SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

Crediti: 
9
Settore scientifico disciplinare: 
SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI (ING-IND/22)
Anno accademico di offerta: 
2017/2018
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Conoscenze e capacità di comprendere:
Al termine del corso lo studente avrà integrato la sua conoscenza delle discipline chimiche di base con gli aspetti applicativi tipici dell'ingegneria civile; avrà una panoramica completa dei materiali da costruzione in relazione alla loro composizione chimica, alla loro struttura e alle caratteristiche di impiego. Avrà una conoscenza di base sulle prestazioni dei materiali in opera e sul mix design.

Competenze:
Alla fine del percorso di studio lo studente avrà sviluppato la capacità di scegliere il materiale migliore per le applicazioni desiderate. Sarà in grado di prevedere trattamenti chimici e fisici da mettere in atto sui materiali per modificane la struttura per migliorarne le proprietà. Sarà in grado anche di mettere in atto gli accorgimenti opportuni per prolungare la vita del materiale. Lo studente sarà inoltre in grado di prevedere i controlli da eseguire per verificare che i materiali utilizzati rispondano alle caratteristiche desiderate.

Autonomia di giudizio:
Al superamento dell’esame lo studente dovrebbe aver sviluppato la capacità di valutare criticamente i dati analitici del comportamento meccanico di un materiale per prevederne il comportamento in opera, così come la capacità di interpretare i dati dei controlli di accettazione di un materiale da utilizzare.

Capacità comunicative:
Al superamento dell’esame lo studente dovrebbe aver maturato una sufficiente proprietà di linguaggio, quanto meno per quanto attiene la terminologia tecnica e chimica specifica dell’insegnamento.

Capacità di apprendimento:
Le attività seminariali finali hanno lo scopo di introdurre lo studente ai più recenti sviluppi in termini di ricerca nel campo della scienza dei materiali applicati all'ingegneria civile: lo studente dovrebbe aver maturato le conoscenze e competenze di base della disciplina per affrontare, in futuro, un approfondimento autonomo di tali aspetti.

Prerequisiti

E' indispensabile la conoscenza della Chimica generale ed inorganica e delle nozioni fondamentali di Chimica organica.
Il corso di CHIMICA è propedeutico.

Contenuti dell'insegnamento

Argomenti teorici: 
- Classi di materiali di interesse tecnologico e loro proprietà caratterizzanti (proprietà meccaniche, termiche, elettriche e relative misure).
- Relazioni tra microstruttura e proprietà (difetti nei cristalli, soluzioni solide).
- Richiami su equilibri eterogenei e diagrammi di stato.
- Materiali leganti: calce aerea e gesso; calci idrauliche naturali e artificiali; cementi silico-basici (Portland, di miscela: pozzolanico e d'alto forno, Portland speciali: ferrico e bianco): principi produttivi, meccanismi di presa ed indurimento; cemento alluminoso; saggi tecnici sui cementi.
- Conglomerati cementizi: inerti; malte e calcestruzzi: proprietà e prove sul calcestruzzo fresco (lavorabilità, bleeding). Reoplasticità. Additivi per calcestruzzo. Calcestruzzi leggeri: porosi e cellulari. Conglomerati fibrorinforzati, conglomerati con fly-ash, silica fume, e polimero impregnati. Proprietà del calcestruzzo indurito: ritiro, scorrimento viscoso (fluage), resistenza meccanica. Proporzionamento del calcestruzzo o mix-design. Trattamenti igro-termici dei conglomerati cementizi. Degradazione dei conglomerati cementizi.
- Materiali ceramici: ceramici per l'edilizia (laterizi, grés e porcellane).
- Materie plastiche: polimerizzazione e struttura del polimeri (polietilene, polipropilene, PVC, PMMA, resine poliestere, fenoliche, poliammidiche, epossidiche, poliuretani, siliconi, elastomeri); proprietà; lavorazione; applicazioni nell'edilizia moderna. Meccanismi di degrado.
- Materiali compositi: produzione, proprietà e utilizzi nel settore dell'ingegneria civile.
- Materiali metallici. Leghe ferrose: ghise, acciai semplici e legati (da carpenteria, inossidabili, da utensili). Diagramma di stato ferro-carbonio. Trattamenti termici dell'acciaio (tempra,ricottura, normalizzazione).
- Fenomeni di corrosione nei metalli. Metodi protettivi contro la corrosione.
- Materiali Vetrosi
- Legno

Esercitazioni:
- Calcolo delle composizioni e delle quantità delle fasi in un diagramma di stato.
- Mix design.

Programma esteso

Introduzione al corso. Introduzione ai materiali oggetto di studio ed alla necessità di valutarne le proprietà. Proprietà dei materiali metallici, polimerici, ceramici in relazione alla struttura ed ai tipi di legame. Cenni sui materiali compositi. Legame ionico e covalente. Legame metallico. Legami secondari. Proprietà dei materiali alla luce della natura dei legami. Struttura dei metalli. Reticolo spaziale e celle unitarie. Sistemi cristallini e reticoli di Bravais. Reticoli cubici ed esagonale. Fattori di impaccamento atomico. Indici di Miller. Confronto tra reticolo CFC e EC. Polimorfismo ed allotropia. Cenni di diffrazione a raggi X. Materiali amorfi. Solidificazione ed imperfezioni. Solidificazione omogenea ed eterogenea. Energie coinvolte nella solidificazione omogenea. Crescita dei cristalli. Grani. Soluzioni solide sostituzionali ed interstiziali. DIfetti di punto: vacanze ed atomi interstiziali. Il C nel reticolo del Fe: ruolo di APF e forme dei vuoti. Difetti di linea: dislocazioni. Vettore di Burgers. Moto delle dislocazioni nella deformazione plastica. Moto delle dislocazioni: analogie. Deformazione plastica e ruolo delle dislocazioni. Incrudimento. Bordi di grano. Bordi di geminati. Dimensione del grano. Proprietà meccaniche. Reazione meccanica di un materiale alla sollecitazione: deformazione plastica, elastica e rottura.Forze statiche e dinamiche. Prove di resistenza meccanica: prova a trazione; sforzi e deformazioni nominal; grafico sforzo/deformazione; modulo elastico, di taglio e di Poisson; duttilità e sue misure; sforzo a rottura e strizione. Sforzo e deformazioni reali. Esempi di prove di trazione per diversi materiali. Comportamento a frattura. Frattura duttile e fragile. Tenacità. Frattura in presenza di difetti. Prova di resilienza. Temperatura di transizione duttile/fragile. Durezza e prove di durezza. Comportamento a fatica. Prove di fatica. Creep dei metalli e prove di creep. Proprieta termiche: conducibilità, capacità termica, dilatazione lineare e volumica; temperature di transizione. Conducibilità elettrica: legge di Ohm. Metallurgia primaria e secondaria. Produzione della ghisa e dell'acciaio. Altoforno. Siderurgia primaria e secondaria. Lavorazioni dei materiali metallici. Meccanismi di rafforzamento. Incrudimento ed effetto della temperatura. Controllo della dimensione del grano. Rafforzamento per soluzione solida. Effetto degli elementi di lega. Cenni sulla corrosione umida e secca. Potenziali di riduzione. Passività. Forme di corrosione: assotigliamento, pitting, tensocorrosione e corrosione selettiva. Corrosione del ferro in ambiente umido. Diagrammi di Pourbaix. Cenno sulle curve di polarizzazione. Metodi di protezione dalla corrosione: verniciatura; zincatura; anodizzazione; protezione catodica. Cenni sulla progettazione e modifica dell'ambiente per ridurre la corrosione. Diagrammi di stato: microstrutture di equilibrio. Diagrammi di stato binari: miscibilità completa allo stato liquido e solido. Determinazione del numero delle fasi, della loro composizione ed abbondanza relativa. Diagramma di stato Cu/Ni. Diagramma di stato di completa miscibilità allo stato liquido e completa o parziale immiscibilità allo stato solido. Trasformazioni eutettica e peritettica. Esempi di lettura dei diagrammi. Cenni sui diagrammi di stato ternari. Introduzione al diagramma di stato Fe/C. Diagramma di equilibrio. Diagramma di stato Fe/Fe3C. Punti notevoli. Perlite e ledeburite. Punti critici.Ae, Ac ed Ar. Diagramma semplificato. Trasformazioni durante il raffreddamento per acciai eutettoidico, ipo- ed iper-eutettoidico. Acciai ed influenza degli elementi di lega sull'eutettoide.
Ghise. Ghise bianche e grigie. Ghise malleabili e speciali.Microstrutture non di equilibrio. Trattamenti termici e proprietà meccaniche. Martensite. Curve TTT e CCT. Tempra, rinvenimento, ricottura e ricristallizzazione.Classificazione degli acciai. Designazione degli acciai secondo UNI EN 10027 ed AISI. Elementi alfogeni e gammogeni. Acciai per calcestruzzo armato. Acciaio per calcestruzzo armato precompresso. Acciai inossidabili. Diagramma di Schaeffler. Acciai inossidabili austenitici. Acciai Cor-Ten. Leganti: definizioni e classificazioni. Leganti aerei ed idraulici. Il gesso. Preparazione. Presa e velocità di presa. Proprietà e tipi di gesso. Calce aerea. Spegnimento con eccesso d'acqua ed acqua stechiometrica. Classificazione dei leganti idraulici.Calci idrauliche. Pozzolana. Pozzolane artificiali (ceneri volanti, fumi di silice, loppa d'altoforno) e naturali (pozzolana, terre di diatomee, cocciopesto). Cemento. Cemento Portland e ciclo di produzione. Fabbricazione del clinker. Macinazione e miscelazione. Cottura del clinker e trasformazioni chimiche durante la cottura. Composizione del clinker e finezza. Chimica del Portland. Moduli. Tipi di cemento e classi di resistenza. Determinazione della presa e dell'espansività. Requisiti chimici e prove chimiche. Cemento ferrico e cemento bianco. Idratazione del cemento Portland. Presa ed indurimento. Il ruolo del gesso. Tonalità termica delle reazioni di idratazione. Struttura del gel C-S-H. Idratazione del Portland: sviluppo nel tempo e sviluppo della resistenza. Aggiunte minerali e differenze dal Portland. Cemento pozzolanico e d'altoforno. Ruolo della calce. Porosità. Segregazione. Acqua nei pori. Relazioni di Powers. Resistenza e permeabilità. Gli aggregati o inerti. Forme e proprietà particellari. Umidità. Porosità ed assorbimento. Densità. Aggregati leggeri. Analisi granulometrica. Curva di distribuzione. Curva di Fuller e Bolomey. Confronto tra distribuzioni ideali. Diametro massimo dell'aggregato. Acqua d'impasto. Additivi. Riduttori d'acqua e superfluidificanti. Acceleranti e ritardanti di presa. Acceleranti di indurimento.
Additivi aeranti. Requisiti del calcestruzzo fresco. Misura della lavorabilità. Abbassamento del cono e prova di Vébé. Classi di consistenza. Fattori che influenzano la lavorabilità. Lavorabilità richiesta e regola di Lyse. Segregazione e bleeding. Proprietà del calcestruzzo indurito. Zona di transizione. Acqua e legge di Abrams. Resistenza a compressione. Stagionatura e stagionatura a vapore. Altri fattori che la influenzano. Proprietà meccaniche. Prova di compressione. Analisi statistica dei test di compressione. Normativa. Classi di resistenza. Deformazioni dipendenti dal carico: scorrimento viscoso. Deformazioni non dipendenti dal carico: ritiro plastico ed igrometrico e variazioni di origine termica. Degrado del calcestruzzo. Formazione di ghiaccio. Attacco solfatico. Reazioni alcalo-aggregati. Acque dilavanti. Prevenzione e classi di resistenza. Ruolo delle armature. Prescrizioni sul calcestruzzo. Mix design. Calcolo di a/c, acqua d'impasto, cemento, aria e aggregati. Esercizi. Calcestruzzi speciali. Calcestruzzi leggeri, ad alte prestazioni ed autocompattanti. Lavorabilità del calcestruzzo SCC. Cenni su altri tipi di calcestruzzi speciali. Esempi.Introduzione ai materiali ceramici. Materie prime. Produzione. Caratteristiche chimiche dei ceramici che ne determinano le proprietà. Preparazione dell'impasto. Formatura. Essiccamento. Cottura e trasformazioni che avvengono durante la cottura.Classificazione dei materiali ceramici. Laterizi. Materiali polimerici. termoplastici e termoindurenti. Elastomeri. Reazione di polimerizzazione radicalica: poliaddizione. Polimerizzazione per policondensazione: esempio dei nylon 6,6. Peso molecolare medio, numerale e ponderale. Dispersione dei pesi molecolari. Grado di polimerizzazione. Copolimeri (statistici, alternati, a blocchi, a innesto). Struttura delle macromolecole: costituzione, configurazione, conformazione. Caso del polipropilene. Cristallinità. Elastomeri termoplastici: copolimero polistirene/butadiene. Transizioni con la temperatura. Temperatura di fusione e di transizione vetrosa. Proprietà meccaniche. Meccanismi di deformazione. Comportamento viscoelastico. Comportamento a trazione. Proprietà meccaniche dei polimeri termoplastici: effetti della temperatura. Snervamento e rottura. Cenni sulle proprietà dei polimeri termoindurenti. Elastomeri reticolati. Tecnologie di lavorazione. Termoformatura; stampaggio per estrusione, iniezione ed estrusione soffiaggio. Principali classi di polimeri. Proprietà ottiche, termiche ed elettriche. PE; PVC; PP; PS; PC; PMMA; PU, poliesteri e poliammidiche anche aromatiche ed applicazioni in edilizia. Polimeri espansi. Materiali compositi. Polimeri fibrorinforzati (FRP) con esempi ed applicazioni. Fibre di vetro, di carbonio e di kevlar.
Materiali vetrosi per l'edilizia. Struttura, produzione, principali tipi di vetro, proprietà meccaniche, termiche, ottiche ed acustiche. Degrado dei vetri. Vetri di sicurezza. Fibre di vetro.
Legno. Struttura, resistenza meccanica, deformazioni, degrado e prevenzione. Pannelli di legno. Legno lamellare

Bibliografia

Testo consigliato:

FRANCO BISCEGLIE
Progetto CREATE – SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI
Corso di Laurea in INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALE
McGraw-Hill

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Metodi didattici

Il corso si articola in una serie di lezione frontali avvalendosi della proiezione di lucidi
Al termine del corso sono organizzati seminari di approfondimento di alcune tematiche affrontate nel corso. Compatibilmente con la disponibilità delle aziende del settore, saranno organizzate visite presso stabilimenti di produzione ed analisi dei materiali da costruzione.

Modalità verifica apprendimento

La verifica della preparazione consiste in una prova scritta propedeutica alla prova orale a discrezione dello studente.

Per lo studente che decidesse di sostenere la prova orale, la votazione finale dipenderà da entrambe le parti.
La verifica sarà così pesata:

Verifica scritta:
40% così suddiviso:
Domande teoriche
Corretta analisi dei dati sperimentali
Chiarezza nell’esposizione dei risultati
Esercizi (mix design/diagrammi di stato)

Verifica orale:
60% così suddiviso:
Domande teoriche
Proprietà di esposizione

Altre informazioni

E’ vivamente consigliata la frequenza del corso.