONICO NON E’ DIREZIONATO

Answer 17

Nel legame ionico, la carica positiva si contorna delle cariche negative, quindi abbiamo un interazione non direzionata, ma è in tutte le dimensioni, quando vado a strappare l’elettrone, questa forza elettrostatica è esercitata in tutte le dimensioni, non c’è un’unica direzione, ma ogni catione si contorna di più anioni possibili e ogni anione si contorna di + cationi possibili

Question 18

LEGAME COVALENTE

Answer 18

il legame covalente, comporta un interesse di elettroni di valenza non si tratta però in questo caso di strappare ma condividere uno o più elettroni, che possono essere considerati ad entrambi gli atomi, A e B legati hanno energia più bassa e sono più stabili rispetto a quando sono slegati

Question 19

quanti legami covalenti si possono fare?

Answer 19

bisogna andare a considerare quanti elettroni di valenza ci sono, l’obiettivo è sempre quello di arrivare a l’ottetto completo, quindi posso farne 8 - N (N = elettroni di valenza, elettroni + esterni).

Question 20

L. COVALENTE POLARE O ETEROPOLARE
L. COVALENTE PURO O OMOPOLARE

Answer 20

abbiamo un legame covalente sempre quando abbiamo la stessa elettronegatività, PURO O OMOPOLARE, a volte ci sono anche casi dove l’elettronegatività non è uguale, uno è più elettronegativo rispetto l’altro ma non ha la forza di strappare l’elettrone, lo sposta leggermente POLARE O ETEROPOLARE.

Question 21

Come sono caratterizzati i materiali con legame covalente?

Answer 21

1. punti di ebollizione e di fusione molto alti
2. elevata durezza
3. non solubilità
4. deformabili con difficoltà
5. fragilità
6. cattivi conduttori di calore e elettricità
   legame fortemente direzionato a una direzione, sta proprio tra i due atomi dove c’è la massima densità di elettroni !!

Question 22

LEGAME METALLICO

Answer 22

Gli ioni metallici che vengono sistemati ordinatamente in una struttura molto vicini, e invece gli elettroni di valenza che stanno nella parte più esterna, siccome sono un numero molto elevato vanno a distribuirsi nella struttura, stabilizzando e bilanciando, costituendo una sorta di nube elettronica.

Question 23

CARATTERISTICHE LEGAME METALLICO

Answer 23

1. punti di ebollizione e di fusione molto alti
2. alta densità
3. non solubilità
4. duttili
5. malleabile
6. buoni conduttori di calore e elettricità
7. opacità e lucentezza

Question 24

DELOCALIZZAZIONE ELETTRONI

Answer 24

1.LA BANDA DI VALENZA in cui ci sono gli elettroni di valenza.
2.INTERVALLO PROIBITO, gli elettroni devono saltare dalla banda di valenza alla banda di conduzione, l’altezza del salto dipende dal tipo di metallo che sto considerando, qui gli elettroni non stanno mai, saltano solo
3. BANDA DI CONDUZIONE la prima banda oltre la banda di Valenza

Question 25

ISOLANTE SEMICONDUTTORE CONDUTTORE

Answer 25

l'intervallo proibito ha un'ampiezza > 1 eV l'intervallo proibito ha un'ampiezza < 1 eV se la banda di valenza è parzialmente sovrapposta a quella di conduzione

Question 26

PROPRIETA' MECCANICHE

Answer 26

le proprietà meccaniche identificano il comportamento di un materiale che viene sottoposto a uno sforzo, la proprietà si determinano da delle prove meccaniche.

Question 27

TIPI DI PROVE SFORZO-DEFORMAZIONE

Answer 27

- statiche, la sollecitazione è crescente, fino a rottura del materiale - dinamiche o prova d’urto, è un colpo secco fino a portare a rottura il materiale - di fatica o ripetute, quanti cicli di sollecitazioni servono per la rottura

Question 28

NORMALIZZAZIONE DEL PROVINO

Answer 28

Per fare in modo che sforzo e deformazione del provino siano indipendenti dalla geometria del provino, viene fatta una normalizzazione dividendo ΔL/L0 (lunghezza iniziale del provino) e la forza viene divisa per A0, sezione del provino, superficie iniziale, dove viene applicato lo sforzo, quindi ΔL/L0, è la deformazione nominale = epsilon, invece lo sforzo nominale indicato con sigma è uguale alla forza applicata su A0.

Question 29

PROVA A TRAZIONE

Answer 29

La parte esterna del provino sono più larghi, sezione centrale più ristretta, è il tratto utile. Il provino viene agganciato a 2 traverse, una fissa e una mobile, quando faccio partire la prova quella mobile tira a velocità di deformazione costante, e il provino si deforma, fino a quando si rompe. La macchina ha due parti importanti, la cella di carico e l’estensimetro, la prima , mi da istantaneamente la forza applicata secondo per secondo, contemporaneamente l’estensimetro, misura la deformazione istantanea. - Questi valori possono essere inseriti in un grafico, posso costruirmi una curva sforzo-deformazione con lo sforzo nell’asse y, nell’asse delle x la deformazione.

Question 30

COMPORTAMENTO ELASTICO

Answer 30

- Se io applico uno sforzo piccolo il materiale si deforma poco, quando tolgo la forza applicata, torna nella forma di partenza, è un comportamento elastico, nel grafico viene indicato con una retta, perché ho un comportamento proporzionale. - Il primo ad aver studiato il comportamento dei materiali è stato Hook, la legge di Hook sulla non deformabilità dei corpi, dice che per uno sforzo piccolo il materiale si deforma in maniera proporzionale secondo una costante di proporzionalità E, che si chiama modulo di elasticità o modulo Young Il modulo elastico rappresenta la difficoltà a deformare il materiale, più alto è il modulo, più il materiale è difficile da deformare es. prima diamanti, l’ultimo tipo polistirolo.

Question 31

COMPORTAMENTO PLASTICO

Answer 31

Dopo il tratto rettilineo, ho un tratto curvo prima ascendente, poi discendente, aumentando lo sforzo applicato e ad un certo punto togliendolo, un pochino il materiale recupera, ma acquisisce una deformazione permanente.

Question 32

CARICO DI SNERVAMENTO

Answer 32

carico limite che non si dovrà mai superare se non voglio una deformazione permanentemente come faccio a determinarlo? è dove finisce la retta e inizia la curva ma a volte non è facile da individuare, quindi si va a determinare la più piccola deformazione del materiale, quindi lo 0,2% di deformazione (graficamente, prendo la retta del comportamento elastico e lo sposto del 0,2%, per capire dove è).

Question 33

CARICO DI ROTTURA

Answer 33

dopo il carico di snervamento, abbiamo una curva ascendente che va in su, aumenta fino al punto di massimo della curva, tracciando una parallela che passa per il valore massimo della curva sforzo-deformazione vado a determinarmi il carico di rottura, cioè fino a quanto resiste, la x nella curva indica invece dove il materiale cede e si divide in due monconi.

Question 34

DUTTILITÀ

Answer 34

quanto un materiale si deforma prima di rompersi, per convenzione si dice che un materiale con un allungamento minore del 5% si tratta di un materiale fragile. - La duttilità può essere espressa sia come allungamento percentuale che come strizione percentuale, quanto si restringe la sezione.

Question 35

CURVA SFORZO DEFORMAZIONE NOMINALE

Answer 35

La velocità di deformazione è costante, gradualmente crescente ma fino al punto M di massimo, poi sembra che lo sforzo decresca, convenzionalmente per motivi sperimentali, le curve vengono costruite così perchè in realtà non è la curva sforzo deformazione reale ma è la curva sforzo e deformazione NOMINALE, siccome la sezione si riduce anche lo sforzo si deve ridurre perchè la sezione diventa più piccola, quindi per mantenere la velocità costante devo ridurre la forza, però se io guardo la forza reale, sulla superficie reale avrò uno sforzo gradualmente crescente, la curva reale aumenta sempre.

Question 36

Perché la plastica si allunga e perché la plastica allungata è molto resistente?

Answer 36

perchè la plastica è un materiale semicristallino, ha sia una parte ordinata, cristallina, che disordinata, amorfa, durante il tratto elastico, con un piccolo sforzo, non si deforma, aumentando lo sforzo applicato, i blocchi cristallini e la struttura amorfa si allineano lungo la direzione dello stiro e se continuo a stirare tendono a disfarsi, le lamelle iniziano a separarsi, e si allungano, mano a mano, così si realizzano le fibre polimeriche, di nylon, resistentissime nella direzione di allineamento ma sono molto meno resistenti nella direzione trasversale, questo si vede anche nella curva sforzo-deformazione.

Question 37

COMPORTAMENTO A ROTTURA

Answer 37

sono possibili 3 modi di frattura: duttile/tenace, fragile o nella maggior parte dei casi abbiamo una via intermedia.

Question 38

Perchè i materiali si rompono?

Answer 38

si rompono perchè si forma una cricca, e quando io tiro, si propaga per tutto il materiale e cede, è MOLTO importante come la cricca propaga, questo è quello che determina il tipo di rottura, rottura duttile e fragile.

Question 39

ROTTURA DUTTILE

Answer 39

si dice che la cricca è stabile, è ferma, non si propaga, resiste finchè non ho un aumento del carico, quando poi aumento il carico il materiale cede, ma prima ho un preavviso, non è improvviso, la deformazione mi avvisa, la deformazione plastica in un materiale con rottura duttile, comporta un assorbimento di energia da parte del materiale, quindi maggiore resistenza. Il cedimento avviene a 45° rispetto alla direzione di stiro dove gli sforzi di taglio sono massimi e la densità del materiale è minima. Rottura a coppa e cono, con superficie fibrosa, opaca, con marcata e visibile deformazione, con lacerazioni→ duttile alluminio,

Question 40

ROTTURA FRAGILE

Answer 40

si dice che la cricca è instabile, perché si propaga una volta innescata, senza necessità di aumentare il carico, la deformazione plastica è molto contenuta o addirittura assente e la rottura è improvvisa, avviene soprattutto nei materiali ceramici, cementi, anche alcuni metalli come ghisa, qua il cedimento è a 90° rispetto alla direzione di trazione e si ha un distacco frontale. Superficie lucente e granulare, che se riunisci i due monconi ottieni il provino come all’inizio → acciaio dolce