ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| SCIENZA E INGEGNERIA DEI MATERIALI | ING-IND/22 | LEZIONI | 90 |
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Obiettivi: Fornire conoscenza sugli elementi essenziali che caratterizzano le proprietà chimiche, fisiche e meccaniche dei materiali.
Esaminare i materiali principali in termini di natura chimica, struttura, proprietà e durabilità
Fornire indicazioni sul loro utilizzo in sicurezza e sulla loro sostenbilità.
Objectives: To provide the essential elements that characterize the chemical, physical, and mechanical properties of the materials. Examine the main materials in terms of structure, properties, durability and protection methods. Provide safety elements in their manipulation, and materials sustainability concepts.
Nell'esame scritto (durata 3 ore) lo studente dovrà dimostrare la sua conoscenza sugli argomenti trattati nel corso, e la capacità di applicarla per risolvere esercizi e problemi. Durante l'orale lo studente dovrà dimostrare la capacità di discutere e collegare tra loro gli argomenti trattati nel corso. Lo studente deve dimostrare consapevolezza critica verso gli argomenti affrontati ed esprimersi con termini tecnici appropriati.
Methods:
Ulteriori informazioni:
Esame finale scritto 50%, esame finale orale 50% per calcolo voto dell'esame.
In the written exam (3 hours), the student must demonstrate his/her knowledge of the course material and to apply to solve exercise and problems. - With the oral the student must demonstrate the ability to discuss and correlate the topic addressed in the course- The student must demonstrate the ability to put into practice and to execute, with critical awareness, the activities illustrated.
Methods:
Further information:
final oral exam 50% final written exam 50%
Al termine del corso lo studente avrà piena padronanza delle conoscenze basilari sui materiali:
-- avrà la capacità di correlare la struttura chimica e morfologia delle principali classi di materiali con le loro diverse proprietà fisiche e meccaniche
-- avrà la capacità di comprendere ed interpretare un diagramma di stato e progettare una miscela in base ai requisiti richiesti
-- avrà la capacità di saper selezionare il materiale adatto per una determinata applicazione e saperne prevedere prestazioni, effetti del degrado e sosteniblità ambientale.
Lo studente saprà risolvere esercizi su proprietà fisiche e meccaniche dei materiali.
At the end of the course the student will have full knowledge of the basic materials concepts:
- the student will have the ability to correlate the chemical structure and morphology of the main classes of materials with their different physical and mechanical properties
- will have the ability to understand and interpret a state diagram and to design a mixture according to defined requirements
- will have the ability to be able to select the right material for a given application and learn how to predict performance, effects of degradation and environmental sustainability.
The student will know how to solve exercises on physical and mechanical properties of materials.
Durante il corso verranno svolti degli esercizi simili a quelli che verranno proposti nella prova scritta.
During the course excercise, simlar to those propose in the fina writtn test, will be done and solved.
During the course the professor will make student participate by answering to simple questions
Attraverso la frequenza alla lezioni ed esercitazioni lo studente potrà acquisire consapevolezza sull'importanza della natura chimico-fisica dei materiali, e sulla correlazione tra la loro struttura e le loro proprietà, considernado anche gli effetti di lavorazione, modifica dei materiali e le prestazioni in diversi ambienti. Lo studente realizzerà l'importanza della conoscenza delle proprietà dei materiali per ingegneria chimica e per lo studio dei materiali stessi, e loro sviluppo ed utilizzo futuro in applicazioni industriali.
Through the attendance to lectures, the theoretical activities, if chosen the tests in itinere (2 written tests), the student will be able to acquire awareness on the importance of the chemical-physical nature of the materials, and on the correlation between their structure and their properties, also considering the effects of processing, modification of materials and performance in different environments. The student will realize the importance of knowledge of the properties of materials for chemical engineering and for the study of the materials themselves, and their development and future use in industrial applications.
Durante le lezioni, le prove in itinere o l'esame scritto finale, e durante l'orale, verrà verifica la capacità dello studente di applicare i concetti teorici apppresi nel corso per la soluzione di problemi pratici e per la selezione appropiata di materali per date applicazioni.
During the lessons, the in itinere tests or the final written exam, and during the oral exam, the student's ability to apply the theoretical concepts included in the course for the solution of practical problems and for the appropriate selection of materials for dates will be verified. applications.
Conoscenze di chimica (inorganica e organica) e fisica generale
Knowledge of general chemistry (inorganic and organic) and physic
Le lezioni sono di tipo frontale tradizionale, supportate da occasionali visite ai laboratori.
Il materiali didattico è costituito dai testi di riferimento, dalle slides delle lezioni disponibili su e-learning. L'interazione con lo studente avviene anche al di fuori della lezione mediante ricevimenti concordati con il docente per posta elettronica.
The lessons are traditional frontal type, supported by occasional visits to the laboratories.
The teaching materials consist of the reference texts, the slides of the lessons available on e-learning. The interaction with the student also takes place outside the class by means of receptions arranged with the teacher by e-mail.
La struttura dei solidi
Struttura e legami degli atomi. Legame metallico e conduzione elettronica, cristalli molecolari. cristalli ionici, cristalli metallici, cristalli covalenti, energia reticolare. Reticolo spaziale e celle elementari. Sistemi cristallini e reticoli di Bravais. Principali strutture cristalline nei metalli e nei ceramici. Posizioni, direzioni e piani nelle celle elementari cubiche. Indici di Miller. Numero di coordinazione. Piani e direzioni nelle celle elementari esagonali. Strutture cristalline CFC, EC e CCC a confronto. Densità volumetrica planare e lineare. Polimorfismo e allotropia. Monocristalli. Diffrazione ai raggi X. Legge di Bragg. Analisi della struttura cristallina.
Imperfezioni nei solidi
Difetti di punto: vacanze e difetti autointerstiziali. Impurezze nei solidi. Difetti di linea: dislocazioni. Difetti interfacciali. Difetti di massa o di volume. Tecniche microscopiche. Concetto di microstruttura: grani e bordo dei grani. Determinazione della dimensione del grano.
La diffusione nei solidi
Diffusione atomica nei solidi. Meccanismi di diffusione. Diffusione stazionaria e non. I trattamenti superficiali come esempio di applicazione industriale dei processi di diffusione: cementazione, nitrurazione, calorizzazione. Effetto della temperatura sulla diffusione dei solidi.
Proprietà meccaniche dei materiali
Concetti di sforzo e deformazione. Elasticità. Modulo di Young e altri moduli elastici. Viscoelasticità. Deformazioni plastiche dei metalli e dei polimeri. Prova di trazione e diagramma sforzo-deformazione: aspetti macroscopici e microscopici. Le prove di durezza e la prova di resilienza; Cenni di meccanica della frattura: KIC. La resistenza a fatica e la prova di fatica; il limite di fatica. Creep.
Deformazione e meccanismi di indurimento
Caratteristiche delle dislocazioni. Sistemi di scorrimento. Scorrimento nei singoli cristalli. Deformazione plastica dei materiali policristallini. Deformazione per geminazione. Indurimento per riduzione della dimensione del grano. Indurimento per formazione di una soluzione solida. Incrudimento.
Diagrammi di fase
Limite di solubilità. Fasi. Equilibri di fase. Soluzioni solide. Diagrammi di stato di sostanze pure. Regola delle fasi di Gibbs. Leghe binarie isomorfe. Leggi di Hume Rothery. Regola della leva. Solidificazione delle leghe in condizioni non di equilibrio. Leghe binarie eutettiche. Diagrammi di equilibrio con fasi o composti intermedi. Leghe binarie peritettiche. Sistemi binari monotettici. Trasformazioni invarianti. Diagrammi di stato con fasi e composti intermedi. Trasformazioni di fase congruenti. Diagrammi di stato ternari. Il diagramma di fase ferro-cementite. (Fe-Fe3C). Evoluzione della microstruttura nelle leghe ferro-carbonio. L’influenza degli altri elementi di lega.
Trasformazioni di fase. Evoluzione della microstruttura e proprietà dei materiali
Solidificazione dei metalli. Struttura dei grani nei getti industriali. Solidificazione dei monocristalli. La cinetica delle reazioni in fase solida. Trasformazioni multifasiche. Diagrammi di trasformazione isotermica. Diagrammi di trasformazione in raffreddamento continuo. Comportamento meccanico delle leghe ferro-carbonio. Martensite rinvenuta..
I trattamenti termici delle leghe metalliche
Effetto degli elementi di lega negli acciai. Le curve di trasformazione isoterma ed anisoterma dell’austenite. Descrizione e comportamento delle tipiche microstrutture ottenibili. Trattamenti termici degli acciai (Ricottura, Normalizzazione, Tempra, Ricottura di lavorabilità, Rinvenimento). Temprabilità. Influenza del mezzo temprante, della dimensione della provetta e della geometria. I trattamenti di cementazione e nitrurazione. Processi di ricottura. Ricottura intermedia. Distensione. Ricottura delle leghe ferrose. Indurimento per precipitazione. Trattamenti termici. Meccanismo dell’invecchiamento.
Leghe metalliche
Fabbricazione dei metalli. Operazioni di formatura. Fusione. Altre tecniche. Il ferro e i minerali del ferro. I principali processi siderurgici; fabbricazione della ghisa all'alto forno, trasformazione della ghisa in acciaio, processi al convertitore, al Martin-Siemens, al forno elettrico. Leghe industriali ferro-carbonio; ghise e acciai. Ghise comuni e speciali; ghise sferoidali e malleabili. Classificazione degli acciai comuni, speciali e per applicazioni particolari. Caratteristiche meccaniche, metallurgiche e tipologie di impiego degli acciai comuni (acciai al C, al C-Mn e microlegati) e degli acciai speciali (acciai da bonifica, autotempranti, per molle, da cementazione, da nitrurazione). Acciai inossidabili. Il rame e le sue leghe: Proprietà del rame; tipi di rame in commercio; i minerali del rame. Ottoni comuni e speciali. Bronzi comuni e speciali. Leghe cupro-nichel per l'elettrotecnica. Alluminio e sue leghe: Alluminio industriale. Cenni sulla metallurgia dell'alluminio. Classificazione delle principali leghe dell’alluminio. Titanio e sue leghe. Metalli refrattari. Superleghe.
Le materie plastiche
Classificazione dei materiali polimerici. I polimeri naturali e sintetici. Reazioni e metodi industriali di polimerizzazione. Struttura chimica dei materiali polimerici. Proprietà termiche e meccaniche dei materiali polimerici. Lavorazione dei materiali polimerici. Materiali termoplastici di uso generale. Polietilene, polivinilcloruro e suoi copolimeri, polipropilene, polistirene, poliacrilonitrile, stirene-acrilonitrile (SAN), ABS, polimetilmetacrilato (PMMA). Alti polimeri fluorurati. Tecnopolimeri: Poliammidi, policarbonato, polifenilenossido, acetali, poliesteri termoplastici, polisolfoni, polifenilensolfuro, polieterimmide, leghe polimeriche. Materiali polimerici termoindurenti: Resine amminiche, cellulosiche, fenoliche, poliestere, epossidiche. Elastomeri: Gomma naturale e gomme sintetiche. Gomma SBR, neoprene, elastomeri siliconici.
Materiali ceramici e vetri:
Struttura dei materiali ceramici e dei vetri: proprietà chimiche, fisiche e meccaniche, processi di fabbricazione, di rinforzo e trattamenti termici. Tipologie di ceramici in base agli impieghi: refrattari, barriere termiche, rivestimenti antiusura, ceramici piezoelettrici, protezioni balistiche, isolanti elettrici. Applicazioni dei vetri: tipologie di vetri e classificazione in base al contenuto di silice.
I materiali compositi
Classificazione dei materiali compositi. Compositi rinforzati con particelle. Materiali compositi fibrosi. Le fibre: di vetro, di carbonio, di boro; fibre polimeriche, ceramiche, metalliche; i whiskers. Le matrici: matrici organiche, metalliche, ceramiche, vetrose. Influenza della lunghezza delle fibre. Influenza dell’orientazione e della concentrazione delle fibre. Principali compositi a matrice organica, metallica e ceramica. Metodi di fabbricazione in stampo aperto e stampo chiuso. Applicazioni industriali.
Proprietà elettriche e termiche dei materiali
Introduction to the science and technology of materials. Classes of materials. Atomic and molecular bonds. Ionic solids, covalent, metallic and molecular. Properties of materials. Notes on the band structure of solids. Optical and electrical properties. Mechanical behavior of materials. Determination of mechanical properties of materials. Tensile test. Stiffness, strength, hardness, toughness. Ductile and brittle. Resilience. Crystalline and amorphous materials. Unit cells and crystal lattices. Main crystal structures of metals. Lattice defects. Solidification. Kinetics of nucleation and growth. Atomic diffusion in solids. Fick's laws. Diffusion treatments. Non-diffusive phase transformations. Principles of optical, electronic and X-ray diffraction Phase diagrams of two-component mutual solubility full, partial and no solid state. Formation of compounds. Eutectic and peritectic transformation. Strengthening of metallic materials. Sustainability of production, use and end of life.
William D. Callister, Scienza e Ingegneria dei materiali. Una introduzione. IV ed. EdiSES, Napoli
William F. Smith e Javad Hashemi, Scienza e Tecnologia dei Materiali, Va ed., Mc Graw-Hill Italia, Milano
Recommended reading includes the following works: C. Brisi. Chimica Applicata, - Levrotto e Bella - Torino. Bernardo Marchese.
Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata. Liguori Editore. William F. Smith,
Scienza e Tecnologia dei Materiali, McGraw-Hill James F. Shackelford,
Scienza e Tecnologia dei Materiali, Una Introduzione. EdiSES edizioni. M.F.Ashby, D.R.H.Jones, Engineering Materials 1, Pergamon Press 0-08-026138-8 M.F.Ashby, D.R.H.Jones, Engineering Materials 2, Pergamon Press 0-08-032532 further bibliography will be indicated.
Studiare sui testi consigliati, utilizzare le slides caricate su e learning, contattare il docente per chiarimenti. Non sussitono variazioni di programmaper i non frequentanti.
Study on the suggested books, use the slides loaded on e learning, ask for explenation to the professor.
L'esame si articola in una prova scritta (5/6 problemi) da risolvere in aula (durata 3 ore), una volta superate la prova con punteggio uguglae o superiore a 18 si accede alla prova orale, che deve essere svolta nello stesso appello, salvo comprovati impedimenti, che consiste in un colloquio tra candidato e docente su tutto il programma svolto.
La prova orale non è superata se il candidato mostra di non essere in grado di esprimersi in modo chiaro, con terminologia corretta ed appropriata, ed il candidato mostra incapacità di mettere in relazione concetti teorici con la loro applicazione pratica.
Il mancato superamento della prova orale richiede di dovere sostenere di nuovo la prova scritta. Il voto finale sarà valutato : 50% prova scritta, 50% prova orale, arrotondato per eccesso.
The exam consists of a written test (5/6 problems) to be solved in the classroom (duration 3 hours), once passed the test with a score equal to or higher than 18, the oral exam is accessed, which must be carried out in the same appeal , unless proven impediments, which consists of an interview between the candidate and the teacher on the whole program.
The oral exam is not passed if the candidate shows that he is not able to express himself clearly, with correct and appropriate terminology, and the candidate shows an inability to relate theoretical concepts with their practical application.
Failure to pass the oral exam requires that you have to take the written exam again. The final mark will be evaluated: 50% written exam, 50% oral exam, rounded up.
Written test (3 hours) with exercise and problems, oral on the topics addressed in the course.
Pagina del corso su e learning
web page of the course on e learning
Il corso è interamente svolto nel primo periodo, le slides del corso, esempi di test scritti con soluzioni degli esami precedenti sono disponibili sulla piattaforma e learning del corso, accessibili con le credenziali di ateneo.
The course is entirely held in the second period, the slides of the course, examples of written tests with solutions from previous exams are available on the platform and learning of the course, accessible with university credentials.
