ECTS - University of Pisa
Scheda programma d'esame
FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING
MARIO MILAZZO
Academic year2023/24
CourseMATERIALS AND NANOTECHNOLOGY
Code998II
Credits6
PeriodSemester 1
LanguageEnglish

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERINGING-IND/22LEZIONI48
GIUSEPPE CARMINE DOMENICO SAVIO GALLONE unimap
MARIO MILAZZO unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
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

  • Lo stato cristallino. Strutture cristalline e loro celle unitarie; sistemi cristallini e reticoli di Bravais. Strutture cristalline dei metalli: reticoli cristallini CCC, CFC e EC. Punti reticolari, direzioni e piani cristallografici, indici di Miller-Bravais, densità atomica planare e lineare, densità di volume. Siti interstiziali.
  • Solidificazione dei metalli: nucleazione omogenea ed eterogenea. Strutture a grani. Difetti puntuali. Dislocazioni. Difetti superficiali: bordi di grano.
  • Diffusione nei solidi: energia di attivazione; meccanismi sostituzionali e interstiziali. Prima e seconda legge di Fick.
  • Deformazione plastica di monocristalli metallici: meccanismi di scorrimento e movimento di dislocazioni. Sistemi di scorrimento in strutture cristalline, sforzo critico di taglio e legge di Schmid. Sistemi di scorrimento in strutture cristalline ioniche. Geminazione.
  • Meccanismi di rinforzo/indurimento nelle leghe metalliche. Rafforzamento per soluzione solida; composti intermetallici; indurimento per precipitazione (invecchiamento). Effetto del bordo grano e della dimensione del grano (formula di Hall-Petch). Lavorazione a freddo e incrudimento dei metalli. Effetto Frank-Read. Ricottura: recupero, ricristallizzazione e ingrossamento del grano.

I diagrammi di stato e le leghe ferrose

  • Caratteristiche generali dei diagrammi di stato. Diagrammi di stato delle sostanze pure. Curve di raffreddamento. La regola delle fasi di Gibbs. Termodinamica delle soluzioni. Completa solubilità allo stato solido: costruzione di diagrammi di stato per leghe binarie isomorfe; analisi dell'energia libera di Gibbs. La regola della leva. Insolubilità allo stato solido: sistemi eutettici binari.
  • Solubilità limitata allo stato solido: analisi dell'energia libera di Gibbs per sistemi eutettici, peritettici e monotettici. Tutte le trasformazioni invarianti. Fasi intermedie: analisi dell'energia libera di Gibbs. Esempi di diagrammi di stato binari più complessi.
  • Cenni ai diagrammi di stato per sistemi ternari.
  • Risoluzione di problemi sui diagrammi di stato.
  • 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

  • Generalità sui materiali polimerici. Architetture molecolari, grado medio di polimerizzazione e massa molare media nei polimeri polidispersi. Classificazione: termoplastici di uso generale e tecnopolimeri, termoindurenti, elastomeri.
  • Metodi di polimerizzazione. Reazioni di polimerizzazione radicalica a catena e a stadi. Conversione di una reazione chimica. Gelazione.
  • Cristallinità nei polimeri e difetti nei cristalli polimerici. Fattori che controllano la temperatura di fusione. Transizione vetrosa nei polimeri e fattori che controllano la Tg.
  • Elasticità delle gomme. Gomma naturale. Processo di vulcanizzazione. Gomme sintetiche.
  • Comportamento meccanico dei polimeri. Risposta viscoelastica: modelli principali, principio di sovrapposizione di Boltzmann, moduli complessi, dipendenza dalla frequenza. Analisi dinamico-meccanica-termica (DMTA), collegamenti con la dinamica molecolare e la transizione vetrosa, sovrapposizione tempo-temperatura, l'equazione WLF.
  • Meccanismi di deformazione. Irrigidimento e rinforzo dei termoplastici. Creep nei materiali polimerici. Rilassamento dello stress. Frattura.
  • Ciclo industriale: polimerizzazioni in massa, soluzione, sospensione ed emulsione. Tecniche di lavorazione dei polimeri.

I materiali ceramici

  • Classificazione funzionale dei materiali ceramici. Generalità su ceramici tradizionali ed avanzati.
  • Struttura dei ceramici: coordinazione nei solidi ionici, siti interstiziali nei reticoli CFC, CCC ed EC, cristalli con coordinazione cubica, ottaedrica e tetraedrica. Cristalli ceramici più complessi: strutture della perovskite e dello spinello. Materiali generati dal carbonio. Strutture dei silicati: silicati a strati, reticoli di silicati, silice cristallina e non cristallina.
  • Produzione dei materiali ceramici. Formatura per pressatura, colaggio ed estrusione. Trattamenti termici, sinterizzazione.
  • Proprietà meccaniche e meccanismi di deformazione nei ceramici. Fattori determinanti per la resistenza meccanica. Durezza dei ceramici.
  • Vetri inorganici: ossidi vetrosi, modificatori e intermedi. Tipi di vetri. Viscosità dei vetri. Lavorazione del vetro. Tecniche di rinforzo del vetro.
    Introduzione al calcestruzzo. Coefficiente di omogeneizzazione.

I materiali compositi

  • Introduzione e classificazione dei materiali compositi. Compositi a matrice metallica (MMC): materiali di rinforzo e proprietà. Compositi a matrice ceramica (CMC). Compositi a matrice polimerica (PMC) rinforzata con fibre. Proprietà delle fibre di rinforzo per polimeri: fibre di vetro, di carbonio ed aramidiche (Kevlar).
  • Condizioni di isodeformazione e isosollecitazione in un composito laminato. Frattura nei compositi.
  • Produzione dei materiali compositi PMC. Processi a stampo aperto e tecniche di lavorazione a stampo chiuso.
  • Cenni sui cementi, calcestruzzi. Coefficiente di omogeneizzazione.

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

  • The crystalline state. Crystal structures and their unit cells; crystal systems and Bravais lattices. Crystal structures of metals: BCC, FCC and HCP crystal lattices. Lattice points, crystallographic directions and planes, Miller-Bravais indices, planar and linear atomic density, volume density. Interstitial sites.
  • Solidification of metals: homogeneous and heterogeneous nucleation. Grainy structures. Point defects. Dislocations. Surface defects: grain boundaries.
  • Diffusion in solids: activation energy; substitutional and interstitial mechanisms. First and second Fick’s laws.
  • Plastic deformation of metal single crystals: slipping mechanisms and dislocations motion. Slip systems in crystal structures, critical shear stress and Schmid’s law. Slip systems in ionic crystal structures. Twinning.
  • Strengthening/hardening mechanisms in metallic alloys. Solid solution strengthening; intermetallic compounds; precipitation hardening (Age hardening). Grain boundary strengthening and the effect of the grain size (Hall-Petch formula). Cold working and strain hardening of metals. Frank-Read effect. Annealing: recovery, recrystallization and grain growth.

State diagrams and metallic alloys

  • General characteristics of phase diagrams. Phase diagrams of pure substances. Cooling curves. The Gibbs phase rule. Thermodynamics of solutions. Complete solubility in the solid state: construction of phase diagrams for binary isomorphous alloys; analysis of the Gibbs free-energies. The lever rule.
  • Insolubility in the solid state: binary eutectic systems. Limited solubility in the solid state: analysis of the Gibbs free-energies for eutectic, peritectic and monotectic cases. All invariant transformations. Intermediate phases: analysis of the Gibbs free-energies. Examples of more complex binary phase diagrams.
  • Mention of the phase diagrams for ternary systems.
  • Solving problems on phase diagrams.
  • 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

  • Generalities about polymeric materials. Molecular architectures, average degree of polymerization and molar mass quantities in polydisperse polymers. Classification: general purposes thermoplastics and engineering thermoplastics, thermosets, elastomers.
  • Polymerization methods. Chain radical and step-growth polymerization reactions. Conversion of a chemical reaction. Gelation.
  • Crystallinity in polymers and defects in polymer crystals. Factors controlling the melting temperature. Glass transition in polymers and factors controlling Tg .
  • Elasticity of rubbers. Natural rubber. Vulcanization process. Synthetic rubbers.
  • Mechanical behaviour of polymers. Viscoelastic response: main models, Boltzmann superposition principle, complex moduli and complex compliance, frequency dependence. Dynamic-mechanical-thermal analysis (DMTA), links with the molecular dynamics and the glass transition, time-temperature superposition, the WLF equation.
  • Deformation mechanisms. Stiffening and strengthening thermoplastics. Creep in polymeric materials. Stress relaxation. Fracture.
  • Industrial cycle: bulk, solution, suspension and emulsion polymerizations. Polymers processing techniques.

Ceramics

  • Functional classification of ceramic materials. Generalities of traditional ceramics and advanced ceramics.
  • Structure of ceramics: coordination in ionic solids, interstitial sites in FCC and BCC lattices, crystals with cubic, octahedral and tetrahedral coordination. More complex ceramic crystals: perovskite and spinel structures. Carbon materials. Structures of silicates: sheet silicates, silicate networks, crystalline and non-crystalline silica.
  • Manufacturing ceramic materials. Shaping by pressure, by slip casting and by extrusion. Thermal treatments, sintering.
  • Mechanical properties and deformation mechanisms in ceramics. Determining factors for the mechanical strength. Toughness of ceramics.
  • Inorganic glasses: glass-forming, modifier and intermediary oxides. Types of glasses. Viscosity of glasses. Shaping of glasses. Glass strengthening techniques.

Composites

  • Introduction and classification of composite materials. Metallic matrix composites (MMC): reinforcing materials and properties. Ceramic matrix composites (CMC). Polymer Matrix Composites (PMC): fiber-reinforced polymeric composites. Properties of reinforcing fibers for polymers: glass fibers, carbon fibers and aramid fibers (Kevlar).
  • Isostrain and isostress conditions in a laminated composite. Fracture in composites.
  • Manufacturing of PMC composites. Open molding and closed molding processing techniques.
  • Introduction to cements and concrete. Homogenization coefficient.

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: 31/07/2023 11:35