FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING
Academic year2021/22
CourseMATERIALS AND NANOTECHNOLOGY
Code998II
Credits6
PeriodSemester 1
LanguageItalian
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
| FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING | ING-IND/22 | LEZIONI | 48 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
Lo studente che completa con profitto il corso sarà capace di dimostrare una solida conoscenza relativa alla Scienza ed Ingegneria dei Materiali.
Nel corso, lo studente acquisirà nozioni relative:
- alla struttura e alle proprietà meccaniche di materiali metallici, polimerici, ceramici, e compositi;
- i principali meccanismi di degradazione, tra cui frattura, fatica e corrosione;
- le principali tecniche per caratterizzare un materiale.
Knowledge
The student who successfully completes the course will be able to demonstrate a solid knowledge of the main topics related to Materials Science and Engineering.
In the course, the student will acquire knowledge on:
- the structure and mechanical properties of metallic, polymeric, ceramic, and composite materials;
- the main degradation mechanisms including fracture, fatigue, and corrosion;
- the main techniques to characterize a material.
Modalità di verifica delle conoscenze
La conoscenza degli argomenti del corso verrà esaminata con una prova orale. Durante l'esame lo studente verrà valutato in base alla capacità di connettere ed argomentare le nozioni relative al corso con spirito critico e proprietà di linguaggio.
Assessment criteria of knowledge
Knowledge will be assessed by means of an oral exam. During the exam, the student will be evaluated on his capability to connect and discuss notions among the topics covered throughout the course with critical awareness and property of language.
Capacità
Lo studente sarà in grado di analizzare, interpretare, e discutere i risultati ottenuti dalle principali prove di caratterizzazione meccanica.
Skills
The student will be able to analyze, interpret, and discuss results from the main techniques for characterizing a material.
Modalità di verifica delle capacità
Le competenze dello studente verranno valutate durante la prova orale dove verrà chiesta l'analisi di grafici o dataset provenienti da campagne sperimentali
Assessment criteria of skills
Skills will be assessed during the oral exam by asking the student to analyze specific datasets or plots from experimental tests.
Comportamenti
Lo studente avrà le basi per una prima valutazione sulla scelta dei materiali necessari per una specifica applicazione ingegneristica che si fondi sul raggiungimento di specifiche performance (es., peso, resistenza, rigidezza, resilienza).
Behaviors
The student will be able to carry out a first evaluation of the fitness of specific materials in view of customized engineering applications based on the achievement of specific performance (e.g., weight, strength, stiffness, toughness).
Modalità di verifica dei comportamenti
Durante la prova orale, verrà chiesto allo studente di effettuare delle valutazioni di massima circa l'utilizzo di materiali in vista di applicazioni caratterizzate da specifiche performance.
Assessment criteria of behaviors
During the oral exam, the student will be asked to choose, based on the knowledge acquired during the course, the material(s) for applications that require specific performance.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
Si consiglia una conoscenza approfondita delle seguenti materie:
- Analisi Matematica I e II
- Fisica Generale I
- Chimica Generale
Prerequisites
It is highly recommended that the students have successfully completed the following courses:
- Calculus
- Physics
- Chemistry
Indicazioni metodologiche
Il corso verrà erogato in lingua inglese e modalità mista (in presenza e streaming tramite piattaforma Teams) con spiegazioni che saranno principalmente fornite con l'ausilio della lavagna e, qualora necessario, con slide.
Il docente suggerisce la frequenza e partecipazione attiva alle lezioni.
Teaching methods
The course will be given in English language and blended form (face-to-face lessons and streaming on the Teams platform). The teacher will mainly use the blackboard and, if needed, slides.
The teacher suggests an active attendance of the course.
Programma (contenuti dell'insegnamento)
Prove meccaniche
- Prova di trazione. Definizione delle grandezze ingegneristiche e istantanee. Incrudimento e strizione. Modulo di Young e coefficiente di poisson. Energia immagazzinata dal provino. Criterio di Hollomon e Considère.
- Cenni alle prove meccaniche di flessione e torsione.
- Prove di Durezza: Brinnel, Vickers, Rockwell.
- Prova di impatto con pendolo Charpy. Concetto di resilienza.
La struttura cristallina e lo stato solido
- Definizione dei reticoli elementari cubici e esagonali. Monocristalli e policristalli. Indici di Miller. Punti, direzioni e piani.
- Difetti nei reticoli cristallini. Difetti puntiformi, lineari, planari e volumentici. Concetto di dislocazione e vettore di Burger. Moto e energia delle dislocazioni. Effetto di Frank-Read.
- Diffusione allo stato solido. Prima e seconda legge di Fick. Applicazioni e definizione di coefficiente di diffusione.
- Rafforzamento dello stato solido. Incrudimento: concetti base e procedure tecnologiche. Concetto di affinamento del grano.
I diagrammi di stato e le leghe ferrose
- Concetti base, fase e regola delle fasi. Regole di Hume - Rothery. Regola della leva. Trasformazioni base e trasformazione eutettica.
- Solidificazione. Prodotti di solidificazione. Processi tecnologici a confronto.
- Leghe ferrose. Diagramma Ferro-Carbonio. Acciai e ghise.
- Diagrammi di Bain (o TTT). Trasformazioni perlitiche, austenitiche, bainitiche, martensitiche. Effetto elementi di lega.
- Curve CCT e prova di Jominy. Tempra e Rinvenimento.
- Cenni di produzione degli acciai ed introduzione alle normative.
- Definizione dei principali tipi di acciaio (bonifica, molle, inossidabili, austenitici).
- Leghe di alluminio ed invecchiamento.
- Materiali per applicazioni con alta temperatura.
I polimeri
- Introduzione ai materiali polimerici e definizioni base. Peso numerale e ponderale. Polimerizzazione per addizione e condensazione.
- Materiali termoplastici, termoindurenti, elastomerici. Molla entropica. Gomme naturali.
- Comportamento viscoelastico nei materiali polimerici. Definizioni e applicazioni industriali.
I materiali ceramici
- Caratteristiche e struttura. Legame ionico-covalente. Cenni sulla fabbricazione.
- I vetri. Caratteristiche e applicazioni tecnologiche. Concetto di viscosità. Ricottura e rinforzo dei vetri.
- Cenni sui cementi, calcestruzzi. Coefficiente di omogeneizzazione.
I materiali compositi
- Definizione e cenni della meccanica dei materiali rinforzati da fibre. Esempi di applicazioni.
Materiali legnosi
- struttura e composizione
- applicazione in campo edilizio
- caratteristiche fisico-meccaniche
- problematiche dovute al ritiro e alla presenza di umidità.
La degradazione dei materiali
- Fenomeno della frattura. Cenni sulla meccanica della frattura.
- Cedimento a fatica e metodi per limitarne i danni.
- Fenomeno del creep.
- Fenomeni di corrosione. Reazioni chimiche fondamentali. Aspetti termodinamici. Introduzione alla cinetica di corrosione.
- Fenomenidi ossidazione a caldo. Sovratensioni e polarizzazione. Rimedi contro la corrosione.
Syllabus
Mechanical tests
- Tensile test. Definition of the engineering and true stress and strains. Hardening and necking phenomena. Young's Modulus and Poisson Ratio. Stored energy. Hollomon and Considère criteria.
- Introduction to the bending and torque tests.
- Hardness tests: Brinnell, Vickers, Rockwell.
- Impact test with Charpy pendulum. Toughness.
Crystalline structure and the solid state
- Definition of the cubic and hexagonal lattices. Monocristals and polycristals. Miller indices. Points, directions, and planes in lattices.
- Defects in crystalline lattices. Point, linear, planar, and volumetric defects. Dislocation and Burger vector. Motion and energy of dislocations. Frank-Read effect.
- Diffusion in the solid state. First and second Fick laws. Applications and definition of the diffusion coefficient.
- Strengthening of the solid state. Hardening: definitions and technological processes. Refinement of the grain.
State diagrams and metallic alloys
- Definitions, phase, and phase law. Hume-Rothery laws. Lever rule. Basic transformation and eutectic transformation.
- Solidification. Products of the process. Technological processes.
- Alloys. Iron-Carbon phase diagram. Steel and cast iron.
- Bain (or TTT) diagrams. Perlitic, austenitic, bainitic, and martensitic transformations. Effects on the curves when using other chemical elements.
- CCT curves and Jominy test. Hardening and tempering alloys.
- Introduction on the production of steel and legislation.
- Main classes of alloys (tempered, spring, inox, austenitic steel).
- Aluminium alloys and the ageing phenomenon.
- Materials for high-temperature applications.
Polymers
- Introduction to polymeric materials. Main definitions. Numeral and ponderal weight. Polymerization techniques (addition and condensation).
- Thermoplastic, thermosetting, and elastomeric materials. Entropic spring. Natural polymers
- Viscoelasticity in polymers. Definitions and industrial applications.
Ceramics
- Structure and properties. Ionic-covalent bond. Introduction to the fabrication approaches.
- Glasses. Characteristics and technological applications. Viscosity. Annealing and reinforcements.
- Introduction to concrete. Homogenization coefficient.
Composites
- Definitions and introduction to the mechanics of reinforced materials. Applications in engineering.
Wood
- Structure and composition.
- Applications.
- Mechanical characterization.
- Issues related to shrinking and humidity.
Degradation phenomena
- Introduction to fracture mechanics.
- Mechanical fatigue and potential countermeasures.
- Creep phenomena.
- Corrosion phenomena. Basic chemical reactions and thermodynamics. Introduction to the kinetics of corrosion.
- Oxidation at high temperatures. Overpotentials and polarizations. Countermeasures.
Bibliografia e materiale didattico
Testi di riferimento:
- W.F.Smith, Scienza e Tecnologia dei Materiali (V ed.)
- McGraw-Hill. W.D. Callister and D.G. Rethwisch, Scienza e ingegneria dei materiali (3.ed.), Edises
Tuttavia il docente suggerisce di prendere appunti durante la lezione.
Bibliography
Recommended references include:
- W.F.Smith, Scienza e Tecnologia dei Materiali (V ed.);
- McGraw-Hill. W.D. Callister and D.G. Rethwisch, Scienza e ingegneria dei materiali (3.ed.), Edises;
Indicazioni per non frequentanti
Studenti non frequentanti verranno valutati usando le stesse modalità descritte per i frequentanti.
Non-attending students info
Non-attending students will be evaluated by using the same modalities described for the attending students.
Modalità d'esame
L'esame finale consiste in una prova orale della durata variabile fra i 30 ed i 40 minuti. Durante la prova orale, lo studente dovrà essere in grado di dimostrare, con spirito critico e proprietà di linguaggio, una conoscenza almeno sufficiente degli argomenti trattati nel corso. Verranno inoltre sottoposti semplici problemi pratici dove verranno valutate le capacità di analisi ed interpretazione di dati provenienti da prove sperimentali in vista di specifiche applicazioni ingegneristiche.
L'esame non verrà considerato sufficiente se lo studente non sarà in grado di esprimersi correttamente sulle tematiche di base svolte nel corso.
Assessment methods
The final exam consists of an oral test that lasts between 30 and 40 minutes. During the exam, the student has to demonstrate, with critical awareness and property of language, sufficient knowledge of the topics discussed throughout the course. Simple practical problems will be given to the student to assess his ability to analyze and interpret data from experimental tests in view of specific engineering applications.
The exam will not be considered sufficient if the student will not demonstrate a basic knowledge of the topics of the course using the correct property of language.
Updated: 27/11/2021 13:02
