SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

Modulo SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

L'obiettivo del corso è quello di introdurre i concetti fondamentali relativi alla struttura dei materiali, alle relazioni struttura-proprietà e alcuni dei più importanti processi tecnologici di trasformazioni. Nel modulo di Scienza e Tecnologia dei Materiali si affronteranno in dettaglio i materiali metallici, focalizzandosi sulle proprietà di interesse ingegneristico per un ingegnere meccanico. Un'introduzione alle recenti tecnologie di manifattura additiva, polimerica e ibrida, sarà fornita nella parte finale del modulo. Lo studente, al termine del corso, dovrà essere in grado di classificare i diversi materiali ingegneristici, le loro proprietà in relazione alla loro struttura e le applicazioni tipiche per ciascun materiale.

Le competenze acquisite sono spendibili nell’ambito della selezione, progettazione e trasformazione dei materiali per applicazioni ingegneristiche, con attenzione alla sostenibilità, all’efficienza energetica e all’innovazione tecnologica, in accordo con gli obiettivi 7, 9, 11, 12 e 13 dell’Agenda 2030 delle Nazioni Unite per lo sviluppo sostenibile

Conoscenza e comprensione

Al termine dell'insegnamento lo studente conoscerà:

• la struttura atomica e cristallina dei materiali;
• le relazioni tra microstruttura, processi produttivi e proprietà meccaniche;
• i principali fenomeni di diffusione, deformazione plastica, rottura e trasformazione di fase;
• le metodologie di caratterizzazione delle proprietà dei materiali;
• i principi fondamentali delle tecnologie di manifattura additiva per componenti metallici e polimerici.

Sarà inoltre in grado di approfondire autonomamente argomenti specialistici mediante la consultazione della letteratura tecnico-scientifica.

Capacità di applicare conoscenza e comprensione

Lo studente sarà in grado di:

• selezionare materiali e processi produttivi in funzione delle specifiche progettuali;
• interpretare le relazioni tra composizione, processo, microstruttura e proprietà;
• applicare metodologie di caratterizzazione e analisi dei materiali;
• proporre soluzioni innovative mediante l'impiego di materiali avanzati e tecnologie di manifattura additiva;
• operare efficacemente all'interno di gruppi multidisciplinari affrontando problematiche di progettazione dei materiali.

Autonomia di giudizio

Attraverso esercitazioni, discussione di casi studio e analisi critica della letteratura scientifica, lo studente svilupperà la capacità di valutare differenti soluzioni tecnologiche, selezionare criticamente materiali e processi produttivi, individuare soluzioni progettuali innovative e motivare le proprie scelte considerando aspetti prestazionali, economici e ambientali.

Abilità comunicative

Lo studente sarà in grado di descrivere con linguaggio tecnico appropriato il comportamento dei materiali, interpretare e presentare risultati sperimentali, discutere problematiche progettuali e confrontarsi efficacemente con specialisti appartenenti a differenti settori dell'ingegneria.

Capacità di apprendimento

Lo studente acquisirà gli strumenti necessari per aggiornare autonomamente le proprie conoscenze attraverso testi specialistici e letteratura scientifica, seguire l'evoluzione delle tecnologie dei materiali e della manifattura additiva e valutare criticamente nuove soluzioni in un'ottica di innovazione e sostenibilità.

L'insegnamento prevede 21 ore di Didattica Erogativa (DE) svolte mediante lezioni frontali, finalizzate all'acquisizione dei fondamenti della Scienza e Tecnologia dei Materiali e alla comprensione delle relazioni tra struttura, processi, proprietà e prestazioni dei materiali.

Successivamente, la Didattica Interattiva (DI) si articola in 39 ore di esercitazioni guidate dedicate all'utilizzo di strumenti di supporto alla selezione dei materiali (ad es. software Ansys Granta EduPack) e alla progressiva elaborazione di un caso studio ingegneristico. Tali attività consentono agli studenti di applicare i criteri di selezione dei materiali, sviluppando capacità di analisi critica, problem solving e supporto alle decisioni progettuali.

Il corso è English friendly: le slide didattiche e parte del materiale di supporto sono disponibili anche in lingua inglese.

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza, potranno essere introdotte le necessarie variazioni rispetto a quanto sopra dichiarato, al fine di rispettare il programma previsto e riportato nel presente syllabus.

Chimica (importante)

Comportamento meccanico dei materiali o Scienza delle costruzioni (importante)

1. Introduzione: richiami ai materiali ingegneristici, classificazione e criteri di selezione.
2. Struttura atomica e legami interatomici: struttura atomica, configurazione elettronica e principali legami chimici.
3. La struttura dei solidi cristallini: reticoli cristallini, celle elementari e sistemi cristallini.
4. Imperfezioni nei solidi: difetti puntiformi, lineari, superficiali e volumetrici.
5. Diffusione: meccanismi diffusivi, leggi della diffusione e applicazioni.
6. Proprietà meccaniche dei metalli: comportamento meccanico, prove di caratterizzazione e principali proprietà.
7. Dislocazioni e meccanismi di indurimento: deformazione plastica, moto delle dislocazioni e principali meccanismi di rinforzo.
8. La rottura: frattura duttile e fragile, fatica e creep.
9. Diagrammi di fase: equilibrio di fase, regola delle fasi e interpretazione dei diagrammi binari.
10. Trasformazioni di fase nei metalli: evoluzione della microstruttura e modificazioni delle proprietà meccaniche.
11. Trattamenti termici delle leghe metalliche: ricottura, normalizzazione, tempra e rinvenimento.
12. Processi di Manifattura Additiva: principi, classificazione delle tecnologie e principali applicazioni.
13. Selezione dei materiali mediante strumenti dedicati e sviluppo di un caso studio ingegneristico: utilizzo di strumenti di supporto alla selezione dei materiali e applicazione dei criteri di selezione dei materiali allo sviluppo di un caso studio.

• Libro di testo 1: Scienza e Ingegneria dei Materali – Una introduzione, W.D. Callister, Ed. John Wiley & Sons, Inc
• Libro di testo 2: Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing, I. Gibson l D. W. Rosen l B. Stucker , Springer

La verifica dell'apprendimento del modulo si articola in due prove scritte in itinere e in un colloquio orale.

Le prove in itinere consistono in 3 domande a risposta aperta sugli argomenti progressivamente trattati durante il corso e sono finalizzate a verificare la comprensione dei contenuti teorici e la capacità di applicarli alla soluzione di problemi di carattere ingegneristico.

Gli studenti che sostengono e superano entrambe le prove in itinere accedono direttamente al colloquio orale, durante il quale è prevista anche la discussione di un caso studio applicativo, finalizzata a valutare la capacità di integrare le conoscenze acquisite e di affrontare criticamente problematiche di selezione dei materiali e dei processi produttivi.

Gli studenti che non sostengono o non superano una o entrambe le prove in itinere sostengono un colloquio orale sull'intero programma del modulo, comprendente anche la discussione del caso studio.

La valutazione terrà conto della conoscenza dei contenuti, della pertinenza delle risposte rispetto alle domande formulate, della capacità di collegare i diversi argomenti del programma, della capacità di applicare le conoscenze a casi ingegneristici, della proprietà del linguaggio tecnico e della chiarezza espositiva.

La verifica dell'apprendimento potrà essere effettuata anche per via telematica, qualora le condizioni lo dovessero richiedere.

A garanzia di pari opportunità e nel rispetto delle leggi vigenti, gli studenti interessati possono chiedere un colloquio personale in modo da programmare eventuali misure compensative e/o dispensative, in base agli obiettivi didattici e alle specifiche esigenze. È possibile rivolgersi anche al docente referente CInAP (Centro per l'Integrazione Attiva e Partecipata – Servizi per le Disabilità e/o i DSA) del proprio Dipartimento (https://www.cinap.unict.it/content/referenti).

• Il Candidato descriva la struttura cristallina dei metalli e il processo di solidificazione.
• Il Candidato descriva i difetti nei solidi cristallini, illustrandone la classificazione e l'influenza sulle proprietà dei materiali.
• Il Candidato descriva il fenomeno della diffusione nei solidi e ne illustri i principali meccanismi.
• Il Candidato descriva i meccanismi di deformazione plastica dei metalli, evidenziando il ruolo delle dislocazioni.
• Il Candidato descriva i principali meccanismi di rinforzo dei metalli, illustrando come influenzano il moto delle dislocazioni.
• Il Candidato descriva i processi di recupero, ricristallizzazione e crescita del grano, discutendone gli effetti sulla microstruttura e sulle proprietà meccaniche.
• Il Candidato descriva il fenomeno del creep nei metalli, discutendone i meccanismi e i principali fattori che ne influenzano il comportamento.
• Il Candidato descriva le trasformazioni di fase e l'evoluzione della microstruttura di un acciaio ipoeutettoide oppure ipereutettoide utilizzando il diagramma Fe-Fe₃C.
• Il Candidato descriva la formazione di perlite, bainite e martensite utilizzando un diagramma T-T-T relativo a un acciaio eutettoide.
• Il Candidato confronti i diagrammi T-T-T e CCT, evidenziandone le principali differenze, e descriva il concetto di temprabilità illustrando la prova Jominy.