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PORTALE DELLA DIDATTICA

Ingegneria dei materiali

01NGFMZ

A.A. 2022/23

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Dei Materiali Per L'Industria 4.0 - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 68
Esercitazioni in aula 20
Esercitazioni in laboratorio 12
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Vitale Brovarone Chiara Professore Ordinario ING-IND/22 65 18 18 0 6
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/22 10 B - Caratterizzanti Ingegneria dei materiali
2022/23
L'insegnamento si rivolge a tutti coloro che intendono indirizzare le loro pregresse conoscenze di chimica, fisica, scienza e tecnologia dei materiali verso l'ingegneria dei materiali. Questo significa, innanzitutto, saper selezionare il giusto materiale per un preciso utilizzo per la realizzazione di un determinato componente che deve, a sua volta, soddisfare a stringenti richieste progettuali. Per realizzare questo concatenamento l'insegnamento offrirà gli strumenti per poter valutare e prevedere il comportamento dei materiali in esercizio. Lo studente verrà sensibilizzato a curare la capacità propositiva, in modo da poter partecipare attivamente alla fase di progettazione presentando le possibili alternative che i materiali tradizionali ed innovativi sono in grado di offrire.
INTRODUCTION This course is devoted to students who would like to extend their knowledge of chemistry, physics and materials science and technology to materials engineering. The main aim of Materials Engineering is to acquire the ability of selecting the best material to build a component that must meet severe design specifications. In order to address this scope, the course will focus on the tools to assess and forecast the behaviour of materials under operating conditions. Accordingly, this course will mainly follow a design-led approach and will include many study-cases. Students will be also trained to have an active part in the whole design process learning how to present the different features and performances of both traditional and innovative materials.
L'obiettivo è sviluppare nell'allievo l'abilità di trasformare la materia in un materiale impartendo a questo termine una valenza ingegneristica. Identificare gli aspetti critici di un progetto proponendo il giusto materiale. Interagire a monte col progettista affinché progetto e materiale nascano già pensati l' uno per l'altro. Si vogliono inoltre stimolare l’autonomia di giudizio e le capacità di comunicazione tecnica. Quindi al termine dell'insegnamento si chiederà allo studente di: - Avere la capacità di esprimersi usando un appropriato linguaggio scientifico e utilizzando una rigorosa concatenazione logica e critica nei ragionamenti. - Conoscere e comprendere, innanzi tutto, la scienza e la tecnologia dei materiali a livello di Laurea Triennale e acquisire tutti gli approfondimenti relativi che verranno forniti nell'insegnamento - Conoscere e prevedere il comportamento di un materiale in determinate condizioni di esercizio, con particolare attenzione alle sue criticità. - Conoscere e comprendere i diagrammi di stato binari e ternari - Essere in grado di definire obiettivi, funzioni e indici di merito in relazione all'applicazione prevista giustificando la scelta di una classe di materiali rispetto ad un’ altra - Saper identificare ed illustrare le tecniche di caratterizzazione più appropriate per le diverse classi di materiali e l'applicazione prevista - Sapere applicare le conoscenze acquisite all'ingegneria riuscendo ad interpretare un progetto, a coglierne gli aspetti critici e a selezionare il giusto materiale a fronte di una precisa richiesta progettuale; saper dialogare in modo propositivo con il progettista. - Essere in grado di prendere una decisione progettuale in presenza di esigenze contrastanti, riuscendo a motivarla. - Conoscere i valori numerici di riferimento caratteristici dei più importanti materiali relativi alle diverse classi, anche in relazione ai principali casi di riferimento nonché delle relative unità di misura. - Conoscere la terminologia internazionale (inglese).
SKILLS AND KNOWLEDGE TO BE ACQUIRED The objective of the course is to enable students to transform matter in materials for engineering purposes. This means to be able to point out the critical issues of a design and to cooperate with the designers to select the appropriate materials matching the requirements of the component. At the end of this course the student will have acquired the following abilities: - Discuss design issues in a sounding technical language. - Know the advanced elements of the science and material technology provided in the course. - Solid know-how on binary and ternary phase diagrams - Forecast the behavior of materials under operating conditions with particular care to critical conditions. - Ability to define objective, functions and identify criteria indexes based on the specific foreseen application - Understand a design, point out its critical elements and interact with the designer to select the best possible material for the design. - Draw professional technical reports with proper English technical wording. - Manage contrasting design specifications. - Estimate the key characteristic parameter values for the main materials including unit of mesaure.
Ai frequentatori dell'insegnamento viene richiesta una solida cultura scientifica di base, in particolare: Chimica, Fisica, Matematica. Fondamentale la conoscenza delle competenze relativa alla Scienza e Tecnologia dei Materiali (a livello di Laurea Triennale).
REQUIRED KNOWLEDGE Student must have solid knowledge of the fundamental scientific disciplines and of Chemistry, Physics and Mathematics in particular. Besides an in depth knowledge of Science and Material Technology topics provided in three-year university program courses is required.
Introduzione, articolazione dell’orario, regole dell'insegnamento e linguaggio scientifico. 1 h Diagrammi di stato: Diagrammi di stato ternary, trasformazioni invarianti, curve di reazione e di sottrazione e loro lettura al riscaldamento e al raffreddamento. 9h Comportamento elastico: dalla legge della molla alla legge di Hooke, le curve di Condon-Morse e proprietà fisiche collegate, modulo di Young e coefficiente di Poisson. Calcolo del modulo effettivo in caso di deformazione contrastata in una o più direzioni. 4.5 h Rapido ripasso e approfondimenti sulla struttura dei solidi cristallini ed esercizi di calcolo. Anisotropia. 4.5 h Legge di Hooke e Schmid. Difetti reticolari: approfondimenti. Quasi cristalli. Calcolo dell'energia e delle tensioni associate alle dislocazioni. Definizione di grana cristallina secondo il sistema internazionale e le norme ASTM, esercizi di calcolo. 15 h La visione d’insieme: come procedere alla scelta di un materiale per una specifica applicazione integrando le proprietà richieste, i vincoli imposti dalle tecnologie di fabbricazione e gli obiettivi funzionali, di costo e ambientali? L’approccio di Ashby. 4.5 ore La deformazione plastica è sempre indesiderata? E se lo è come possiamo evitarla? Meccanismo di rafforzamento e relativi esercizi di calcolo. Individuazione degli indici di merito per sollecitazioni in campo elastico e plastico. Esercizi di calcolo. 16 h Frattura e tenacità a frattura, valutazione della KIC, transizioni duttile e fragile e sua correlazione con le simmetrie cristalline.6 h Sollecitazioni a fatica nei materiali: meccanismi e leggi di Coffin, Basquin e Goodman-Miner. Come migliorare la resistenza alla sollecitazione a fatica? Esercizi di calcolo 6 h. Meccanismi di diffusione, effetto Kirkendall e sue ricadute nel settore dei nanomateriali. Termodinamica delle trasformazioni: primo ordine, secondo ordine, approfondimento sulla fusione. Come progettare componenti che lavorano in temperatura? Definizione e valutazione del tempo di vita: esempi ed esercizi di calcolo. Sfruttare le proprietà termiche per la progettazione di componenti.11 h Proprietà elettriche e magnetiche: esercizi applicativi. 6h Durante le lezioni del corso parte dell’orario verrà dedicato alle seguenti attività: Introduzione e contestualizzazione delle attività di laboratorio, funzionamento e potenzialità degli strumenti: 3h Attività di laboratorio legate all’osservazione al microscopio elettronico di superfici di frattura, e materiali vari, mappe composizionali e ricostruzioni della topografia superficiale. 2h Attività di laboratorio legate alla microtomografia computerizzata e al suo utilizzo nel settore dei materiali. 2h Attività di laboratorio legata alla produzione di polveri con utilizzo di Spray-Dryer, caratterizzazione di nanoparticelle con DLS: 2 ore Attività di laboratorio legata alla caratterizzazione reologica di materiali: 2 ore Attività di laboratorio legata alla biofabbricazione di scaffold: elettrospinning e stampa 3D: 2 ore Esercitazione su due squadre (metà dei gruppi) per la definizione ed iniziale preparazione dei contenuti della presentazione: 1.5 ore Esercitazione (in gruppi) per la finalizzazione dei contenuti della presentazione e per la sua discussone con la docente: 2 ore
Introduction, timetable, rules and importance of scientific language. 1.5h Ternary diagrams and their use. Examples of ternary diagrams in steel industry. 9h Elastic behavior: springs and Hooke’s Law, Condon-Morse curves and derivable properties. Young Modulus, Poisson Coefficient. Numerical evaluation of Young Modulus under constrained conditions. 6 h Quick review and deepening on crystalline structures and exercises. Anisotropy. 6h Hooke’s and Schmid’s Laws. Defects in solids: deepening. Quasi-crystals. Evaluation of energies and tensions associated to dislocations. Grain size evaluation: standards and exercice. 15 h The big picture: how to proceed with material selection in order to obtain the best combination of properties and considering the constraints related to specific properties, processing and optimising the targets on weight, environment,... Ashby approach. 4,5 ore Is plastic deformation always detrimental? And if so, how can we avoid it? Strenghtening mechanism and numerical exercises. Material indexes and their evaluation under elastic and plastic deformation. Numerical exercise. 16 h Fracture and fracture toughness, KIC evaluation, ductile fragile transition and its correlation with crystalline symmetries. 6 h Repetitive stress and the problem of fatigue: mechanisms, Laws of Coffin, Basquin e Goodman-Miner. How can we improuve resistence to fatigue? Numerical exercise. 6 h. Diffusion mechanisms review, Kirkendall effect and its impact on nanomaterials. Thermodynamic of transformations: first and second order, deepening on melting. Design with temperature constraints. How to cope with creep? Predicting life: examples and numerical exercise. Taking advantages of thermal properties to design specific components. 11 h Electric properties and applications. 9h Electron microscopy of fracture surface, different materials, compositional maps and topographic reconstruction 2h Computed tomography and its use for materials. 2h Synthesis and characterisation of inorganic and organic biomaterials and use of : Spray-Dreyer, laminar flow hoods, liophyliser, gas phisisorption, rotational rheometer, DLS, SEM and EDS. 4 h Scaffold biofabrication with 3D printer and electrospinning: 2 ore
L'insegnamento si articola in lezioni frontali ed esercitazioni numeriche svolte in aula sui vari argomenti trattati. L'insegnamento prevede inoltre esperienze di laboratorio di seguito riportate (suddivisione in 9 squadre): 1) Osservazione al microscopio elettronico di superfici di frattura, e materiali vari, mappe composizionali e ricostruzioni della topografia superficiale. 2) Microtomografia computerizzata e suo utilizzo nel settore dei materiali. 3) Caratterizzazione nanoparticelle con DLS, produzione di polveri mediante processo spray drying 4) Caratterizzazione reologica di materiali 5) Fabbicazione di scaffold 3D con stampante a estrusione e elettrospinning in modalità direct writing Durante il corso verrà proposta un’ attività in gruppi relativa alla preparazione ed esposizione di una relazione/presentazione nella quale gli studenti dovranno: - selezionare un’applicazione di interesse, - individuarne i relativi indici di merito, - definire i materiali più idonei nonché la produzione/caratterizzazione del dispositivo sulla base delle conoscenze pregresse e dei contenuti delle lezioni ed esercitazioni di laboratorio. La valutazione di tale attività contribuirà alla votazione finale dell’esame.
The course foresees lessons and numerical exercises on the different topics. The following different laboratory experience will be carried out (the students will be divided in 9 groups): 1) Electron microscopy of fracture surface, different materials, compositional maps and topographic reconstruction, 2)Computed tomography and its use for materials., 3) Synthesis and characterisation of organic and inorganic biomaterials, DLS and zeta potential, 4) 3D scaffold fabrication with 3D-extrusion printing and direct writing electrospinning, rheological characterisation.
-Michael Ashby, Hugh Shercliff amd David Cebon, Materials Engineering, science, processing and design, Buttherworth-Heinemann -D.R. Askeland The Science and Engineering of Materials, Chapman and Hall -Brisi, Chimica Applicata -Meyers Mechanical Behaviour of materials, Cambridge -I file Pdf delle slide proiettate a lezione ed utilizzate per le esercitazioni di laboratorio verranno caricati sul portale della didattica
-Michael Ashby, Hugh Shercliff amd David Cebon, Materials Engineering, science, processing and design, Buttherworth-Heinemann -J.C. Anderson, K.D. Leaver, R.D. Rawlings, J.M. Alexander: Materials Science, Van Nostrand Reinhold (UK) -D.R. Askeland The Science and Engineering of Materials, Chapman and Hall -Brisi, Chimica Applicata -Meyers Mechanical Behaviour of materials, Cambridge - Pdf file of the used slides will be provided online.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;
Exam: Written test; Compulsory oral exam;
... Breve esame scritto (40', 5 domande) volto all'accertamento delle nozioni di base ritenute indispensabili per l'insegnamento. Si potrà utilizzare solo la calcolatrice. Solo in caso di esito positivo dell'accertamento scritto verrà effettuato un esame orale volto alla valutazione dell’apprendimento di quanto svolto durante l'insegnamento. L'esame prevederà anche lo svolgimento di esercizi analoghi a quelli affrontati durante le esercitazioni numeriche dell'insegnamento e la lettura di un diagramma di stato ternario. La valutazione terrà in considerazione sia le conoscenze apprese che il grado di comprensione delle stesse nonché l'abilità di comunicare e argomentare con il linguaggio tecnico appropriato, esponendo le proprie conoscenze in modo autonomo, sequenziale e critico. La votazione finale sarà basata sulla valutazione della prova scritta (5 punti), l’attività di presentazione svolta durante il corso (10 punti) e sulla prova orale (15 punti). Per gli studenti che non parteciperanno all’attività di preparazione e presentazione dei contenuti relativi agli indici di merito e alle attività di laboratorio, l’accertamento di questi contenuti verrà effettuato in sede di esame (modalità scritta o orale in funzione della numerosità degli studenti iscritti all’appello).
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Written test; Compulsory oral exam;
Short written test (3-4 questions) and if passed, oral examination to assess the acquired know-how, including the laboratory experience. Numerical exercise could be proposed in accordance to the numerical evaluation carried out during the class. The grading will take into account both the level of the acquired know-how as well as the ability of the student to properly communicate and to discuss critically and logically using a scientific language.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
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