I materiali rivestono un ruolo di grande rilievo nella progettazione aerospaziale. Il modulo di Scienza e Tecnologia dei Materiali si propone di fornire una cultura ingegneristica di base sui materiali per applicazioni aeronautiche ed aerospaziali, con particolare enfasi alle correlazioni esistenti tra struttura, microstruttura e prestazione del materiale, sottolineando quindi le potenzialità di progettazione con materiali tradizionali e 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. Il modulo di Metallurgia si propone di rendere note le conoscenze sul comportamento dei materiali metallici allo scopo di indirizzarne la scelta nelle costruzioni meccaniche ed aeronautiche; in particolare vengono esposti i principi fondamentali del comportamento dei materiali metallici in riferimento alle loro caratteristiche meccaniche ed all'influenza esercitata da composizione chimica, struttura, microstruttura, eventuali trattamenti termici e lavorazioni meccaniche. Vengono presi in esame i materiali metallici descrivendo i processi di ottenimento dei componenti meccanici, le proprietà derivate e le applicazioni. Per le leghe metalliche vengono inoltre illustrate le principali classi di acciai, ed i trattamenti termici e termochimici atti a conferire le caratteristiche meccaniche richieste, le leghe di alluminio, di titanio e di magnesio, con i relativi meccanismi di rafforzamento e le modalità di scelta in opera.

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; - conoscere come arrivare a selezionare i materiali in modo che essi rispondano adeguatamente ai requisiti di progetto; - sviluppare un approccio confidente ai materiali; - conoscere la terminologia internazionale, in particolare quella inglese.

Lo studente deve acquisire e possedere una cultura scientifica solida, con particolare riferimento a conoscenze di base nel settore della Chimica e della Fisica.

Modulo di Scienza e Tecnologia dei materiali - Introduzione ai materiali; classificazione dei materiali e dei relativi processi; interazione processo-proprietà. L'approccio strategico: coniugare materiali e progetto. Cenni alla struttura dei solidi e richiami all'energia di coesione. La densità dei materiali. Sollecitazioni; modalità di carico. Le deformazioni. La legge di Hooke e il modulo di Young. Le curve sforzo-deformazione. La dipendenza del modulo elastico da caratteristiche atomiche. Soluzioni consolidate alla progettazione in campo elastico. Introduzione alle proprietà specifiche e al progetto in leggerezza. Definizione dei parametri di resistenza. Energia di deformazione plastica e duttilità. I difetti nei cristalli: dislocazioni e deformazione plastica. Diagrammi di stato e sistemi cristallografici. Deformabilità plastica nei polimeri. Cenno a meccanismi di rafforzamento, con riferimento a metalli e polimeri. Le prove meccaniche sui materiali: valutazione sperimentale delle principali proprietà meccaniche. Le Normative di riferimento. (h. 37.5) La tenacità dei materiali. Prove per la valutazione sperimentale della tenacità. La teoria di Griffith e la concentrazione di sollecitazione: tenacità a frattura. La ricerca del compromesso resistenza-tenacità: metalli, polimeri e compositi. La fatica nei materiali: carichi ciclici, danneggiamento, rottura a fatica. Materiali con e senza limite a fatica. Come migliorare la resistenza a fatica. (h.9) Le proprietà termiche dei materiali: definizione e metodi di misura. Espansione termica e conduttività termica: fenomeni atomici che presiedono al comportamento termico. Come modificare le proprietà termiche. Come progettare sfruttando le proprietà termiche: sensori e attuatori termici; scambiatori di calore; l'isolamento termico; gli ammortizzatori termici. L¿impiego dei materiali in temperatura: temperature di esercizio minima e massima. Lo scorrimento viscoso. Prove e curve di creep. Danneggiamento e rottura da creep. La diffusione nei solidi e il suo ruolo nei meccanismi di creep. (h.7.5) Le proprietà elettriche: definizione e metodi di misura. Materiali conduttori, isolanti e dielettrici. Le proprietà magnetiche: definizione e metodi di misura. Le origini e la manipolazione delle proprietà magnetiche. Materiali, processi e ambiente. Il ciclo di vita dei materiali e cenni alle linee-guida per una progettazione sostenibile. (h.6) Modulo Metallurgia - Le fasi metalliche: Reticoli cristallini di strutture cubiche ed esagonali nei metalli. Soluzioni solide interstiziali e sostituzionali, fasi di Hume-Rothery, Laves ,carburi. Diagrammi di stato: Principi dei diagrammi di stato. Descrizione ed analisi dei diagrammi di stato di importanza pratica di tipo binario. Rafforzamento delle leghe per precipitazione - leghe di alluminio: proprietà meccaniche delle leghe bifasiche: influenza della microstruttura. Rafforzamento delle leghe metalliche per dispersione di fasi secondarie; rafforzamento per precipitazione. Particelle coerenti ed incoerenti. Fenomeni di precipitazione nelle leghe di alluminio: zone di Guinier - Preston e fasi Theta e Theta¿ nelle leghe Al-Cu. Variazione di durezza in funzione del tempo di invecchiamento naturale ed artificiale dopo solubilizzazione. Trattamenti termomeccanici. Classificazione convenzionale e numerica delle leghe di alluminio. Sistema americano di designazione dei trattamenti termici delle leghe di alluminio Leghe di magnesio e di titanio: leghe Elektron Mg-Al, leghe Mg-Al-Zn e Mg-Zn, leghe Mg-Al-Ag. Leghe di Ti. Leghe di Ti alfa, beta,alfa-beta; trattamenti termici. (h. 20) Trattamenti termici degli acciai: trasformazione eutettoidica. Curve di trasformazione isotermica (curve TTT). Trasformazione martensitica, Ms ed Mf. Curve di trasformazione degli acciai per raffreddamento continuo (curve CCT). Influenza dei vari mezzi di raffreddamento sulle microstrutture e le proprietà meccaniche degli acciai dopo trasformazione per raffreddamento continuo: ricottura completa, normalizzazione, tempra in acqua ed in olio. Prova Jominy per determinare la temprabilità degli acciai, effetto degli elementi leganti. Cricche di tempra. Rinvenimento. Fragilità da rinvenimento. Influenza del Mo nell¿attenuare tale fenomeno. Trattamenti termochimici: atmosfere controllate endotermiche ed esotermiche. Pratica dei trattamenti di bonifica: cicli termici completi. Introduzione alla cementazione ed ai trattamenti termici superficiali: influenza della resistenza a fatica ed ad usura. Cementazione: potenziale di carbonio delle atmosfere carburanti. Influenza dell¿ossido di carbonio e del metano sulla cementazione. 1a e 2a legge di Fick. Relazione spessore-tempo di cementazione. Cementazione gassosa ed in plasma. Trattamenti termici dopo cementazione. Nitrurazione: diagramma stabile e metastabile Fe-N. Reazioni ammoniaca-acciaio. Diagramma di Leher di equilibrio tra le fasi nitrurate e le miscele ammoniaca-idrogeno. Strati superficiali e strati di diffusione. Evoluzione nel tempo della profondità di diffusione. Cenni sulla nitrocarburazione. Processi di tempra superficiale per induzione elettromagnetica. Tempra in stazionario ed in progressivo. Acciai per tempra superficiale e loro cicli termici. Acciai comuni e legati: Influenza degli elementi leganti negli acciai: elementi alfogeni ed austenitizzanti. Acciai inossidabili: generalità ed influenza del cromo. Acciai inossidabili ferritici e martensitici al cromo. Acciai austenitici. Acciai strutturali. Acciai ad alto limite di snervamento Elementi di saldatura; saldabilità degli acciai. Considerazioni sulla composizione degli acciai per costruzioni saldate. Acciai marageing; trattamenti termici ed applicazioni. Acciai per utensili per le lavorazioni meccaniche: effetto del cromo, molibdeno, vanadio e tungsteno sulla resistenza al rinvenimento e sull¿indurimento secondario (h 20).

Il corso teorico si avvale di una serie di esercitazioni contenute in un laboratorio virtuale, fruibile on-line all'indirizzo http://didattica.polito.it/pls/portal30/docs/FOLDER/AREA_DOCENTE/SITO_VIRTLAB/INDEX.HTM.

M. Ashby, H. Shercliff, D. Cebon, Materiali. Dalla scienza alla progettazione ingegneristici Casa Editrice Ambrosiana (2009); Edizione italiana a cura di Laura Montanaro, MariaPia Pedeferri, Teodoro Valente.

Modalità di esame: Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;

La verifica delle conoscenze acquisite sarà effettuata attraverso una prova scritta, che consiste in domande puntuali e esercizi, da sostenere senza l’ausilio di materiali/testi/dispense/formulari; la durata orientativa della prova è di un’ora. La prova scritta sarà valutata positiva con una votazione superiore a 18/30, con una votazione massima raggiungibile fino a 30L. Il voto complessivo del corso di Scienza e Tecnologia dei Materiali/Metallurgia è ottenuto attraverso la media pesata delle votazioni acquisite sui singoli moduli.

Modalità di esame: Test informatizzato in laboratorio; Prova scritta tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;

La verifica delle conoscenze acquisite sarà effettuata attraverso una prova scritta informatizzata, che consiste in domande puntuali e esercizi (con punteggi massimi variabili indicati per ogni domanda e penalizzazioni in caso di risposta negativa), da sostenere senza l’ausilio di materiali/testi/dispense/formulari; la durata orientativa della prova è di un’ora. La prova scritta sarà valutata positiva con una votazione superiore a 18/30, con una votazione massima raggiungibile fino a 30L. Il voto complessivo del corso di Scienza e Tecnologia dei Materiali/Metallurgia è ottenuto attraverso la media pesata delle votazioni acquisite sui singoli moduli.