ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| INGEGNERIA DEI MATERIALI | ING-IND/21 | LEZIONI | 60 |
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Lo studente dovrà conoscere i principali strumenti di verifica delle caratteristiche meccaniche di un materiale, essere in grado di analizzare le cause di cedimento di un organo meccanico e saper selezionare in modo appropriato i materiali in funzione del loro impiego.
la verifica delle conoscenze si condurrà mediante prova orale.
Conoscenza delle proprietà e delle tecniche di produzione e lavorazione delle diverse classi di materiali (metallici, polimeri, ceramici, compositi). Comprensione delle relazioni tra microstruttura e proprietà meccaniche nei materiali e capacità di selezione e trattamento (solo metallici strutturali) in ragione dell'applicazione prevista.
la verifica delle capacità si condurrà attraverso una prova orale della durata media di 40 minuti. Le domande poste allo studente volgeranno alla verifica non solo dello studio dgli argomenti del corso, ma anche della capacità di selezione e trattamento dei materiali strutturali in ragione dell'applicazione ed impiego proposto.
capacità di comprendere le proprietà richieste ad un materiale per un'applicazione reale e capacità di selezionare il materiale più idoneo al servizio.
Termodinamica e cinetica chimica. Diagrammi di stato. Equilibri in soluzione acquosa. Elettrochimica.
1 - Panoramica sui materiali strutturali esistenti e principali proprietà fisico-meccaniche: metallici, polimerici, ceramici, compositi. Relazione struttura-trattamenti termomeccanici- proprietà. Materiali avanzati: semiconduttori, biomateriali, smart materials, nanomateriali.
2 - Prove meccaniche: statiche, impulsive, cicliche, a carico costante. Prova di trazione. Curva sforzo-deformazione ingegneristica e curva sforzo reale - deformazione reale. Modulo elastico, carico unitario di snervamento, carico di rottura e allungamento percentuale a rottura. Duttilità e tenacità a frattura dei materiali. Effetti della temperatura. Prova di durezza Brinnel (HB), Rockwell (HR), Vickers (HV).
3 - Struttura dei cristalli: Ordinamento a corto e lungo raggio. Solidi cristallini e solidi amorfi. Cristallografia: celle unitarie e reticoli, sistemi cristallini e reticoli di Bravais. Strutture c.c.c., c.f.c, e.c.. Numero di coordinazione, numero di atomi per cella, fattore di impacchettamento. Indici di Miller e di Miller-Bravais per piani e direzioni cristallografiche. Densità planari e lineari. Calcolo della densità teorica. Sequenza di impilamento del c.f.c. ed e.c.. Allotropia. Isotropia e anisotropia. Solidi non cristallini. Legge di Bragg e determinazione parametri cristallini e distanze interplanari mediante diffrattometria. Microscopia ottica ed Elettronica a scansione (SEM) e a transmissione (TEM)
4 -Difetti nei cristalli. Difetti di punto, di linea, di superfice, di volume. Teoria delle dislocazioni: sforzi associati alle dislocazioni. Dislocazioni a spigolo, a vite, miste. Moti di scorrimento per glide. Geminazione. Interazione tra dislocazioni (kinks e jogs). Dimensione del grano e numero ASTM. Diffusione allo stato solido: movimento di vacanze reticolari e movimento di interstiziali. Prima e seconda legge di Fick.
5 - Meccanismi di deformazione plastica. Movimento delle dislocazioni: sistemi di scorrimento per c.f.c, c.c.c., e.c. sforzo critico di taglio. Moti conservativi (cross-slip) e non conservativi (climb). Intersezione tra dislocazioni: kinks e jogs. Legge di Schmid e sforzo critico di taglio risolto (snervamento monocristallo e materiale policristallino). Movimento e moltiplicazione delle dislocazioni (sorgenti di Frank-Read). Fenomeno dell'incrudimento e teoria della foresta di dislocazioni. Snervamento: atmosfere di Cottrell e formazione delle bande di Luders negli acciai dolci da stampaggio. Relazioni microstruttura-resistenza dei metalli: Relazione di Hall-Petch. Indurimento per soluzione solida, per deformazione plastica, per precipitazione e per riduzione del grano cristallino. Ricristallizzazione. Fattori influenzanti la temperatura di ricristallizzazione. Recovery, ricristallizzazione primaria e secondaria.
6 - Meccanismi di rottura. Meccanismo della rottura duttile e fragile (clivaggio, intergranulare) dei materiali. Aspetto delle superfici di frattura. Microscopia elettronica a scansione (SEM). Autotensioni: di origine termica, deformazione plastica, di origine fasica. Meccanica della frattura: intensificazione degli sforzi all'apice di un difetto. Criterio di frattura di Griffith e di Irvin. Criterio basato sul raggiungimento di Kc. Modalità di apertura di una cricca. Stato piano di tensioni e stato piano di deformazioni all'apice di una cricca. Prova di KIc. Progettazione con l'uso della meccanica della frattura.
7 - Diagrammi di stato e diagramma Fe-Fe3C. Regola delle fasi di Gibbs. Sistemi binari isomorfi. Liquidus, solidus, sulvus. Tie-line e regola della leva. Raffreddamento di equilibrio e di non equilibrio per una lega binaria isomorfa. Micro- e macro segregazione di soluto. Trasformazione eutettica, peritettica, eutettoidica. Diagramma di stato eutettico e meccanismo di solidificazione eutettica. Diagramma di stato Ferro-Carbonio. Acciai e ghise. Ferrite, austenite, cementite, temperature e curve di trasformazione. Trasformazione peritettica e eutettoidica. Raffreddamento e trasformazione acciaio ipo- e iper- eutettoidico. Proprietà meccaniche delle leghe Fe-C. Trasformazioni isoterme e curve TTT. Trasformazione perlitica, bainitica, martensitica. Struttura e caratteristiche della martensite negli acciai. Curve CCT di raffreddamento anisotermo. Fattori che influenzano le curve di Bain. Applicazioni pratiche.
8 - Rottura per fatica: prova di flessione rotante e curve di Wohler (S/N). Meccanismi di innesco, propagazione sub-critica e rottura di schianto. Curve di avanzamento di una cricca a fatica da/dN - D KI. Progettazione a vita infinita e damage tolerant: effetto finitura superficiale, autotensioni, dimensioni e geometria del pezzo, temperatura, intaglio e ambiente corrosivo. Trattamenti superficiali: carbocementazione, nitrurazione, pallinatura.
9 -Scorrimento viscoso (creep).Effetti dello sforzo e della temperatura. Prove di creep a carico costante: creep primario,secondario, terziario. Espressione della velocità di creep stazionario in funzione dello sforzo e della temperatura. Stima della vita a rottura per creep. Parametro di Larson-Miller e metodi previsionali. Cenni sulle mappe dei meccanismi di deformazione e frattura. Criteri di progettazione a creep.
10 - Produzione degli acciai. Solidificazione delle leghe. Micro e macrosegregazioni. Ciclo integrale produzione ghisa: Altoforno, convertitore, forni elettrici. Colata continua, laminatoi sbozzatori e finitori. Gli elementi degli acciai: impurezze, aggiunte standard, elementi di lega ed effetto sulla composizione e temperatura eutettoide. Classificazione degli acciai UNI EN 10027-1. Acciai designati in base alla composizione chimica. Esempi. Normativa AISI degli acciai inossidabili. Classificazione pratica e composizione chimica/trattamenti di: Acciai da costruzione per uso generale, acciai speciali da costruzione (da bonifica, HSLA, da cementazione, da nitrurazione, per molle, per cuscinetti, da stampaggio innovativi AHSS (DP, TRIP), acciai per utensili rapidi e superrapidi. Processi tecnologici: laminazione a caldo, a freddo, estrusione, fucinatura, saldatura, metallurgia delle polveri, additive manufactoring. Ghise bianche, grigie, nodulari, malleabili e altolegate: caratteristiche, composizione chimica, trattamenti e classificazione.
11- Acciai inox: diagramma di stato Fe-Cr e Fe/Ni. Diagramma di Shaeffler. Classificazione, composizione chimica e caratteristiche: inox austenitici, ferritici, martensitici, duplex e indurenti per precipitazione (PH). Caratteristiche meccaniche e resistenza a corrosione. Lavorabilità alle macchine utensili.
12- Acciai maraging al cobalto e al titanio. Caratteristiche microstrutturali e meccaniche. Trattamenti termici.
13- Leghe non ferrose. Leghe di Alluminio: Classificazione Aluminium Association e CEN. Principali famiglie di leghe e loro caratteristiche generali. Leghe di alluminio da fonderia e da lavorazione plastica. Trattamento termico di solubilizzazione, tempra di soluzione e invecchiamento artificiale. Struttura di sottoinvecchiamento, di picco e sovrainvecchiamento. Evoluzione microstrutturale durante invecchiamento artificiale ed effetto della temperatura. Rame e sue leghe: classificazione americana e codice alfanumerico ISO 1190-1. Rame puro. Ottoni monofasici rossi e gialli,ottoni binari, bronzi al fosforo, bronzi al silicio, bronzi all'alluminio. leghe cupronickel. Titanio e sue leghe. Microstruttura e proprietà meccaniche. Magnesio e sue leghe.Superleghe per alte temperature: base cobalto e base nickel. Indurimento per soluzione solida e per precipitazione fase gamma primo e fase gamma secondo. Leghe base nickel per palettature turbina a grano colonnare e monocristalline.
14- Trattamenti termici acciai. Ricottura completa, normalizzazione, tempra e rinvenimento. Temprabilità acciaio e prova Jomini. Austempering e Martempering. Ricotture sub-critiche di lavorabilità. Trattamenti termochimici: carbocementazione e nitrurazione. Tempra superficiale. Applicazioni pratiche
15 - Materiali polimerici. Caratteristiche generali e proprietà. Polimerizzazione per addizione e condensazione. Grado di polimerizzazione, funzionalità. Forma delle molecole e struttura (omopolimeri, copolimeri). Isomerie di posizione, struttura, steriche. Peso molecolare ponderale e numerale. Polimeri termoplastici. Modulo elastico vs. temperatura, temperatura di fusione e di transizione vetrosa. Teflon, PVC, PP, LDPE, HDPE, PET. Solidificazione termoplastici e grado di cristallinità. Modelli morfologici termoplastici semicristallini. Deformazione termoplastici elastica e plastica. Stiramento. Deformazione dipendente dal tempo e viscoelasticità. Polimeri termoindurenti. Reticolazione resine epossidiche e poliesteri. Elastomeri, molle entropiche. Vulcanizzazione. Metodi di produzione materiali polimerici.
16 - Materiali ceramici. Caratteristiche generali. Ceramici tradizionali e innovativi. Disposizioni ioniche e strutture cristalline. Silicati, vetri, carbonio. Meccanismi di deformazione plastica. Viscosità. Proprietà meccaniche, prova a flessione e influenza porosità. Prodotti argillosi: strutturali (mattoni, piastrelle) e porcellane. Ceramici refrattari e abrasivi. Preparazione manufatti ceramici: formatura per colaggio e formatura idroplastica. Il vetro: sodio-calcico, al borosilicato, al piombo, siliceo. Variazione della viscosità con la temperatura: fusione, punto di lavorazione, rammollimento, ricottura, deformazione. Vetro rafforzato per tempra o chimicamente. Vetroceramici. Malte aeree e idrauliche. Meccanismo di presa dei cementi (Portland). Calcestruzzo.
17 - Materiali compositi. Caratteristiche generali. Rinforzati con particelle di grandi o piccole dimensioni. Regola delle miscele. Rinforzati con fibre. Fibre corte e lunghe, lunghezza critica. Disposizione delle fibre. Curva sforzo-deformazione fibre continue e allineate: modulo elastico e carico di rottura nel caso di comportamento elastico con carico longitudinale e con carico trasversale. Fibre discontinue casualmente orientate. Fibre di rinforzo: whiskers, fibre, fili. Caratteristiche matrici. Compositi a matrice polimerica (PMC) con fibre di vetro, fibre di carbonio, fibre aramidiche. Compositi a matrice metallica e ceramica. Processi produttivi: poltrusione, prepreg, filament winding. Laminati e Glare. Applicazioni in campo aeronautico.
18 - Corrosione materiali metallici: corrosione ad umido e a secco. Aspetti termodinamici. Areazione differenziale. Aspetti cinetici: relazione tra sovratensione e correnti elettrodiche, equazioni di Tafel, curve di Evans. Potenziale e corrente di corrosione. Fenomeno della passività. Curva di polarizzazione anodica di un metallo a comportamento attivo-passivo. Corrosione uniforme: velocità di corrosione e penetrazione media. Corrosione localizzata: pitting e indice PREN, c. interstiziale, c. galvanica, tensocorrosione (SCC), infragilimento da idrogeno (HE). Corrosione selettiva: sensibilizzazione, corrosione intergranulare acciai inox austenitici e rimedi.
1 -Introduction to structural materials: metallic, polimeric, ceramics,composite and smart materials. Phisical and mechanical properties. Microstructure-thermo-mechalical treatments and properties relationships.
2- Mechanical tests: static, impulsive, fatigue, wear tests. Standard Tensile test: Engineering Stress-deformation and true stress-true deformation curves. Elastic modulus, yield, tensile stress and elongation to fracture. Ductility and toughness of materials.Temperature effects. Hardness tests (HV,HB,HR).
3- Cristallography . Short and long range order. Cristalline and amorphous materials. Unit cell, cristallographic systems and Bravais lattices. C.C.C., C.F.C. and HCP lattices. Coordination number and Atomic Packing Factor. Miller and Miller-Bravais indices. Linear and planar atomic densities. Allotrophy. Bragg law and diffractometric tecniques. Optical and Electronic (SEM, TEM) microscopy.
3- Crystal defects: point, linear, planar and volumetric defects. Dislocation theory: edge and screw dislocations. Glide and twinning. Diffusion in solids: first and second Ficks laws.
4- Plastic deformation of crystals. Primary glide systems for c.c.c.,c.f.c. and hcp crystals. Conservative (cross-slip) and non conservative (climb) dislocation motion. Schmid law and critical resolved shear stress. Movement and moltipication of dislocation (Frank and Read sources). Yielding and Luders band formation in low carbon steels.
5- Failure mechanisms: ductile and brittle (cleavage, intergranular) mechanisms of rupture. Optical and Electronic (SEM, TEM) microscopy. Residual stresses. Fracture mechanics: stress intensity factor, plane stress and triassial stress states and KIC test.
6- Phase diagrams. Tie-line and rule of leverage. Equilibriun and non equilibrium cooling effects. Eutectic, peritettic and eutectoidec trasformations. Fe-Fe3c phase diagram. Steels and cast irons. Isohermic trasformations ant TTT Bain diagrams. CCT curves and factor influencing Bain curves.
7- Fatigue. Fatigue test and Wohler curves. Fatigue initiation, propagation and final rupture. Effect of surface finish, residual stresses, dimension, stress, notch and environment on fatigue resistance. Surface treatments: shot peening and thermal treatments (carburizing, nitriding ecc.).
8- Creep. Stress and temperature effects. Primary, secondary anr terziary creep stages.
9- Siderurgy: cast iron and carbon stees pruduction. Blast furnace and electric furnaces and converter.Elements in steels, impurities, standard elements and alloying elements.UNI-EN 10027 standard steel classification. General purpose constructional Carbon steels, weldaility, HSLA steels, resulphorized steels, hardening and tempering steels, spring steels, bearing steels, ecc. Cast irons.
10- Stainless steels. Fe-Cr and Fe-Ni phase diagrams. Ferritic, martensitic, austenitic, duplex and Precipitation Hardening steels. AISI classification. Maraging steels.
11- Non ferrous alloys. Aluminium alloys: Aluminium Association classification and Aluminium families. Precipitation hardening treatments and microstructural evolution during artificial ageing of cu-bearing alloys. Copper alloys: classification, brass, bronze and cupronichel alloys.Titanium and its alloys. Microstructure and mechanical properties. Alpha, Beta and alfa + beta alloys.Magnesium and its alloys. Nichel based superalloys.
12- Thermal treatment of carbon steels. Fully annealing, normalizing, quenching and tempering. Temprability and Jomini test.
13- Polimeric materials. General properties and mechanical properties. Addiction and condensation process for polimerization. Thermoplastics and thermosetting polimers. Elastic and plastic deformation of thermoplastics and stress-strain curves. Elastomers.Polimers production tecniques.
14- Ceramic materials. Traditional and advanced ceramics. Mechanical testing of ceramics and effect of porosity. Refractory ceramics and abrasives. Glasses.
15- Composite materials.Particulate and fiber reinforced composites. Stree-strain curve of continuous fiber reinforced composites. Polimeric, metallic, ceramic reinforced composites. Production techniques of composite materials.
16- Corrosion and protection of metallic materials. Electrochemical mechanism of wet corrosion. Thermodinamic aspects. Immunity, activity and passivity. Kinetics of wet corrosion: exchange current, overpotential and charge transfer.Tafel equations Anodic and cathodic polarization curves. Evans curves and concentration overpotential. Mechanism of differential areation. Passivity of metals and alloys. Pitting and crevice corrosion. Pren index for stainless steels. Galvanic corrosion. Stress corrosion cracking, Hydrogen embrittlment. Hot corrosion. Oxidation resistance of carbon and stainless steels at high temperatures.
W.D.Callister, D.G. Rethwisch "Materiali per l'Ingegneria Civile e Industriale", Ed. EDISES S.r.l. Napoli, 2015.
Slides proiettate a Lezione su piattaforma e-learning CdL Ing. Areospaziale.
W.D.Callister, D.G. Rethwisch "Materiali per l'Ingegneria Civile e Industriale", Ed. EDISES S.r.l. Napoli, 2015.
Prova orale della durata media di 40 minuti.
Oral examination
