ECTS - University of Pisa
Scheda programma d'esame
MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY
GIUSEPPE CARMINE DOMENICO SAVIO GALLONE
Academic year2020/21
CourseBIOMEDICAL ENGINEERING
Code008II
Credits6
PeriodSemester 2
LanguageItalian

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALIING-IND/22LEZIONI60
GIUSEPPE CARMINE DOMENICO SAVIO GALLONE unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Alla fine del corso lo studente avrà acquisito:

  • solide conoscenze sui materiali in merito a struttura, proprietà e tecnologie industriali di produzione e lavorazione;
  • consapevolezza delle caratteristiche specifiche delle principali classi di materiali (metalli, ceramici, polimeri, compositi);
  • una conoscenza di base dei possibili meccanismi di degradazione dei materiali, particolarmente per i casi di corrosione, ossidazione, fatica meccanica, rottura dielettrica;
  • conoscenza delle principali tecniche di caratterizzazione delle proprietà meccaniche ed elettriche dei materiali.
Knowledge

The student who successfully completes the course:

  • will be able to demonstrate a solid knowledge of materials structure, properties and industrial processing technologies;
  • will be aware of the specific characteristics of the main classes of materials (metals, ceramics, polymers, composites)
  • will acquire basic knowledge of possible mechanisms of degradation of materials, particularly for the cases of corrosion, oxidation, mechanical fatigue and electrical breakdown;
  • will acquire the knowledge of the principal characterization techniques of both mechanical and electrical properties.
Modalità di verifica delle conoscenze

Le conoscenze acquisite saranno valutate per mezzo di:

  • Esame finale scritto
  • Esame finale orale

entrambe le prove sono volte a verificare il livello di profitto conseguito dallo studente nell'acquisizione di conoscenze, capacità, comportamenti.

Riguardo, in particolare, alla verifica delle conoscenze:

- Nella prova scritta lo studente dovrà dimostrare la sua conoscenza dei contenuti del corso, organizzando in maniera efficace e con linguaggio appropriato risposte sintetiche a domande/esercizi/problemi a risposta aperta e/o selezionando le soluzioni giuste a quesiti con risposte multiple proposte.

- Nella prova orale lo studente sarà valutato sulla base della sua capacità di discutere gli argomenti del corso con consapevolezza critica e con proprietà di espressione.
Assessment criteria of knowledge

The acquired knowledge will be assessed by means of:

  • Final written test
  • Final oral examination

both the final exams are aimed at assessing the advancement level reached by the student in terms of knowledge, skills, behaviours.

Concerning, in particular, the assessment of knowledge:

- In the written test the student must demonstrate his/her knowledge of the course material, by organising effective and correctly written synthetic replies to open questions/exercises/problems and/or by selecting the appropriate solutions to multiple choices quizzes.

- In the oral exam the student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the  course contents with critical awareness and with property of expression.
Capacità

Alla fine del corso lo studente sarà in grado di analizzare ed interpretare i risultati sperimentali provenienti dalle principali tecniche di caratterizzazione delle proprietà meccaniche (ad es. prove di trazione, prove di durezza, prove di tenacità a frattura, etc.) ed elettriche (es. spettroscopia dielettrica).
Skills

The student who successfully completes the course will be able to analyze and interpret the results from the principal characterization techniques of mechanical (for example tensile tests, hardness tests, fracture toughness tests) and electrical (for ex. dielectric spectroscopy) materials properties.
Modalità di verifica delle capacità

Le capacità acquisite saranno valutate per mezzo di:

  • Esame finale scritto
  • Esame finale orale

entrambe le prove sono volte a verificare il livello di profitto conseguito dallo studente nell'acquisizione di conoscenze, capacità, comportamenti.

Riguardo, in particolare, alla verifica delle capacità, sia nella prova scritta che in quella orale lo studente dovrà dimostrare la sua capacità di tradurre nella pratica le conoscenze acquisite attraverso la risoluzione dei problemi/esercizi proposti.
Assessment criteria of skills

The acquired skills will be assessed by means of:

  • Final written test
  • Final oral examination

both the final exams are aimed at assessing the advancement level reached by the student in terms of knowledge, skills, behaviors.

Concerning, in particular, the assessment of skills, in both the written and the oral test the student must demonstrate his/her ability to put his/her knowledge into practice by solving the proposed problems/exercises.
Comportamenti

Alla fine del corso lo studente avrà acquisito sensibilità nei confronti dell'importanza di una corretta selezione dei materiali per un'adeguata progettazione. Inoltre, egli/ella sarà in grado di analizzare e correlare gli aspetti relativi a struttura, proprietà, meccanismi di degrado e tecnologie di processing dei materiali allo scopo di effettuare le scelte opportune nell'ambito di una progettazione o di scenari tecnologici di altro tipo.
Behaviors

The student who successfully completes the course will acquire perception of the importance of a correct materials selection within a design task. Moreover, he/she will be able to analyze and correlate all the aspects concerning structure, properties, degradation mechanisms and processing techniques of materials in order to make the proper choices within either a design task or other possible technological scenarios.
Modalità di verifica dei comportamenti

L'acquisizione di comportamenti corretti sarà valutata per mezzo di:

  • Esame finale scritto
  • Esame finale orale

entrambe le prove sono volte a verificare il livello di profitto conseguito dallo studente nell'acquisizione di conoscenze, capacità, comportamenti.

Riguardo, in particolare, alla verifica dei comportamenti, sia nella prova scritta che in quella orale lo studente potrà esser chiamato ad operare delle scelte e a motivare le stesse nel quadro di un possibile scenario tecnologico in cui sia determinante una selezione appropriata dei materiali.
Assessment criteria of behaviors

The acquired behaviors will be assessed by means of:

  • Final written test
  • Final oral examination

both the final exams are aimed at assessing the advancement level reached by the student in terms of knowledge, skills, behaviors.

Concerning, in particular, the assessment of behaviors, in both the written and the oral test the student can be required to both make the choices and justify them in the frame of a possible technological scenario where a proper materials selection would be critical.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)

Per una proficua frequentazione delle lezioni e per lo studio della materia è da ritenersi fondamentale l'aver acquisito una solida conoscenza dei contenuti degli insegnamenti di:

- Algebra lineare e analisi matematica
- Fisica generale I e II
- Chimica

dei primi anni del corso di studio.
Prerequisites

For a fruitful attendance to the lessons and for the study of the arguments of the course, it is fundamental that the student possess a solid knowledge of the contents of the following courses:

- Algebra lineare e analisi matematica
- Fisica generale I e II
- Chimica

from the first years of the degree curriculum.
Indicazioni metodologiche
  • L'insegnamento del corso viene impartito tramite lezioni ed esercitazioni frontali con l'ausilio di presentazioni al computer e filmati, l'uso della lavagna a gesso e la dimostrazione in classe per mezzo di modelli reali.
  • Viene fornita la possibilità di scaricare dal web le slide delle presentazioni, gli appunti predisposti dal docente su alcuni argomenti, i testi dei compiti d'esame somministrati in passato negli esami scritti.
  • Il docente consiglia un'interazione basata sui ricevimenti sia nel periodo delle lezioni che durante la preparazione dell'esame
  • Non vengono somministrate prove intermedie
  • Il corso si svolge in lingua italiana anche se il docente introduce di volta in volta la terminologia inglese adottata in casi specifici
Teaching methods
  • Teaching is delivered by face to face lectures and exercises, with the aid of computer presentations and videos, the use of a blackboard and demonstrations by means of real models.
  • It is possible to download from the web the presentations slides, notes by the teacher on specific arguments, the copies of past written final tests.
  • The teacher suggests an interaction based on face to face discussions during his office hours, both in the period of lectures and while preparing for exams. 
  • No intermediate tests are foreseen.
  • The course is delivered in Italian language.
Programma (contenuti dell'insegnamento)

La struttura della materia allo stato solido.

  • Struttura atomica della materia. Modelli per l'atomo; livelli energetici; configurazione elettronica e numeri quantici; legami chimici; origine del comportamento elastico dei materiali. (Lezioni 2 h; esercitazioni 2 h)
  • Struttura, geometria e processi nei cristalli. Reticoli cristallini; celle elementari; strutture cristalline principali (cubiche ed esagonali); polimorfismo; metodi di analisi della struttura. Cristallizzazione omogenea ed eterogenea; microstruttura (monocristalli, policristalli, soluzioni solide); difetti reticolari di punto, di linea, di superficie. Energia di attivazione, velocità di processo, legge di Arrhenius; meccanismi sostituzionale ed interstiziale; condizioni stazionarie e non. (Lezioni 3 h; esercitazioni 2 h)
  • Diagrammi di stato. Sostanze pure e composti; leghe binarie isomorfe; leghe binarie eutettiche; trasformazioni invarianti; fasi e composti intermedi; aspetti quantitativi dei diagrammi di stato; condizioni di non equilibrio. (Lezioni 4 h; esercitazioni 2 h)


Comportamento meccanico dei materiali.

  • Introduzione alla meccanica dei sistemi continui. Solidi omogenei e loro caratteristiche di deformazione e sollecitazione; pressione, sforzi normali e tangenziali (tensore degli sforzi); equazioni costitutive per i solidi in campo elastico (legge di Hooke) e per i fluidi newtoniani; proprietà meccaniche di fluidi e solidi (viscosità, elasticità, plasticità e viscoelasticità). (Lezioni 4 h; esercitazioni 1 h)
  • Proprietà meccaniche dei materiali cristallini. Meccanismi di deformazione plastica e rottura nei solidi monocristallini e policristallini; rafforzamento per incrudimento e per soluzione solida; trattamenti di ricottura, ricupero e ricristallizzazione; lavorazioni industriali dei metalli. (Lezioni 2 h; esercitazioni 1 h)
  • Prove di caratterizzazione meccanica. Prova di trazione e diagramma sforzo-deformazione; prove di durezza; prova di resilienza; misura della tenacità a frattura; rottura per fatica e prove di fatica; prove di creep e creep-rottura. (Lezioni 4 h; esercitazioni 3 h)


Le classi principali di materiali.

  • Materiali metallici. Acciai semplici e speciali; acciai inossidabili; alluminio e sue leghe; titanio e sue leghe; leghe a memoria di forma e superelasticità. (Lezioni 4 h; esercitazioni 3 h)
  • Materiali polimerici. Natura e proprietà dei solidi polimerici; polimeri termoplastici e termoindurenti; elastomeri. (Lezioni 4 h; esercitazioni 3 h)
  • Materiali ceramici tradizionali, avanzati e vetrosi. Strutture cristalline tipiche; la sinterizzazione; proprietà meccaniche, termiche ed elettriche; i vetri. (Lezioni 4 h; esercitazioni 2 h)
  • Materiali compositi. Polimeri fibro-rinforzati; compositi a matrice metallica e ceramica. (Lezioni 1 h; esercitazioni 1 h)


Principali meccanismi di degradazione dei materiali.

  • Corrosione, ossidazione e protezione dei materiali. Corrosione dei metalli; celle galvaniche; cinetica della corrosione; meccanismi di corrosione ed ossidazione; metodi di protezione. (Lezioni 2 h; esercitazioni 2 h)


Proprietà elettriche.

  • Proprietà elettriche e dielettriche dei materiali. Modelli per la conduzione elettrica; conduttori, semiconduttori ed isolanti; polarizzazione elettrica e dielettrici. Proprietà elettriche dei compositi. (Lezioni 2 h; esercitazioni 2 h)
Syllabus

The structure of matter at the solid state.

  • The atomic structure of matter. Models for atoms; energy levels; electronic configuration and quantic numbers; chemical bonds; origin of the elastic behaviour.  (Lessons 2 h; exercises 2 h)
  • Structure, geometry and processes in crystals. Crystal lattices; primitive unit cells; main crystal structures (cubic and hexagonal); polymorphism; crystals analysis techniques. Homogeneous and heterogeneous crystallization; microstructure; defects in crystals and main investigation techniques. Diffusion processes in Crystals. Amorphous solids. (Lessons 3 h; exercises 2 h)
  • Equilibrium phase diagrams of pure substances, compounds and alloys; invariant transformations; intermediate phases or compounds; quantitative analysis of phase diagrams; non-equilibrium conditions. (Lessons 4 h; exercises 2 h)


Mechanical behaviour of materials

  • Introduction to continuum mechanics. Deformation and load in homegeneous solids; pressure, normal and shear stress; constitutive relationships for elastic solids and newtonian fluids; plasticity and viscoelasticity. (Lessons 4 h; exercises 1 h)
  • Mechanisms of plastic deformation and fracture in mono- and poly- crystals. Strenghtening by solid solution. Strain hardening. Recovery, recrystallization and grain growth. Industrial processing and fabrication of metals. (Lessons 2 h; exercises 1 h)
  • Mechanical characterization techniques. Tension test and stress-strain diagram; hardness tests; impact tests; fracture thoughness measurements; fatigue failure and fatigue resistance; creep and creep-rupture tests. (Lessons 4 h; exercises 3 h)


Main materials classes.

  • Metallic materials: simple, special and stainless steels, aluminum alloys, titanium alloys, shape memory and superelastic alloys. (Lessons 4 h; exercises 3 h)
  • Polymeric materials: structure, behaviour and properties of thermoplastics, thermosets, rubbers. Industrial processing of polymers.  (Lessons 4 h; exercises 3 h)
  • Ceramic materials: structure, behaviour and properties of traditional silicates, advanced compounds, silica glasses. Industrial processing of ceramics.  (Lessons 4 h; exercises 2 h)
  • Composite materials. Fiber reinforced polymers; metal and ceramic matrix composites. (Lessons 1 h; exercises 1 h)


Main degradation mechanisms.

  • Electrochemical corrosion and oxidation of metals: mechanisms, rates, forms, environments. Methods for preventing corrosion and oxidation. (Lessons 2 h; exercises 2 h)


Electrical properties of materials.

  • Electrical and dielectric properties of materials. Models for electric transport in materials; conductors, semiconductors and insulators; electric polarization in dielectrics. Characterization techniques. Electrical properties of composites. (Lessons 2 h; exercises 2 h)
Bibliografia e materiale didattico

Le letture raccomandate includono i seguenti testi:

  • W.F.Smith, Scienza e Tecnologia dei Materiali (IV ediz.);
  • McGraw-Hill. W.D. Callister and D.G. Rethwisch, Scienza e ingegneria dei materiali (3.ed.), Edises;
  • Y. C. Fung, A First Course in Continuum Mechanics, Prentice-Hall, Inc. (Cap. 1, 3, 5, 7, 8, 9);
  • Appunti forniti dal docente in merito a specifici argomenti del corso.

Ulteriori letture potranno essere proposte durante il corso.
Bibliography

Recommended readings include the following works:

  • W.F.Smith, Scienza e Tecnologia dei Materiali (IV ediz.);
  • McGraw-Hill. W.D. Callister and D.G. Rethwisch, Scienza e ingegneria dei materiali (3.ed.), Edises;
  • Y. C. Fung, A First Course in Continuum Mechanics, Prentice-Hall, Inc. (Cap. 1, 3, 5, 7, 8, 9);
  • Notes provided from the lecturer concerning specific arguments of the course.

Further readings can be proposed during the course.
Modalità d'esame

L'esame finale è composto da una prova scritta ed una prova orale. Lo studente può accedere alla prova orale solo dopo che abbia superato la prova scritta.

La prova scritta si svolge di norma in un'aula ordinaria ed ha una durata di 2,5 ore durante le quali:
- non è consentito abbandonare l'aula, se non per ritiro definitivo dalla prova
- non è consentita la consultazione di libri/quaderni/appunti o altro materiale.
Nella prova scritta lo studente dovrà dimostrare:

  • la sua conoscenza dei contenuti del corso, organizzando in maniera efficace e con linguaggio appropriato risposte sintetiche a domande/esercizi/problemi a risposta aperta e/o selezionando le soluzioni giuste a quesiti con risposte multiple,
  • la sua capacità di tradurre tale conoscenza nella pratica, attraverso la risoluzione dei quesiti proposti,
  • la sua abilità di operare delle scelte e motivare le stesse nel quadro di un possibile scenario tecnologico in cui sia determinante una selezione appropriata dei materiali.

Nell'elaborato che costituisce la prova scritta vengono proposti 4 o 5 quesiti inerenti specifici argomenti del corso o possibili scenari tecnologici, ciascuno dei quali può assumere la forma di:
    - un insieme di domande a risposta aperta e/o esercizi e/o problemi da risolvere;
    - un insieme di quiz a risposta chiusa per i quali il candidato deve indicare le soluzioni corrette.
Per ciascuna domanda/esercizio/problema è indicato il punteggio massimo conseguibile.
La prova scritta è superata se lo studente consegue una votazione almeno pari a 18/30 e una volta superata rimane valida fino ad un'eventuale consegna di un altro elaborato in un appello scritto successivo.

La prova orale consiste in un colloquio tra il candidato e i docenti membri della commissione d'esame che ha una durata media variabile tra i 25 e i 35 minuti. Durante la prova orale potrà essere richiesto al candidato di risolvere anche problemi/esercizi scritti davanti alla commissione. Nella prova orale lo studente sarà valutato in base alla sua capacità di discutere gli argomenti del corso con consapevolezza critica e con proprietà di espressione prendendo spunto da problemi/esercizi/domande a risposta aperta o chiusa proposte dagli esaminatori. La prova orale non è superata se il candidato mostra di non essere in grado di esprimersi in modo chiaro e di usare la terminologia corretta e/o se il candidato non risponde correttamente almeno alle domande riguardanti le parti piú basilari del corso.
Assessment methods

The final exam is composed of a final written test and a final oral examination. The student can access the oral test only after having passed the written test.

The written test usually occurs in a regular classroom and has a duration of 2,5 hours; during such period:
- the student is not allowed to exit from the classroom, apart from the case of his/her definitive retirement from the exam;
- the student is not allowed to consult books/notebooks/printed-or-written notes or anything else.
In the written test the student must demonstrate:

  • his/her knowledge of the course arguments, by organising effective and correctly written synthetic replies to open questions/exercises/problems and/or by selecting the appropriate solutions to multiple choices questions,
  • his/her ability to put his/her knowledge into practice by solving the proposed problems/exercises,
  • his/her behavior when required to both make the choices and justify them in the frame of a possible technological scenario where a proper materials selection would be critical.

The written test usually contains 4 or 5 main examination themes, each of which concerns a specific argument of the course or a possible technological scenario and can be composed of:
    - a set of questions and/or exercises and/or problems with open responses that are to be solved by the candidate;
    - a set of multiple choices quizzes that are to be properly answered by the candidate.
For each proposed question/exercise/problem the maximum attainable score is declared.
The written test is passed if the student attains a minimum overall score of 18/30. Once passed, the written test mark holds until any other possible written test delivered by the student successively.

The oral exam has a duration averaging between 25 and 35 minutes. During the oral exam the student can be also required to solve open questions/exercises/problems. The student will be assessed on his/her demonstrated ability to discuss the course contents with critical awareness and with property of expression by starting from problems/exercises/questions proposed by the exam commission. The oral test is not passed if the candidate demonstrates to not be able to express him/her-self in a clean and proper language and if the candidate does not correctly answer at least to those questions concerning the very basic parts of the course.
Updated: 09/09/2020 10:03