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Scienza e tecnologia dei materiali/Tecnologia dei materiali metallici

01NKZLN

A.A. 2020/21

2019/20

Scienza e tecnologia dei materiali/Tecnologia dei materiali metallici (Scienza e tecnologia dei materiali)

L’insegnamento si propone di fornire una cultura ingegneristica di base sui materiali, con particolare enfasi alle correlazioni esistenti tra struttura, microstruttura e prestazione del materiale, sottolineando quindi le potenzialità di progettazione con materiali tradizionali ed innovativi, attraverso un controllo delle loro caratteristiche microstrutturali. La trattazione è pertanto finalizzata alla comprensione di come le proprietà di un materiale possano significativamente condizionare la fase di scelta, nell'ambito del processo progettuale di un sistema complesso. Accanto agli approfondimenti teorici, si dedica spazio ad esempi illustrativi, che consentano allo studente di riflettere su come tali proprietà costituiscano una informazione indispensabile per l'adozione di una corretta procedura di selezione e progettazione, anche in considerazione delle modalità disponibili per la loro modifica: particolare enfasi è quindi posta sui concetti tipici della tecnologia dei materiali, di spiccata utilità ingegneristica, mantenendo un legame logico ed esplicativo con gli aspetti di base della scienza dei materiali. Particolare attenzione è rivolta ai materiali metallici fondamentali nella professione dell’ingegnere meccanico, la cui illustrazione impegnerà gli studenti per circa metà dell’insegnamento: verranno trattati gli acciai comuni e legati, le ghise e le procedure per risalire alle loro microstrutture e proprietà anche in relazione ai trattamenti termici massivi e superficiali ai quali questi possono essere assoggettati. I trattamenti di tempra ed invecchiamento delle leghe di Al e Mg sia per deformazione plastica, sia per fonderia verranno descritti e spiegati. Cenni sulle necessità anticorrosione condurranno alla trattazione degli acciai inossidabili e delle leghe di Cu.

Scienza e tecnologia dei materiali/Tecnologia dei materiali metallici (Tecnologia dei materiali metallici)

Il modulo si propone di fornire una cultura ingegneristica di base sui materiali metallici, con particolare enfasi sui materiali metallici maggiormente usati negli autoveicoli e sulle correlazioni esistenti tra struttura, microstruttura e prestazione del materiale. Verranno trattati acciai, ghise, leghe di alluminio per deformazione plastica e per fonderia, rame e sue leghe, leghe di magnesio e leghe di zinco.

Scienza e tecnologia dei materiali/Tecnologia dei materiali metallici (Scienza e tecnologia dei materiali)

The module on Materials Science and Technology is aimed at supply the student with an engineering background on materials, emphasizing the relationships among materials structure, microstructure and performances and, as a consequence, the potentialities of engineering design able to exploit traditional and innovative materials through the tailoring of their microstructure. A deep understanding of the property-limited selection and design is therefore the main objective of this course. Near the analysis of the science that lies behind, some specific case studies will be exploited to allow the student to understand how properties can affect materials selection and processing. In this way, science-led and design-led approaches to materials teaching will be synergically combined to offer the information that will be needed to achieve a deep knowledge and to enable successful material selection. The module on Technology of Metallic Materials aims to firmly establish fundamentals of metals behaviour especially in respect to their load carrying capacity as influenced by composition, microstructure, thermal and mechanical processing. It comprises half of the course. Attention is devoted to steels and cast irons and their heat-treating procedures aiming to both bulk heat-treating and surface heat and thermo¬-chemical treatments. The quenching and ageing processes of Al and Mg alloys are fully described. A description of applications of selected classes of steels, Al, Mg, and Cu alloys is offered aiming to guide users to material selection in design and to quality appraisal in procurement. Corrosion environment requirements will lead to stainless steels and Cu alloys description.

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The module aims to provide a basic engineering culture on metallic materials, with particular emphasis on the metallic materials most commonly used in motor vehicles and on the correlations between structure, microstructure and material performance. Steel, cast iron, wrought and cast aluminum alloys, copper and its alloys, magnesium alloys and zinc alloys will be treated.

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L’insegnamento si propone l'obiettivo generale di fornire allo studente una formazione di base sui materiali capace di coniugare sinergicamente aspetti scientifici ad aspetti tecnologici, fornendo linee-guida per la traduzione di conoscenze di base in strumenti sfruttabili nella progettazione. Quindi al termine dell'insegnamento si chiederà allo studente di: - conoscere la dipendenza delle proprietà macroscopiche dei materiali da aspetti di livello atomico e microstrutturale ; - conoscere la possibilità di applicare queste conoscenze di base al controllo delle proprietà del materiale, per rendere più adatte alla specifica applicazione; - avere consapevolezza dell'importanza della selezione dei materiali in modo che essi rispondano adeguatamente ai requisiti di progetto; - conoscere la terminologia internazionale, in particolare quella inglese per poter interpretare gli standard normativi - conoscenza ed interpretazione del diagramma di stato Fe-C stabile e metastabile; - conoscenza dei trattamenti termici e termochimici e previsione delle caratteristiche meccaniche degli acciai dopo trattamento; - abilità di confronto fra le prestazioni di acciai, ghise, leghe di Al, Mg, Cu, anche dopo trattamento termico; - conoscenza di base della corrosione e delle leghe resistenti ad essa; - conoscenza dei metodi di analisi della microstruttura delle leghe metalliche e delle prove meccaniche sui materiali;

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Conoscenza dei principi generali della metallurgia delle leghe ferrose. Conoscenza delle caratteristiche salienti delle principali leghe di uso ingegneristico, ed in particolare delle seguenti leghe di uso comune nella costruzione di autoveicoli: acciai saldabili ed imbutibili; acciai a medio tenore di carbonio; acciai ad alto tenore di carbonio e per usi speciali; acciai inossidabili; ghise grigie per applicazioni meccaniche; leghe di alluminio per deformazione plastica; leghe di alluminio per fonderia; rame e sue leghe, leghe di magnesio, leghe di zinco.

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The main aim of the Materials Science and Technology module is to supply the student with a robust background on materials, able to couple scientific and technological knowledge in a synergic way, providing general guidelines for translating scientific knowledge into technological tools for engineering design. The student should then: - know the chemical and atomic nature of the materials and the strong dependence of the macroscopic features and properties on it; - know how to exploit this scientific background in controlling the material properties up to the tailoring of material features for a specific application; - be conscious of the role of material selection in matching design requirements; - know a basic English vocabulary on Materials Science and Technology; - knowledge and understanding of the Fe-C stable and metastabile phase diagrams; - knowledge of bulk and surface heat-treatments as well as ability to foresee their mechanical properties after heat-treatment; - to know how to compare performances of steels, cast irons, Al, Mg, and Cu alloys; - basic knowledge of corrosion and corrosion-resistant alloys; - to know how to analyse metal microstructure and to perform mechanical properties tests.

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Knowledge of the general principles of ferrous alloy metallurgy. Knowledge of the salient features of the main alloys for engineering use, and in particular of the following alloys commonly used in the construction of motor vehicles: weldable and deep-drawing steels; medium carbon steels; high carbon and special purpose steels; stainless steels; gray cast irons for mechanical applications; aluminum alloys for plastic deformation; foundry aluminum alloys; copper and its alloys, magnesium alloys, zinc alloys.

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Lo studente deve possedere una cultura scientifica solida, con particolare riferimento a conoscenze di base nel settore della Chimica, Fisica, Analisi matematica e Fondamenti di Meccanica Strutturale.

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Lo studente deve possedere conoscenze di base di chimica, fisica e meccanica strutturale.

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The student is required to have a robust, basic knowledge on Chemistry, Physics, Calculus, and Strength of Materials.

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The student is required to have a basic knowledge on chemistry, physics, and strength of materials.

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Il modulo di Scienza e Tecnologia dei Materiali presenta contenuti indispensabili alla formazione dell'Ingegnere, riassumibili nei punti seguenti: Struttura dei materiali cristallini e amorfi; difetti reticolari. Correlazione struttura-comportamento elastico dei materiali. Correlazione struttura-comportamento plastico dei materiali. Correlazione struttura-altre proprietà dei materiali (termiche, elettriche, ottiche). Modificazione delle proprietà dei materiali: costituenti microstrutturali dei materiali (soluzioni solide, fasi intermedie), diagrammi di stato e trasformazioni (fusione/solidificazione, rafforzamento per precipitazione), evoluzione microstrutturale e conseguenze sulle proprietà. Generalità sulle principali classi di materiali non metallici di interesse ingegneristico (ceramici, polimerici, vetri, compositi): cenni alle principali categorie e loro proprietà. Il modulo di Tecnologia dei Materiali Metallici si concentra sulle proprietà e i trattamenti termici e meccanici dei metalli, particolarmente importanti nell’industria meccanica in generale ed automobilistica in particolare. Attenzione particolare sarà dedicata ai meccanismi di rafforzamento per soluzione solida, per incrudimento, per bordo di grano e per precipitazione, ai diagrammi di stato interessanti le leghe ferrose e quelle a base di Al, Mg, Cu ed ai relativi trattamenti termici massivi e superficiali. Le proprietà e le caratteristiche di impiego di particolari acciai, delle ghise e delle leghe di Al e Mg per fonderia e per deformazione plastica verranno compiutamente illustrate. Cenni sulla corrosione delle leghe metalliche condurranno ad una analisi generale degli acciai inossidabili e delle leghe di Cu.

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Elementi di siderurgia. Diagramma di stato Fe-C. Trasformazioni dell'austenite in ferrite, perlite, bainite e martensite. Ricottura subcritica e completa; rinvenimento della martensite. Saldatura e saldabilità degli acciai. Transizione duttile-fragile negli acciai ferritici. Acciai ferritici-perlitici ed HSLA; acciai per imbutitura profonda; acciai DP e TRIP, acciai per stampaggio a caldo di lamiere. Bonifica ed acciai per bonifica. Acciai microlegati a medio carbonio. Tempra superficiale ad induzione; cementazione gassosa; nitrurazione Acciai perlitici per fili. Acciai per cuscinetti. Acciai per stampi per lavorazioni a freddo ed a caldo ed acciai rapidi per utensili. Elementi di corrosione. Principali tipi di acciai inossidabili austenitici e ferritici. Altri tipi di acciai inossidabili. Acciai TWIP. Leghe per alta temperatura ed acciai per valvole. Elementi di magnetismo ed acciai per usi magnetici. Ghise sferoidali ferritiche-perlitiche ed austemperate; altri tipi di ghise. Leghe di alluminio: caratteristiche generali e rafforzamento per precipitazione. Leghe di alluminio per deformazione plastica: caratteristiche generali, leghe delle serie 5000 e 6000. Leghe di alluminio per fonderia. Rame e sue leghe: proprietà elettriche e termiche, principali famiglie, applicazioni. Leghe di magnesio per fonderia e per deformazione plastica. Leghe di zinco per fonderia.

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The main contents of a Materials Science and Technology module for Engineers can be summarised as follows: Structure of crystalline and amorphous materials. Crystal defects. Material structure-elastic behaviour relationships. Material structure-plastic behaviour relationships. Relationships between material structure and other properties (thermal, electrical). Modification of the material properties: microstructural constituents (solid solutions, intermediate phases), phase diagrams and transformations (melting/solidification, precipitation hardening), basic knowledge on thermal treatments, microstructural evolution and consequences on properties. General discussion of the principal classes of the engineering materials (metals, ceramics, polymers, glasses): mentions to the main types and to their properties. The module on Technology of Metallic Materials focuses on properties and heat and mechanical treatment of metals, especially important in the mechanical industries and, in particular, in automotive fabrication. Attention will be devoted to solid solution, strain hardening, grain boundaries, and precipitation strengthening mechanisms, as well as to phase diagrams of Fe, Al, Mg, Cu alloys as a basis for the illustration of their massive and surface heat treatments. Properties of selected classes of steels, cast irons and of Al and Mg alloys for foundry and plastic deformation will be completely examined. Basics of metal corrosion will be given to illustrate stainless steels and Cu alloys behaviour and use in technology.

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Elements of ironmaking and steelmaking. Fe-C phase diagram. Austenite transformations in ferrite, pearlite, bainite and martensite. Subcritical and full annealing; tempering of martensite. Welding and weldability of steels. Ductile-brittle transition in ferritic steels. Ferritic-pearlitic and HSLA steels; deep drawing steels; DP and TRIP steels, hot stamping steels. Quenching and tempering process and steel grades. Medium carbon micro-alloyed steels. Induction surface hardening; gas carburizing; nitriding Pearlitic wire steels. Bearing steels. Tool steels for cold and hot working molds and high speed tool steels. Elements of corrosion. Main types of austenitic and ferritic stainless steels. Other types of stainless steels. TWIP steels. High temperature alloys and valve steels. Elements of magnetism and steels for magnetic uses. Ferritic-pearlitic and austempered spheroidal cast iron; other types of cast irons. Aluminum alloys: general characteristics and precipitation strenghtening. Aluminum alloys for plastic deformation: general characteristics, 5000-series and 6000-series alloys. Cast aluminum alloys. Copper and its alloys: electrical and thermal properties, main families, applications. Cast and wrought magnesium alloys. Cast zinc alloys.

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Le esercitazioni intendono costituire per gli allievi un momento di revisione dei concetti appresi mediante applicazioni ed esercizi di calcolo. I laboratori costituiscono un introduzione alla misura delle proprietà meccaniche ed alla comprensione delle strutture metallografiche.

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Si svolgeranno lezioni in aula ed esercitazioni in laboratorio (metallografia).

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Exercises on some of the topics will be carried out in order to revise and consolidate the ability and knowledge of the students . Laboratory experiences on mechanical properties and metallographic structures observations are foreseen.

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Classroom lectures and laboratory exercises (metallography) will be held.

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Per il modulo di Scienza e Tecnologia dei Materiali, sono elencati alcuni libri di riferimento. Il docente indicherà di volta in volta l'opportuna bibliografia. W. D. Callister, Materials Science and Engineering an Introduction, Wiley&Sons M. Ashby, H. Shercliff, D. Cebon, 'Materiali. Dalla scienza alla progettazione ingegneristici' Casa Editrice Ambrosiana (2009) W.F. Smith, 'Scienza e Tecnologia dei Materiali' McGraw-Hill (2004) J.F. Shackelford 'Scienza e Ingegneria dei Materiali', Pearson-Paravia (2009). Per il modulo di Tecnologia dei Materiali Metallici si farà ampio riferimento a A. Burdese, Manuale di Metallurgia e Tecnologia dei materiali metallici, Ed. UTET Torino Su specifici argomenti i docenti forniranno opportune dispense, Testi ausiliari: Qualsiasi testo di metallurgia generale e fisica

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Si consiglia di usare prioritariamente le dispense fornite dal docente. Si consigliano Inoltre i seguenti testi: - M. Cavallini, V. Di Cocco, F. Iacoviello, “Materiali Metallici” (testo digitale ad accesso libero) - M. Boniardi, A. Casaroli, “Metallurgia degli acciai - parte prima” (o "Steel metallurgy - volume I“) (testo digitale ad accesso libero) - F.C. Campbell, "Elements of Metallurgy and Engineering Alloys”, ASM International, 2008 (testo digitale accessibile tramite la biblioteca del Politecnico) - W. Nicodemi, “Acciai e leghe non ferrose”, Zanichelli, 2012 - S. Barella, A. Gruttadauria, "Metallurgia e Materiali Non Metallici. Teoria ed Esercizi svolti", Esculapio, 2017

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Some reference books for Materials Science and Technology module are below listed. The teacher will suggest the proper bibliography. M. Ashby, H. Shercliff, D. Cebon, Materials, Engineering, science, processing and design, Elsevier (2007) W.F. Smith, Foundations of Materials Science and Engineering, McGraw-Hill (2004) J.F. Shackelford, Introduction to Materials Science for Engineers, Pearson-Prentice Hall (2009) For the Technology of Metallic Materials module, ample reference will be suggested to: A. Burdese, Manuale di Metallurgia e Tecnologia dei materiali metallici, Ed. UTET Torino On specific subjects the teacher will issue proper documentation. Further readings: every book of general or physical metallurgy

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It is recommended to use the lecture notes as a priority. The following texts are also recommended: - M. Cavallini, V. Di Cocco, F. Iacoviello, "Materiali Metallici" (digital text with free access) - M. Boniardi, A. Casaroli, "Metallurgia degli acciai - parte prima" (or "Steel metallurgy - volume I") (digital text with free access) - F.C. Campbell, "Elements of Metallurgy and Engineering Alloys", ASM International, 2008 (digital text accessible through the library of the Polytechnic) - W. Nicodemi, "Acciai e leghe non ferrose", Zanichelli, 2012 - S. Barella, A. Gruttadauria, "Metallurgia e Materiali Non Metallici. Teoria ed Esercizi svolti", Esculapio, 2017

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula);

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Modalità di esame: Prova scritta (in aula);

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Per quel che concerne i contenuti del modulo di Scienza e Tecnologia dei Materiali, essi saranno verificati con una prova scritta con domande aperte ed esercizi di calcolo su tutti gli argomenti trattati durante l’insegnamento, che possono essere riassunti come: - correlazione delle proprietà macroscopiche dei materiali con la struttura atomica e la microstruttura; - controllo delle proprietà del materiale, per renderle più adatte ad una specifica applicazione; - selezione dei materiali in modo che essi rispondano adeguatamente ai requisiti di progetto; - terminologia internazionale, in particolare quella inglese, degli standard normativi. La durata dello scritto è di circa 2 ore (4-6 domande). Per quel che concerne i contenuti del modulo di Tecnologia dei Materiali Metallici l’esame è scritto con durata di circa 45 minuti; esso sarà costituito di domande aperte o a risposta multipla su tutti gli argomenti trattati durante l’insegnamento, che possono essere riassunti come: - il diagramma di stato Fe-C stabile e metastabile; - i trattamenti termici e termochimici e le caratteristiche meccaniche degli acciai dopo differenti trattamenti; - confronto delle prestazioni di acciai, ghise e leghe di Al, Mg e Cu, anche dopo trattamento termico; - fondamenti sulla corrosione e leghe resistenti ad essa; - i metodi di analisi della microstruttura delle leghe metalliche e delle prove meccaniche sui materiali. Nella prova d’esame non è consentito l’uso di materiale didattico. A tutti gli studenti è data facoltà di incontrare i docenti per commenti sulla valutazione dell’esame. Il voto finale dell’esame sarà dato dalla media aritmetica delle prove dei due moduli arrotondato per eccesso. Per superare l’esame occorre aver ottenuto un voto sufficiente in entrambi i moduli.

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Si svolgerà un esame è scritto con durata di circa 1 ora, costituito da domande aperte o a risposta multipla su tutti gli argomenti trattati durante l’insegnamento. Nella prova d’esame non è consentito l’uso di materiale didattico. L'esame del modulo di "tecnologia dei materiali metallici" deve essere sostenuto contemporaneamente a quello del modulo di scienza e tecnologia dei materiali.

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Exam: Written test;

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Exam: Written test;

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Concerning the contents of the module of Materials Science and Technology, they will be verified by a written test with open questions and calculation exercises on all the topics covered during the course, summarized as the following: - chemical and atomic nature of the materials and correlation with the macroscopic features and properties; - controlling the material properties up to the tailoring of material features for a specific application; - material selection in matching design requirements; - a basic English vocabulary on Materials Science and Technology; The duration will be about 2 hours (4-6 questions). As it regards the contents of the module of Metallic Materials Technology, written exam will be conducted with a duration of about 45 minutes. The exam consists of open or multiple response questions on all topics covered during the course, summarized as following: - stable and metastable Fe-C phase diagrams; - bulk and surface heat-treatments and mechanical properties after heat-treatments; - performances of steels, cast irons, Al, Mg, and Cu alloys; - corrosion and corrosion-resistant alloys; - microstructural analysis methods for metals and mechanical testing methods for materials After the correction, all students can meet the teachers for information on their evaluation. The final mark will be the arithmetic average of the results of the two modules, rounded up. In order to pass exam it is required to be sufficient in both modules.

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The exam will be written, with a duration of about 1 hour, consisting of open or multiple choice questions on all the topics covered during the teaching. The use of educational material is not permitted in the exam. The exam of the "technology of metallic materials" module must be taken simultaneously with that of the "science and technology of materials" module.



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