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PORTALE DELLA DIDATTICA

Materials for mechanical industries

03GJLNE

A.A. 2018/19

Course Language

Italian

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Mechanical Engineering - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 51
Esercitazioni in aula 6
Esercitazioni in laboratorio 3
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Doglione Roberto - Corso 2 Professore Associato ING-IND/21 51 6 12 0 10
Matteis Paolo - Corso 1 Professore Associato ING-IND/21 51 6 0 0 8
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/21 6 C - Affini o integrative A11
2018/19
L’insegnamento si propone di fornire le conoscenze inerenti ai materiali metallici ed alla loro applicazione nell'industria meccanica più avanzate e complementari rispetto a quelle fornite negli insegnamenti di primo livello degli atenei italiani, in particolare nell'insegnamento di Scienza e tecnologia dei materiali/Tecnologia dei materiali metallici di questo ateneo; si tratta di conoscenze fondamentali nella professione dell’ingegnere meccanico. L'insegnamento pone particolare enfasi sulla comprensione dell’interdipendenza tra la scelta di un materiale metallico e la progettazione del suo ciclo di lavorazione. Poichè la scelta e la progettazione sono in ultima analisi condizionate dalle proprietà desiderate in opera, vengono trattati in particolare i seguenti aspetti inerenti ai materiali metallici e le loro reciproche correlazioni: 1) principi di metallurgia fisica e di termodinamica; 2) processi di fabbricazione, di trattamento termico e meccanico; 3) strutture, microstrutture e loro proprietà; 4) prestazioni in opera (principalmente meccaniche ma anche elettromagnetiche, termiche e in presenza di corrosione).
The module intends to provide more advanced and complementary knowledge of metallic materials and of their application in the mechanical industry, with respect to the basic knowledge offered by the B.Sc. level modules of the Italian Universities, and especially in respect to the module of Science and Technology of Material / Technology of Metallic Materials of this University. This knowledge is fundamental in the mechanical engineer profession. The subject especially emphasizes the understanding of the interdependency between the choice of a metallic material and the design of its production cycle. As both choice and design are eventually conditioned by the required service properties, the following issues concerning the metallic materials, as well as their mutual correlations, are discussed: 1) principles of physical metallurgy and thermodynamics; 2) manufacturing and thermal and mechanical treatment processes; 3) structures, microstructures, and their properties; 4) service performance (mainly mechanical, but also electromagnetic, thermal and in presence of corrosion).
Conoscenze di termodinamica e di teoria delle trasformazioni allo stato solido. Conoscenza dei principi fondamentali delle proprietà meccaniche, in presenza di corrosione, termiche, elettriche e magnetiche dei materiali metallici. Conoscenza delle principali tecnologie di fabbricazione e di trasformazione degli acciai e di altri materiali metallici. Conoscenze specifiche concernenti le seguenti categorie di materiali: acciai saldabili ad alta resistenza, ghise, acciai inossidabili, acciai per utensili, leghe di alluminio, leghe di titanio, altri.
Knowledge of thermodynamics and of solid state transformation theory. Knowledge of the fundamental principles of mechanical, corrosion-related, thermal, electrical and magnetic properties of the metallic materials. Knowledge of the main fabrication and transformation technologies of steels and of other metallic materials. Specific knowledge concerning the following classes of materials: high-strength weldable steels, cast irons, stainless steels, tool steels, aluminum alloys, titanium alloys, other.
Conoscenze di base di fisica, chimica, meccanica strutturale, scienza e tecnologia dei materiali metallici.
Basic knowledge of Physics, Chemistry, Structural mechanics, Science and technology of metallic materials.
Programma (Prof. R. Doglione) Richiami di metallurgia fisica e meccanica dei cristalli. Dislocazioni. Meccanismi di rafforzamento per soluzione solida, incrudimento, bordo di grano, precipitazione e trasformazione martensitica. Fisica e termodinamica della solidificazione. Solidificazione dendritica. Cenni sulle tecnologie di colata in fonderia. Confronto delle caratteristiche ingegneristiche di pezzi prodotti con le diverse tecnologie. Fonderia delle leghe leggere: microstruttura e difetti. Comportamento meccanico in regime elastico e plastico, meccanismi di danno microstrutturale, frattura e fatica. Valori e dispersione statistica delle caratteristiche meccaniche dei getti. Confronto con i semilavorati ottenuti per deformazione plastica o asportazione di truciolo. Leghe di alluminio da fonderia. Tipi, tecnologie di produzione, caratteristiche meccaniche, resistenza alla corrosione, applicazioni specifiche. Leghe di magnesio da fonderia. Tipi, tecnologie di produzione, caratteristiche meccaniche, resistenza alla corrosione, applicazioni specifiche. Nuove leghe di magnesio. Panoramica sui materiali cellulari. Analisi della mesostruttura, caratteristiche meccaniche e fisiche, applicazioni. Schiume metalliche a celle aperte e chiuse. Comportamento elastico e plastico a compressione, effetto della densità. Modelli di comportamento meccanico. Leggi di scala delle proprietà meccaniche. Assorbimento di energia durante l'urto. Metallurgia delle polveri. Processi di produzione dei componenti e sinterizzazione, effetto della porosità e della microstruttura sulle caratteristiche meccaniche. Acciai per componenti prodotti con la metallurgia delle polveri. Acciai per ruote dentate. Sollecitazioni e fenomeni di degrado delle ruote dentate. Scelta degli acciai in base al tipo di applicazione: acciai da bonifica, da tempra superficiale, da cementazione e da nitrurazione. Programma (Prof. P. Matteis) Produzione dei metalli mediante riduzione dei loro ossidi. Tecnologie di produzione dell'acciaio: altoforno, convertitore, acciaieria elettrica, elaborazione dell'acciaio liquido, colata continua, laminazione a caldo. Fasi e trasformazioni allo stato solido negli acciai: il diagramma di stato ferro-carbonio; trasformazioni dell'austenite in ferrite, perlite, martensite e bainite ed effetti degli elementi di lega. Introduzione ai trattamenti termici degli acciai: ricottura subcritica, ricottura ipercritica (e normalizzazione), tempra e rinvenimento. La transizione duttile-fragile negli acciai ferritici. Meccanismi microscopici di frattura (clivaggio, frattura intergranulare, frattura duttile). Saldatura e saldabilità degli acciai. Tecnologie di saldatura. Metallurgia delle polveri: produzione e caratteristiche delle polveri; metodi di pressatura; processi e fenomeni di sinterizzazione; proprietà finali ed applicazioni. Acciai a basso tenore di carbonio: prodotti laminati a caldo o a freddo; ricottura a lotti o continua; invecchiamento; imbutibilità; acciai interstitial free; acciai bake hardening; acciai HSLA; acciai DP; acciai TRIP; acciai martensitici. Acciai a medio tenore di carbonio: acciai per bonifica, temprabilità, aspetti termofisici e meccanici durante la tempra, applicazioni; acciai microlegati (ferritici-perlitici); acciai bainitici. Trattamenti termici e termochimici superficiali degli acciai (tempra a induzione, cementazione, nitrurazione). Acciai perlitici per funi e per rotaie. Acciai per utensili: ruolo dei carburi di elementi di lega; cicli di lavorazione e trattamento termico; classi principali (per stampi per lavorazioni a freddo, per stampi per lavorazioni a caldo, rapidi). Acciai maraging. Principi di corrosione. Acciai inossidabili austenitici, ferritici, martensitici, indurenti per precipitazione e duplex: composizioni e proprietà; effetti degli elementi di lega; formazione ed effetti delle seconde fasi; trattamenti termici. Fenomeni di scorrimento viscoso e di corrosione a secco e leghe per applicazioni ad alta temperatura (acciai, acciai inossidabili, superleghe). Proprietà termiche, elettriche e magnetiche dei materiali metallici; richiami di magnetismo e ferromagnetismo; acciai per applicazioni magnetiche. Ghise: colabilità, effetti degli elementi di lega, classificazione. Ghise bianche. Ghise malleabili (cenni). Ghise grigie lamellari, sferoidali e vermicolari. Ghise austemperate. Leghe di alluminio: caratteristiche generali, rafforzamento per precipitazione, leghe per deformazione plastica, leghe per fonderia. Rame e sue leghe: proprietà, rame commercialmente puro, ottoni, bronzi, leghe rame-berillio. Leghe di titanio: forme cristallografiche, effetti degli elementi di lega, microstrutture, leghe alfa, leghe alfa-beta e leghe beta. Leghe di magnesio e di zinco. Esercitazioni di laboratorio: metallografia ottica e prove di trazione, resilienza, durezza e microdurezza.
Course syllabus (Prof. R. Doglione) Recalls of physical metallurgy and mechanics of crystals. Dislocations. Strengthening mechanisms: solid solution, work hardening, grain boundary, precipitation and martensitic transformation. Physics and thermodynamics of solidification. Dendritic solidification of industrial alloys. Short accounts of casting technology. Comparison of engineering characteristics of components produced by different technologies. Casting of light alloys: microstructure and defects. Mechanical behaviour of the material in elastic and plastic regimes. Mechanisms of microstructural damage, fracture and fatigue. Statistical scattering of the mechanical characteristics of castings. Comparison with components fabricated by wrought alloys. Casting aluminium alloys: chemical compositions, mechanical characteristics, corrosion resistance, casting technology for specific components. Casting magnesium alloys: chemical compositions, mechanical characteristics, corrosion resistance, casting technology for specific components. New magnesium alloys. Overview on cellular materials. Analysis of the mesostructure, physical and mechanical characteristics, applications. Metallic foams, open and closed cell. Elastic and plastic behaviour in compression, effect of the density. Mathematic models of mechanical behaviour. Scaling laws of mechanical characteristics. Energy absorption during impact. Powder metallurgy. Production process of the components and sintering. Effect of porosity and microstructure on mechanical characteristics. Steel for components produced by powder metallurgy. Steels for gears. Stress and degradation phenomena in gears. Choice of the steel according to the specific application: quenched and tempered steels, for surface hardening, for case hardening and nitriding. Course syllabus (Prof. P. Matteis) Production of metals by the reduction of their oxides. Steelmaking technologies: blast furnace, basic oxygen furnace, electric arc furnace, ladle metallurgy, continuous casting, hot rolling. Phases and solid state transformations in steels: the iron-carbon phase diagram; the transformation of austenite into ferrite, pearlite, martensite and bainite and the effects of alloy elements. Steel heat treatments: subcritical annealing, hypercritical annealing (and normalizing), quenching and tempering. The ductile-brittle transition of ferritic steels. Microscopic fracture mechanisms (cleavage, intergranular fracture, ductile fracture) Steel welding and weldability. Welding technologies. Powder metallurgy: powder production and properties; pressing methods; sintering processes and phenomena; final properties and applications. Low carbon steels: hot and cold rolled products; batch or continuous annealing; aging; cold formability; interstial free steels; bake hardening steels; HSLA steels; DP steels; TRIP steels; martensitic steels. Medium carbon steels: quenching and tempering steels, hardenability, thermophysical and mechanical aspects during quenching, and applications; microalloyed (ferritic-pearlitic) steels; bainitic steels. Thermal and thermo-chemical surface treatments of steels (induction hardening, case hardening, nitriding). Pearlitic wire and rail steels. Tool steels: role of alloy carbides; production cycles and heat treatment; main classes (cold work, hot work, high speed). Maraging steels. Elements of corrosion. Austenitic, ferritic, martensitic, precipitation hardening, and duplex stainless steels: compositions and properties; effects of alloy elements; formation and effects of second phases; heat treatments. Creep and high-temperature corrosion phenomena, and high-temperature alloys (steels, stainless steels, superalloys). Thermal, electric and magnetic properties of metallic materials; basic concepts of magnetism and ferromagnetism; steels for magnetic applications. Cast irons: castability; effects of alloy elements, classification. White and malleable cast irons. Lamellar, spheroidal and vermicular grey cast irons. Austempered cast irons. Aluminium alloys: general characteristics, strengthening by precipitation hardening, wrought alloys, casting alloys. Copper and its alloys: properties, commercially pure copper, brasses, bronzes, copper-berillium alloys. Titanium alloys: crystal structures; effects of alloy elements; microstructures; alpha, alpha-beta and beta alloys. Magnesium alloys and zinc alloys. Laboratory exercises: optical metallography and tensile, impact energy, hardness and microhardness testing.
L'apprendimento è basato principalmente sulle dispense distribuite dal docente (per alcune parti) e sugli appunti delle lezioni.
Learning is based mainly on the lecture notes provided by the lecturer - for some parts - and on the students’ own notes.
Testi consigliati e bibliografia (Prof. R. Doglione) I seguenti testi sono consigliati per consultazione: W. Nicodemi, "Metallurgia - Principi generali", Zanichelli W. Nicodemi, "Acciai e leghe non ferrose", Zanichelli ASM Metals Handbook vol.1 decima ed.: "Properties and Selection Irons Steels and High Performance Alloys", 1993 ASM Metals Handbook vol.2 decima ed.: "Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials", 1992 ASM Metals Handbook vol.15 decima ed.:"Casting", 1998 Jan Polmear : "Light Alloys", Butterworth-Heinemann, 2006 H. E. Friedrich, B. L. Mordike: "Magnesium Technology", Springer, 2006 L. J. Gibson, M. F. Ashby: "Cellular solids", Cambridge University Press, 1999 M. F. Ashby e altri: "Metal foams. A design guide", Butterworth-Heinemann, 2000 A lezione sarà distribuito materiale cartaceo di supporto e saranno pubblicate sul portale della didattica dispense su capitoli specifici dell’insegnamento. Testi consigliati e bibliografia (Prof. P. Matteis) I seguenti testi sono consigliati per consultazione: A. Cigada, T. Pastore, "Struttura e proprietà dei materiali metallici", McGraw-Hill G. Krauss, "Steels, Processing, Structure, and Performance", 2nd ed., ASM International F.C. Campbell, "Elements of Metallurgy and Engineering Alloys", ASM International
Reading materials (Prof. Doglione) The following textbooks are recommended for consultation: W. Nicodemi, "Metallurgia - Principi generali", Zanichelli W. Nicodemi, "Acciai e leghe non ferrose", Zanichelli ASM Metals Handbook vol.1, 10th ed.: "Properties and Selection Irons Steels and High Performance Alloys", 1993 ASM Metals Handbook vol.2, 10th ed.: "Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials", 1992 ASM Metals Handbook vol.15, 10th ed.:"Casting", 1998 Jan Polmear : "Light Alloys", Butterworth-Heinemann, 2006 H. E. Friedrich, B. L. Mordike: "Magnesium Technology", Springer, 2006 L. J. Gibson, M. F. Ashby: "Cellular solids", Cambridge University Press, 1999 M. F. Ashby e altri: "Metal foams. A design guide", Butterworth-Heinemann, 2000 Learning material will be distributed during class; further material on specific chapters of the course will be available on line. Reading materials (Prof. P. Matteis) The following textbooks are recommended for consultation: A. Cigada, T. Pastore, "Struttura e proprietà dei materiali metallici", McGraw-Hill G. Krauss, "Steels, Processing, Structure, and Performance", 2nd ed., ASM International F.C. Campbell, "Elements of Metallurgy and Engineering Alloys", ASM International
Modalità di esame: prova scritta;
Criteri, regole e procedure per l'esame (Prof. R. Doglione) Esame scritto di durata di due ore, è costituito da 4-5 domande aperte, ciascuna valutata da 4 a 8 punti secondo la difficoltà. Durante l'esame non possono essere usati testi, dispense, formulari, appunti e dispositivi elettronici di nessun tipo Criteri, regole e procedure per l'esame (Prof. P. Matteis) Esame scritto di durata 1 ora, costituito da 10 domande brevi, valutate fino a 2 punti ciascuna, ed un tema, valutato fino a 10 punti. L'esame è rivolto ad accertare la conoscenza e comprensione di tutti gli argomenti trattati nel corso e delle loro interrelazioni. Durante l'esame non possono essere usati testi, dispense, formulari, appunti e dispositivi elettronici.
Exam: written test;
Assessment and grading criteria (Prof. R Doglione) Written exam, with 2 h duration, consisting of 4-5 questions for open answer, evaluated 4 to 8 points according to the difficulty No textbooks, lecture notes, formularies, and electronic devices can be used during the exam. Assessment and grading criteria (Prof. P. Matteis) Written exam, with 1 h duration, consisting of 10 short questions, evaluated up to 2 points each, and one essay, evaluated up to 10 points. The exam aims to asses the knowledge and understanding of all topics discussed in the course, and of their interrelations. Textbooks, lecture notes, formularies, and electronic devices cannot be used during the exam.


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