Un materiale è una sostanza naturale o artificiale utilizzata per realizzare oggetti e componenti, caratterizzata da proprietà chimiche, fisiche, meccaniche e tecnologiche. La scelta dipende da prestazioni richieste, estetica, costo, disponibilità, processabilità e sostenibilità. Le macrocategorie principali sono: metalli, ceramici, polimeri, compositi e materiali naturali.
Le leghe metalliche contengono legami metallici caratterizzati da elettroni delocalizzati, conferendo duttilità e conducibilità (es. acciaio Fe-C). Le ceramiche presentano legami ionici o covalenti forti e direzionali, conferendo durezza e fragilità (es. SiO₂ nel quarzo). La differenza principale è quindi nel tipo di legame e nelle proprietà meccaniche e termiche.
Un materiale cristallino ha un reticolo atomico ordinato e periodico (quarzo), mentre un amorfo mostra solo ordine locale (vetro di silice, PE amorfo). I cristallini sono spesso anisotropi e presentano un punto di fusione definito; gli amorfi sono isotropi e fondono gradualmente. Le proprietà meccaniche variano: i cristallini tendono a essere più rigidi, gli amorfi più deformabili.
Vetro e quarzo sono omogenei e privi di discontinuità alla scala della lunghezza d’onda della luce visibile, permettendo il passaggio dei fotoni (trasparenza). Il granito è policristallino e contiene inclusioni minerali diverse, che diffondono la luce rendendolo opaco.
Un solido cristallino ha atomi disposti in un reticolo regolare e periodico (es. marmo, cemento idraulico), mentre un solido amorfo ha disposizione irregolare senza periodicità a lungo raggio (es. vetro da costruzione). Le proprietà derivano dalla struttura: cristallini più duri e fragili, amorfi più isotropi e deformabili.
Isotropia indica proprietà identiche in tutte le direzioni (es. vetro, polimeri amorfi), mentre anisotropia indica proprietà variabili in funzione della direzione (es. legno, materiali compositi laminati).
Leghe sostituzionali: gli atomi del soluto sostituiscono quelli del solvente (es. ottone Cu-Zn). Leghe interstiziali: atomi piccoli si inseriscono negli interstizi del reticolo (es. acciaio Fe-C). Gli acciai possono combinare entrambi i tipi di legame (leghe miste).
La diffusione allo stato solido è il movimento degli atomi all'interno di un cristallo ed è favorita da vacanze, dislocazioni e difetti reticolari. È essenziale nei metalli per trattamenti termici e negli ossidi ceramici durante la sinterizzazione, per favorire la coalescenza dei grani.
Secondo Newton, ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria. Nei materiali, le sollecitazioni esterne generano tensioni interne che producono deformazioni elastiche reversibili, coerenti con il principio di equilibrio delle forze.
I due tipi principali sono deformazione elastica (reversibile, proporzionale alla sollecitazione secondo legge di Hooke) e plastica (irreversibile, legata allo scorrimento delle dislocazioni). La plastica determina cambiamenti permanenti nella forma del materiale.
Durante l’elasticità gli atomi oscillano attorno alla loro posizione di equilibrio senza cambiare la loro topologia. Nella deformazione plastica, gli atomi scorrono lungo piani reticolari tramite il movimento delle dislocazioni, modificando permanentemente la struttura.
I materiali duttili subiscono grande deformazione plastica prima della rottura (es. rame), mentre quelli fragili si rompono con minima deformazione plastica (es. vetro). 'Brittle' è il termine inglese equivalente a fragile.
Il legame metallico è formato da ioni positivi in un mare di elettroni delocalizzati. Conferisce duttilità, conducibilità elettrica e termica, capacità di deformazione plastica e riflettività.
I legami ionici e covalenti nei ceramici sono forti e direzionali. Ciò conferisce durezza elevata, fragilità, elevata resistenza a compressione e alto punto di fusione.
Sono difetti come bordi di grano, piani di scorrimento incompleti o giunzioni tra cristalli. Presenti nei solidi policristallini, influenzano resistenza, duttilità e comportamento alla frattura.
Il grafico può rappresentare una curva sforzo-deformazione o una proprietà termica. Anomalie possono indicare difetti, inclusioni, porosità o errori di misura. È necessario identificare picchi, cedimenti o cambi di pendenza per spiegare fenomeni come snervamento, frattura fragile o transizione vetrosa.
L’immagine mostra un componente sottoposto a trazione, compressione, torsione o flessione. Interpretazione: zone di maggiore deformazione indicano criticità. Le conseguenze includono fratture, cedimenti plastici o fatica a seconda del tipo di sollecitazione e materiale.
Il grafico confronta comportamenti fragili e duttili o differenti leghe/acciai. La pendenza iniziale indica modulo elastico; la curva plastica evidenzia duttilità. Differenze tra curve derivano da microstruttura, composizione e trattamento termico.
Si riferisce alla legge di Hooke: σ = E·ε, dove σ = sforzo (Pa), ε = deformazione, E = modulo elastico. Il grafico σ-ε mostra comportamento elastico lineare iniziale e successiva plastica. Parametri: limite elastico, resistenza a rottura, deformazione massima.
La densità ρ = massa/volume. Dipende da: composizione chimica (peso atomico), struttura atomica (compattazione reticolo), microstruttura (porosità, grani) e macrostruttura (vuoti, cavità). Influenza peso, trasportabilità e comportamento meccanico.
La tabella può riferirsi a densità, conducibilità termica, modulo elastico, o resistenza a trazione. Ogni categoria (metalli, ceramici, polimeri) mostra valori tipici: metalli densi e duttili, ceramici rigidi e fragili, polimeri leggeri e deformabili. Influenza sensoriale: peso percepito, calore, rigidità al tatto.
La conducibilità termica (k) misura la capacità di un materiale di trasmettere calore: q = -k·ΔT/Δx, dove q = flusso termico, ΔT = differenza di temperatura, Δx = spessore. Metalli ottimi conduttori, ceramiche isolanti, polimeri isolanti.
Dilatazione termica: variazione di dimensioni di un materiale al variare della temperatura. Relazione lineare: α = ΔL / (L₀·ΔT), dove α = coeff. dilatazione lineare, ΔL = variazione lunghezza, L₀ = lunghezza iniziale, ΔT = variazione temperatura. Grafico: pendenza lineare indica α; curve diverse mostrano anisotropia o effetti di microstruttura.
Può riferirsi a resistenza meccanica, modulo elastico o durezza. Definizione: capacità del materiale di sopportare sollecitazioni senza cedimento. Metalli duttili, ceramici fragili, polimeri deformabili. Influenza durabilità, sicurezza strutturale e applicazioni.
Prova di trazione uniassiale: si applica un carico crescente a un provino standardizzato e si misura deformazione. La curva sforzo-deformazione indica limite elastico, snervamento e rottura. Applicata tipicamente a metalli, polimeri e materiali compositi per caratterizzazione meccanica.
Limite elastico convenzionale σ₀,₂: sollecitazione che produce deformazione plastica permanente dello 0,2%. È fondamentale perché definisce il carico massimo sicuro evitando deformazioni permanenti nel componente.
Riferita a resistenza a trazione, duttilità o tenacità. Aree sotto la curva σ-ε rappresentano energia assorbita per deformazione elastica e plastica (tenacità). Si calcola integrando σ rispetto a ε. Importante per valutare capacità di resistere a frattura.
Grafico σ-ε di diversi acciai mostra: acciai dolci (basso σ, alta ε), acciai ad alta resistenza (alto σ, bassa ε), acciai legati (bilanciamento σ-ε). Differenze derivano da composizione chimica e trattamenti termici.
Tecniche: getto in sabbia, getto in stampi permanenti, getto a cera persa, centrifugazione. Getto in sabbia: modello in sabbia, inserimento cavità, colata metallo fuso, raffreddamento, rimozione sabbia. Vantaggi: economicità, dimensioni grandi; svantaggi: finitura grezza, tolleranze moderate.
Se immagine mostra getto: fasi tipiche sono creazione stampo, colata, raffreddamento, estrazione pezzo, finitura. Prodotti: componenti metallici complessi, tolleranze moderate, rugosità elevata. (Ripetere card per getto in sabbia, cera persa, stampi permanenti se necessario)
Tecnologia: getto in sabbia, cera persa o stampo permanente. Vantaggi: complessità geometrica, economicità per lotti medi (sabbia), precisione dimensionale (cera persa e stampi permanenti). Limiti: rugosità superficiale (sabbia), costo stampi (cera persa), limiti dimensioni (stampi permanenti).
La finitura superficiale varia: getto in sabbia → rugosa, presenza di granuli; getto a cera persa → liscia, dettagli precisi; stampi permanenti → molto liscia, tolleranze strette. La scelta della tecnologia influenza successivi trattamenti (levigatura, rettifica).
Fasi: stampaggio lamiera (a caldo o freddo), tranciatura, piegatura, saldatura o giunzioni meccaniche, trattamento superficiale (verniciatura, smaltatura, lucidatura), controllo qualità. Materiali: acciai inossidabili, alluminio, rame. Le lavorazioni a freddo mantengono migliori tolleranze geometriche, a caldo facilitano deformazioni complesse.
Meccanismi principali: rafforzamento per deformazione plastica (cold working), per soluzione solida, per precipitazione, per dispersione particellare, per lavorazione dei grani. Il rafforzamento per deformazione aumenta dislocazioni e resistenza, ma riduce duttilità.
Si ottiene introducendo atomi soluti nella rete del metallo matrice (sostituzionali o interstiziali). Proprietà influenzate: aumento del limite elastico e della resistenza a trazione, minima riduzione della duttilità. Esempio: acciai legati con C, Ni, Cr.
Può rappresentare corrosione uniforme, galvanica, a crevice o pitting. Cause: differenze di potenziale elettrico tra zone del metallo, presenza di elettroliti, microstruttura difettosa, ossigeno o umidità. Conseguenze: riduzione sezione, perdita resistenza, degradazione estetica.
Zincatura: deposizione di strato di zinco su acciaio. Protezione: barriera fisica, protezione catodica galvanica. Grafico: mostra velocità di corrosione ridotta nel tempo grazie allo strato di Zn. Applicazioni: lamiere da costruzione, automobili.
Processo: verniciatura o anodizzazione. Finalità: protezione superficiale e decorativa. Materiali: metalli (acciaio, alluminio). Colorazioni: pigmenti nella vernice o ossidazione controllata (anodizzazione).
Ghise: leghe di ferro con C > 2%, contengono silicio e altri elementi. Proprietà: elevata durezza, buona lavorabilità in fusione, fragilità a trazione. Tipologie: ghisa grigia (grafite lamellare), ghisa sferoidale (grafite sferica), ghisa bianca (carburo Fe3C).
Tecnologia: stampaggio, tranciatura o getto. A caldo: metallo riscaldato > resistenza ridotta, facilità deformazione, tolleranze meno precise. A freddo: metallo a temperatura ambiente > maggiore resistenza, migliori tolleranze e finitura superficiale.
Processi: pressatura a secco, estrusione, colaggio, stampaggio plastico. Contenuto d’acqua: alto (impasti) → basso (pressatura a secco). Colaggio in stampo assorbente: impasto ceramico liquido colato in stampo poroso, acqua assorbita dallo stampo, forma solida e compattata.
Produzione: fusione di sabbia silicea, soda, calcare a ~1500°C, colaggio o soffiatura. Colorazione: aggiunta di ossidi metallici (rame, cobalto, ferro) per vetro colorato, miscele omogenee per intensità desiderata.
Artigianale: tubo metallico, raccolta vetro fuso, soffiatura e modellatura manuale. Meccanica: macchine soffianti automatizzate, colaggio e soffiatura in stampi, produzione seriale, maggiore uniformità dimensionale.
Tecnologia: soffiatura o colaggio in stampo. Fase evidenziata: modellatura o soffiatura. Colorazione: aggiunta di ossidi metallici o smalti durante la fusione o post-lavorazione.
Sottoclassi: termoplastiche (TP), termoindurenti (TI), elastomeri. TP: flessibili, rimodellabili a calore. TI: dure, reticolate, non rimodellabili. Elastomeri: elasticità elevata, deformazioni reversibili.
TP: curva con porzione plastica, alta deformazione prima della rottura. TI: curva quasi lineare, rottura fragile. Elastomeri: curva altamente non lineare, grande deformazione elastica, ritorno alla forma originale.
Stampaggio a iniezione: fusione plastica, iniezione nello stampo, raffreddamento, estrazione pezzo. TP: rimodellabili, riutilizzabili, raffreddamento più rapido. TI: polimeri reticolati, non rimodellabili, cicli più lenti, controllo temperatura critico per evitare degradazione.
RTM (Resin Transfer Molding): fibre in stampo, resina iniettata sotto pressione, indurimento. FW (Filament Winding): filamenti continui di fibre impregnate di resina avvolti su mandrino rotante, indurimento. Entrambi producono componenti leggeri, resistenti, geometrie complesse.
Limite elastico convenzionale: tensione massima entro cui il materiale si deforma elasticamente. Deformazione a rottura: deformazione totale prima della frattura. Tenacità: energia assorbita fino alla frattura (area sotto curva sigma-epsilon). Sul grafico: limite elastico all'inizio del cedimento plastico, deformazione a rottura all'estremità della curva, tenacità come area sotto curva.
Tre campi: campo elastico (deformazione reversibile, legge di Hooke), campo plastico iniziale (cedimento, deformazione permanente), campo plastico finale fino a rottura (necking e frattura). Fenomeni: reversibilità iniziale, scorrimento dislocazioni, concentrazione di deformazione locale.
Limite elastico convenzionale: tensione al di sopra della quale il materiale presenta deformazione plastica permanente. Necessario per la progettazione: garantisce che sollecitazioni ordinarie non causino deformazioni irreversibili, sicurezza strutturale.
Ceramici: fragili a trazione (bassa deformazione, frattura rapida), più resistenti a compressione. Griffith: frattura controllata da cricche preesistenti, criticità minore sotto compressione. Curve: trazione → picco basso, rottura immediata; compressione → deformazione maggiore, resistenza elevata.
Fragile: rottura senza deformazione plastica significativa (ceramici, vetro, ghise). Duttile: deformazione plastica significativa prima della rottura (acciai, alluminio). Grafici: fragile → curva quasi lineare fino alla frattura; duttile → curva elastica + plastica + necking.
Provini: cilindrici o a nastro, sezione costante, dimensioni standard. Condizioni: carico uniassiale controllato, velocità costante, temperatura controllata. Misure: deformazione (estensometro), tensione (forza/area). Curva sigma-epsilon: campo elastico, cedimento, deformazione plastica, rottura.
Conducibilità termica λ: capacità di un materiale di condurre calore. Flusso di calore generato da differenza di temperatura. Legge di Fourier: q = -λ·(dT/dx), q = flusso termico per unità di area, dT/dx = gradiente di temperatura, λ = conducibilità. Unit: W/m·K.
Meccanismi: conduzione elettronica (nei metalli), conduzione fononica (vibrazione reticolo nei ceramici e polimeri). Influenzano λ: densità elettronica, tipo di legame (metallico forte → alta λ), struttura cristallina, disordini, impurità e difetti.
Metalli: alta conducibilità (elettroni liberi). Ceramici: moderata/bassa, fononi dominanti, legami covalenti/ionici forti. Plastiche: bassa, isolanti, struttura amorfa, pochi elettroni liberi, scarsa trasmissione fononica.
Dilatazione termica: variazione dimensionale di un corpo al variare della temperatura. Relazione lineare: ΔL = α·L0·ΔT, α = coefficiente dilatazione lineare [1/K], L0 = lunghezza iniziale, ΔL = variazione lunghezza, ΔT = variazione temperatura.
Dilatazione: aumento di dimensioni al riscaldamento. Metalli: α moderato, isotropi; ceramici: α basso, fragili, rischio crepe; materie plastiche: α alto, deformazione significativa, rischio instabilità dimensionale.
Shock termico: variazione rapida di temperatura che genera tensioni interne. Sollecitazione: σ = E·α·ΔT, RST = stress massimo sopportabile senza frattura. Materiali fragili (ceramici, vetro) sensibili, metalli duttili meno critici.
Assorbimento: energia trasformata in calore. Trasmissione: passaggio luce. Riflessione: energia respinta. Vetro comune: trasmette visibile, assorbe IR/UV in parte, riflette parzialmente. Influenza comfort termico e illuminazione.
Trasparente: trasmissione chiara (vetro, plexiglass). Opaco: nessuna trasmissione, solo riflessione/assorbimento (alluminio, cemento). Traslucido: trasmissione diffusa (vetro satinato, carta velina).
Fonoassorbente: assorbe energia sonora → riduce riverbero (schiume, pannelli porosi). Fonoisolante: impedisce passaggio suono → separazione ambienti (muri, vetri spessi). Coeff. α = E assorbita / E incidente, 0≤α≤1.
Fonoassorbente: porosità aperta → dissipazione energia sonora interna. Fonoisolante: densità elevata, struttura compatta. Tipologia porosità: micro/macroporosità influenzano frequenza assorbita e efficacia.
Efflorescenze: cristallizzazione sali superficiali per evaporazione acqua, visibili, non danneggiano strutturalmente. Subflorescenze: cristallizzazione interna, generano pressioni, microfessurazioni, degrado materiali porosi (mattoni, calcestruzzo).
Porosità aperta: pori interconnessi, assorbimento acqua, permeabilità, fonoassorbimento. Porosità chiusa: pori isolati, minore permeabilità, migliore isolamento termico, minore resistenza meccanica.
Porosità riduce resistenza a trazione e compressione, limite elastico, tenacità. Aumenta deformazione locale, diminuisce densità, può favorire frattura fragile in materiali ceramici o metallici.
Tipologie: porosità aperta e chiusa. Influenza: riducono densità. Porosità aperta → minore resistenza, più permeabilità, maggiore degrado ambientale. Porosità chiusa → minore resistenza rispetto a materiale pieno ma miglior isolamento e minore assorbimento.
È un legante idraulico ottenuto dalla macinazione del clinker. L'indurimento avviene per idratazione (reazione chimica con l'acqua), che forma prodotti solidi (silicati di calcio idrati) che legano gli inerti. A differenza della calce aerea, può indurire anche in assenza di aria.
Materiali eterogenei formati da due fasi distinte: Matrice (fase continua) e Rinforzo (fase discontinua). La matrice protegge le fibre e trasmette gli sforzi; il rinforzo fornisce rigidezza e resistenza meccanica. Insieme offrono proprietà non raggiungibili dai singoli componenti (sinergia).
La Tg è la temperatura al di sotto della quale un liquido viscoso si 'congela' in uno stato solido amorfo (vetro). Il vetro non ha un punto di fusione netto, è fragile, ha una struttura disordinata a corto raggio e presenta un'elevata resistenza chimica.