Chapter 1 - E-learning del Polo di Ingegneria

Report
TecMat: Chimica Applicata
all’Ambiente e Tecnologia dei
Materiali
Obiettivo del Corso...
Introdurre i concetti fondamentali di TecMat
Imparerete a conoscere:
• la struttura dei materiali
• come la struttura determina le proprietà
• come le tecnologie di processazione possano
modificare la struttura
Questo Corso vi aiuterà:
• ad usare i materiali in maniera appropriata
• realizzare nuove opportunità di progettazione
con i materiali
a
LEZIONI
Docenti: Prof. Ing. Andrea Lazzeri
: Dott.ssa Maria-Beatrice Coltelli
Orario:
Mercoledì
Venerdì
08:30 – 10:30
15:30 – 18:30
A28
A13
b
UFFICIO
Dipartimento di Ingegneria Civile ed Industriale
Sezione Ingegneria Chimica e dei Materiali
Contatti:
• stanza 307
• telefono: 050 2217807
• email: [email protected]
e
TESTI
Testi consigliato:
• Scienza e Tecnologia dei
Materiali - W.F. Smith, J. Hashemi,
4a ed., McGraw-Hill - 2012
• Il calcestruzzo. Materiali e
Tecnologia - V.A. Rossetti, 3a ed.
McGraw-Hill - 2007
Altri testi:
• dispense dei docenti
f
ESAME FINALE
L’esame finale è scritto e orale
La prova prevede esercizi e domande di teoria.
L’esame scritto non prevede consultazione di libri, appunti o altro materiale
relativo al programma del corso.
Il tempo a disposizione per la prova è di 3 ore.
Verrà valutato un punteggio parziale per risposte numericamente errate ma
supportate da un ragionamento corretto.
Il punteggio assegnato alle domande ed esercizi è riportato in fondo al testo.
Per l’ammissione all’esame orale occorre ottenere un punteggio
pari o superiore a 18, così distribuito: almeno 12 punti nella parte
numerica (esercizi) ed almeno 6 in quella teorica (quesiti a
risposta aperta e chiusa).
g
Approccio verso i materiali
l’ingegnere progettista usa tradizionali modificati ai i materiali (tradizionali,
modificati, nuovi) per progettare e creare nuovi prodotti e nuove strutture.
Ingegneri meccanici → materiali per alte temperature in grado di far lavorare
motori a più alte temperature, per innalzare il rendimento termico.
Ingegneri elettronici → materiali per dispositivi più veloci, in grado di
trasmettere o immagazzinare una maggiore quantità di dati e anche capaci
di resistere a più elevate temperature.
Ingegneri aerospaziali → miglioramento del rapporto resistenza/peso.
Ingegneri chimici → materiali più resistenti alla corrosione.
Ingegneri civili/edili → materiali con proprietà strutturali e funzionali
(materiali intelligenti), materiali più resistenti alla corrosione, con un migliore
rapporto resistenza/peso, migliore durabilità del calcestruzzo.
g
Criteri di progettazione
Scelta di un materiale
non può prescindere da tecnologia in uso,
impatto ambientale, costo ed estetica
Criteri di scelta si fondano su
proprietà dei materiali, relazioni tra struttura e proprietà.
Tecnologie e metodi di lavorazione.
g
Costo dei materiali
Costo dei materiali deve essere proporzionato al livello
tecnologico dell’applicazione
Il costo dei materiali dipende da:
Domanda offerta
Costo dell’energia
Purezza e qualità
Relazione costo/prestazione
Alligazione
Disponibilità delle risorse
Dipendenza da paesi fornitori
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
g
Figura 1.17 – Tendenze future nell’uso dei materiali
Materiali metallici
Materie plastiche
Materiali ceramici
Materiali compositi
-nuove leghe: a base di Ni per alte temperature,
leggere per aeronautica;
-nuove nuove tecnologie di produzione: pressatura tecnologie
di produzione: pressatura isostatica, monocristalli, crescita
monodirezionale, solidificazione rapida.
-riduzione del tasso di crescita dei consumi per le plastiche
comuni;
-sviluppo delle plastiche strutturali e delle leghe polimeriche
- sviluppo delle plastiche biodegradabili
-riduzione del tasso di crescita dei consumi di ceramici
tradizionali;
-forte sviluppo dei ceramici avanzati, sia per impieghi strutturali
che funzionali.
-forte tasso di crescita per i compositi a matrice polimerica
specialmente nel settore aeronautico;
- progressiva introduzione nel mercato di compositi a matrice
metallica e ceramica
CAPITOLO 1: SCIENZA E
INGEGNERIA DEI MATERIALI
I materiali sono...
Strutture ingegnerizzate...non scatole nere!
La struttura...ha molte dimensioni...
Caratteristiche strutturali
Legame atomico
Atomi vacanti/extra
Cristalli (atomi ordinati)
Particelle di fase secondaria
Tessitura cristallina
Dimensioni (m)
< 10 -10
10-10
10 -8 -10-1
10 -8 -10-4
> 10 -6
1
Struttura, Tecnologie di lavorazione, e
Proprietà
• Le proprietà dipendono dalla struttura
Es.: la durezza vs la struttura dell’acciaiol
(d)
Durezza (BHN)
6 00
5 00
4 00
(b)
(a)
4 m
3 00
2 00
30  m
(c)
30  m
30  m
100
0.01
0.1
1
10
100 1000
Cooling Rate (C/s)
• Le tecnologie di lavorazione possono modificare
la struttura
Es: la struttura vs la velocità di raffreddamento dell’acciaio
2
Il Processo di Selezione dei
Materiali
1. Definita l’Applicazione
Si determinano
le Proprietà richieste
Proprietà: meccaniche, elettriche, termiche,
magnetic, optical, deteriorative.
2. Proprietà
Si identificano i Materiali candidati
Materiali: struttura, composizione.
3. Materiali
Si identificano
le Tecnologie di lavorazione richieste
Tecnologie di lavorazione: cambiano la struttura e la forma
Es: colata, sinterizzazione, deposizione da fase vapore,
dopaggio, forgiatura, saldatura, ricottura.
3
PROPRIETA’ ELETTRICHE
• Resistività Elettrica del Rame:
• Aggiungendo atomi di “impurezze” al Cu aumenta
la resistività.
4
• Deformando il Cu aumenta la resistività.
PROPRIETA’ TERMICHE
• Piastrelle Space Shuttle:
• Conduttività Termica
--L’isolamento con fibre di Silice del Rame:
permette una bassa conduzione
--Diminuisce
termica.
aggiungendo zinco!
5
PROPRIETA’ MAGNETICHE
• Immagazzinamento Magnetico • Permeabilità magnetica
--Il mezzo di registrazione
vs. Composizione:
è magnetizzato dalla
testa di registrazione.
--Aggiungendo 3% di
Si atomico si rende il
Fe un materiale per
registrazione migliore!
6
PROPRIETA’ OTTICHE
• Trasmittanza:
--L’ossido di alluminio (allumina) può essere transparente,
traslucido, o opaco secondo la struttura del materiale.
cristallo singolo
Materiale
policristallino:
bassa porosità
Materiale
policristallino:
alta porosità
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RESISTENZA ALLA CORROSIONE E AL
DETERIORIORAMENTO
• Le sollecitazioni
meccaniche e le
acque saline...
• Il trattamento termico:
--causano fessurazioni!
rallenta la velocità di
propagazione di fessure in
acque saline!
4m
--materiale:
”lega” di Al 7150-T651
(Zn,Cu,Mg,Zr)
SOMMARIO
Gli scopi del corso:
• Usare il materiale adatto allo scopo.
• Capire le relazioni tra proprietà,
struttura, e tecnologie di lavorazione.
• Riconoscere le nuove opportunità di progettazione
offerte dalla selezione dei materiali.
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