TECNOLOGIA DEI MATERIALI ETECNOLOGIA DEI MATERIALI E CHIMICA APPLICATA I (TMCA I)

Anno Accademico 2008/09Anno Accademico 2008/09

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TMCA I bisTMCA I bis

Ing. Vincenzo Esposito

Email: TMCA1VE@gmail.com

Ricevimento

Lun: 15:00-17:00

Testo di riferimento:

“Scienza e ingegneria dei materiali una introduzione”

W.D. Callister, Jr.

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MATERIALIMATERIALI

• Cosa sono• Rapporto tra:

– innovazione tecnologica e materialiinnovazione tecnologica e materiali– ingegnere e materiali

M t i li tt i• Materiali e progettazione• Criteri di scelta

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DefinizioniDefinizioni

• MATERIA: tutto ciò che ha proprietà intrinseca di avere massadi avere massa.

• MATERIALE: è una “qualità” di materia solida adatta all’impiego per una determinataadatta all impiego per una determinata costruzione.

• SOSTANZA: è una “qualità” di materia solida con composizione chimica ben definita.

La maggior parte dei materiali è costituita da un insieme di più sostanze.

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Approccio ai materialiApproccio ai materiali

IInnovazione nella progettazione e nella costruzione: materiali innovativi ocostruzione: materiali innovativi o tradizionali, ma utilizzati in modo innovativo od in nuove applicazioniinnovativo od in nuove applicazioni.

Ricerca e Sviluppo: materiali dotati di i tà i li i i tt i t i li iproprietà migliori rispetto ai metriali in uso.

Affinamento delle proprietà dei materiali in 5relazione all’applicazione tecnologica

Approccio ai materialil’ingegnere progettista usa i materiali (tradizionali modificati nuovi) per

Approccio ai materialil’ingegnere progettista usa i materiali (tradizionali, modificati, nuovi) per

progettare e creare nuovi prodotti e nuove strutture.

Ingegneri meccanici → materiali per alte temperature in grado di far lavorareIngegneri meccanici → materiali per alte temperature in grado di far lavorare motori a più alte temperature, per innalzare il rendimento termico.

Ingegneri elettronici → materiali per dispositivi più veloci, in grado di trasmettere o immagazzinare una maggiore quantità di dati e anche capaci di resistere a più elevate temperature.

Ingegneri aerospaziali → miglioramento del rapporto resistenza/pesoIngegneri aerospaziali → miglioramento del rapporto resistenza/peso.

Ingegneri chimici → materiali più resistenti alla corrosione.

Ingegneri civili/edili → materiali con proprietà strutturali e funzionali (materiali intelligenti), materiali più resistenti alla corrosione, con un migliore rapporto resistenza/peso, migliore durabilità del calcestruzzo.

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Criteri di progettazione

Scelta di un materialenon può prescindere da tecnologia in usonon può prescindere da tecnologia in uso,

impatto ambientale, costo ed estetica

Criteri di scelta si fondano su C te d sce ta s o da o suproprietà dei materiali, relazioni tra struttura

e proprietà Tecnologie e metodi die proprietà. Tecnologie e metodi di lavorazione.

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Costo dei materiali deve essere proporzionato al livello tecnologico dell’applicazioneg pp

Il costo dei materiali dipende da:Domanda offertaCosto dell’energiaPurezza e qualitàRelazione costo/prestazioneAlligazioneDisponibilità delle risorseDi d d i f it iDipendenza da paesi fornitori

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Giraviteesempi

Giravitemodulo elastico

- lama ⇒ acciaio ad alto C limite di snervamentoo legato durezza

t ità f tttenacità a frattura lavorabilità

- manico ⇒ materia plastica esteticamanico ⇒ materia plastica estetica (PMMA) leggerezza

costoT bi iTurbina avio

modulo elasticolimite di snervamentolimite di snervamento

- Girante ⇒ Titanio tenacità a frattura fatica - erosionecorrosione- densità

- Palette ⇒ Superleghe scorrimento a caldodi Ni ossidazione a caldo

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esempi

Candela per motore a combustionefatica termica

- elettrodi ⇒ tungsteno erosione - corrosioneossidazione a caldo

resistività elettricaresistività elettrica- corpo ⇒ Al2O3 fatica termica

ossidazione a caldocorrosione

Imbarcazione da diportolavorabilità

- Scafo ⇒ GFRP densitàcorrosionecorrosione

estetica- Albero ⇒ alluminio rapporto peso/resistenza- Cime ⇒ polietilene proprietà meccaniche

costo- Vele ⇒ terylene/nylon resistenza meccanica

densità-costo

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Le tre classi di materiali: metalliLe tre classi di materiali: metalli, ceramici e polimerici con alcune

11combinazioni (materiali compositi)

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TABLE 1.3.a Typical alloy prices (UK£/tonne)----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Aluminium ingots 99,5% purity 87099,8% purity 91099,99% purity 1580Magnesium ingot99,8% purity 2170LM4 (SAE 326) aluminium decasting alloy 945(3 Cu-0. 15 Mg-5 Si-0.8 Fe-0.4 Mn)LM10 (SAE 324) aluminium-magnesium casting alloy 1650(0.1 Cu-10 Mg-0.25 Si-0.3 Fe)----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------TABLE 1.3.b Comparison of typical basis metal and alloy costs (UK£/tonne)----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Mild steel 2109% Nickel steel 600Ni k l 24 0Nickel 2470Copper wire bars 930Brass bar (65/35) 820Zinc 530----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------TABLE 1.3.c Typical aluminium alloy costs (UK£/tonne)----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5083 Al - 4,5 Mg 18452024 Al 4 5 C 1 5 M 2375

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2024 Al - 4,5 Cu-1,5 Mg 23757075 Al- 5 Zn - 3Cu - 1,5 Mg 2420---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

• DISPONIBILITA’ DELLE RISORSE• Tabella 1.4 Ripartizione dei principali elementi nella crosta terrestre, gli oceani e l’atmosfera• ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------• Crosta continentale Oceani Atmosfera• (1 km) • Massa ≅ 1018 t Massa ≅ 1017 t Massa ≅ 1016 t • (% peso) (% peso) (% peso)( p ) ( p ) ( p )• ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------• O2 47 O2 85 N2 79• Si 27 H2 10 O2 19 • Al 8 Cl 2 Ar 2 • Fe 5 Na 1 • Ca 4• Na 3 • K 3 • Mg 2• Ti 0,4• -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------• Dipende dalla : consistenza quantitativa e dalla localizzazione• Abbondanti• Risorse •• Scarse •• Diffuse (es. Al, Fe)•• Risorse

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• Concentrate (es. C, giacimenti di petrolio e carbone) •

• Critical materials: World mine production and reserve base. • -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------• Material Mine production Reserve base• -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------• Antimony (shorts tons) 62.400 5.000.000• Asbestos (thousand metric tons) 4.000 104.000( )• Aluminium (thousand metric tons of Bauxite) 75.800 22.400.000• Bismuth (thousand pounds of bismuth content) 6.700 222.000• Cadmium (metric tons cadmium content) 17.100 795.000• Chromium (thousand short tons chromite) 9.700 3.700.000( )• Cobalt (short tons cobalt content) 33.150 3.400.000 • Copper (thousand metric tons copper content) 7.780 511.000• Diamond (million carat) 28 870• Lead (thousand metric tons) 3.450 146.000 ( )• Manganese (thousand short tons) 23.000 5.400.000• Mercury ( ....pound flasks) 89.500 4.410.000• Nickel (thousand short tons of Nickel) 576.000 1.800.000• Platinum (troy onces) .400.000 1.200.000.000( y )• Tantalum (pounds metal content) 910.000 48.000.000• Tin (metric tons metal content) 238.000 10.000.000• Titanium (thousand short tons of ...menite and Rutile) 4.930 947.000• Tungsten (thousand pounds tungsten content) 94.200 6.400.000g ( p g )• Zinc (thousand metric ton zinc) 6.160 243.000• ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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• ACCESSIBILITA’ DELLE RISORSE• Dipende da :p• - aspetti naturali: configurazione e accessibilità del territorio ;• - aspetti tecnici e tecnologici: tecnologie di estrazione ;• - aspetti politici e sociali: il prezzo viene imposto dai paesi consumatori• attraverso delle multinazionali ;;• - aspetti ambientali: per alcune attività di estrazione e di deposito sono• da prevedere alterazioni irreversibili del territorio.• Tabella 1.6 Dipendenza delle importazioni dei materiali grezzi dalle zone di estrazione• --------------------------------------------------------------------------------------------------------------• % dei consumi

EEC USA Japan

• ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------• Alluminio 61 85 100

R 90 14 94• Rame 90 14 94• Cromo 100 91 98• Cobalto 100 98 100 • Ferro 79 36 99

Pi b 76 13 78• Piombo 76 13 78• Nichel 100 70 100• Manganes 100 98 98• Stagno 87 83 98

Tit i 100• Titanio 100 • Tungsteno 99 52• Zinco 91 57 74

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• ALCUNE MISURE PER CONTRASTARE IL• DEPAUPERAMENTO DELLE RISORSE

• - Miglioramento della progettazione• - Sostituzione• - Riciclaggio • RIUSO = riutilizzo diretto del bene:• RIUSO = riutilizzo diretto del bene:• - con la stessa funzione (comp.edili,• contenitori, bancali,....);• - con altra funzione (serramenti,• scaffalature )• scaffalature,....)•

RICICLO = riutilizzo del materiale:• - con le stesse prestazioni (metalli,• vetro,...);vetro,...);• - con minori prestazioni (materie• plastiche, legno, carta,...) • Prodotto dismesso• (fuori uso)(fuori uso)• RECUPERO = recupero di materiale • o energia tramite trasformazione:• - termica (rsu rdf);• - chimica (rsu compost);chimica (rsu compost);• - biologica (fanghi biogas).•

SMALTIMENTO = Eliminazione dal • circuito:

18• - discarica inerti;• - discarica rifiuti non pericolosi;• - discarica rifiuti pericolosi.

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In Italia:

RICICLO SCARTO EDILI

• La valorizzazione degli scarti edili è stata a lungo trascurata in Italia.• Le cause:

elevata disponibilità di aggregati;• -- elevata disponibilità di aggregati;• -- basso costo di conferimento in discarica;• -- disattenta politica ambientale;• -- presunto comportamento inerte dei rifiuti;• -- relativa lunghezza del ciclo di vita dell’edificio e dei suoi

componenti.

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FuturoTENDENZE FUTURE NELL’USO DEI MATERIALI

• Materiali -nuove leghe: a base di Ni per alte temperature,• metallici leggere per aeronautica;• -nuove tecnologie di produzione: pressatura-nuove tecnologie di produzione: pressatura• isostatica, monocristalli,crescita monodirezionale,• solidificazione rapida.• Materie -riduzione del tasso di crescita dei consumi• plastiche per le plastiche comuni;• -sviluppo delle plastiche strutturali e delle leghe• polimeriche.• Materiali -riduzione del tasso di crescita dei consumi diMateriali riduzione del tasso di crescita dei consumi di• ceramici ceramici tradizionali;• -forte sviluppo dei ceramici avanzati, sia per• impieghi strutturali che funzionali.• Materiali -forte tasso di crescita per i compositi a matrice• compositi polimerica specialmente nel settore aeronautico;• - progressiva introduzione nel mercato di compositi• a matrice metallica e ceramica

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a matrice metallica e ceramica.•