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Scienza e tecnologia dei materiali/Tecnologia dei materiali metallici
01NKZLN
A.A. 2023/24
Scienza e tecnologia dei materiali/Tecnologia dei materiali metallici (Scienza e tecnologia dei materiali)
Il modulo di Scienza e Tecnologia dei Materiali 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. L'insegnamento riguarda in dettaglio la descrizione dei materiali non metallici, ossia ceramici, polimerici e vetrosi, con cenni ai materiali compositi e si pone come fonte di conoscenza complementare e integrativa alle nozioni fornite nel modulo di Tecnologia dei materiali metallici.
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 processi produttivi, microstrutture e prestazioni del materiale. Verranno perciò trattati i principi generali della metallurgia delle leghe ferrore (acciai e ghise) e delle leghe di alluminio, ivi incluse le fasi, le microstrutture, le trasformazioni allo stato solido, gli effetti degli elementi di lega, i trattamenti termici e termomeccanici e le proprietà conseguenti. Verranno inoltre illustrati i tipi principali di leghe metalliche di uso corrente nell'industria automobilistica, inclusi acciai, ghise e leghe di alluminio per colata e per deformazione plastica.
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 Materials Science and Technology aims to firmly establish fundamentals of non-metallic materials, i.e ceramics, polymers, glasses and composites.
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The module aims to provide a basic engineering culture on metallic materials, with particular emphasis on the metallic materials most used in motor vehicles and on the correlations between production processes, microstructures and performances of the material. Therefore, the general principles of the metallurgy of ferrous alloys (steels and cast irons) and aluminum alloys will be treated, including phases, microstructures, solid-state transformations, effects of alloying elements, thermal and thermomechanical treatments, and ensuing properties. The main types of metal alloys commonly used in the automotive industry will also be described, including steels, cast irons and cast and wrought aluminum alloys.
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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 classificazione dei materiali in base ai loro legami chimici, l’influenza della tipologia di legame sulle proprietà, la struttura dei materiali , l'influenza dei difetti reticolarti sulle proprietà dei materiali. - conoscere la possibilità di applicare queste conoscenze di base al controllo delle proprietà del materiale, per rendere più adatte alla specifica applicazione e ai requisiti di progetto -Conoscere e comprendere le proprietà meccaniche, le proprietà termiche e ottiche dei materiali e la correlazione con la loro struttura. - conoscere la terminologia internazionale, in particolare quella inglese per poter interpretare gli standard normativi - conoscere ed interpretare i principali diagrammi di stato; - conoscere le caratteristiche delle principali classi di materiali non metallici ( vetri, ceramici, polimeri e compositi) , con particolare riferimento a quelli di interesse ingegneristico; conoscenza delle principali proprietà, cenni alle tecnologie produttive e applicazioni - applicare le conoscenze acquisite sulla struttura e sulle proprietà dei materiali per risolvere esercizi pratici relativi a proprietà meccaniche e termiche. - applicare le conoscenze acquisite sulla microstruttura dei materiali, sui diagrammi di stato e sulle trasformazioni da essi descritte per risolvere esercizi semplici di determinazione delle fasi presenti, delle loro composizioni, quantità relative e delle microstrutture su diagrammi di stato binari
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Conoscenza dei principi generali della metallurgia delle leghe ferrose e delle leghe di alluminio. Conoscenza delle caratteristiche salienti delle leghe di maggior rilievo nella costruzione di autoveicoli.
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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). -Modifica 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. Esempi relativi all'utilizzo di tali materiali nel settore dell'Ingegneria dell'Autoveicolo
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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; bonifica. Transizione duttile-fragile negli acciai ferritici. Saldatura e saldabilità degli acciai. 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 gassosa. Acciai perlitici per fili. Acciai per cuscinetti. Acciai per utensili. Elementi di corrosione. Acciai inossidabili austenitici e ferritici. Cenni su altri tipi di acciai inossidabili. Leghe per alta temperatura. 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. Altre leghe (cenni): rame, magnesio, zinco.
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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. Elements of corrosion. Main types of austenitic and ferritic stainless steels. Other types of stainless steels. High temperature alloys and valve steels. Elements of magnetism and steels for magnetic uses. Classification and designation of steels. 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. Analysis methods: microscopic inclusions examination; elemental chemical analysis.
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42.5 ore di lezione in aula + 6 ore di esercitazione + 1.5 ore di laboratorio. -Le lezioni frontali in aula mirano a sviluppare le conoscenze relative alle tipologie di materiali, ai loro legami chimici, alla loro struttura e microstruttura, alle loro proprietà e alle strategie tecnologiche per la produzione di materiali e per la modulazione delle loro proprietà (come descritto in dettaglio nel programma). - Le esercitazioni intendono costituire per gli allievi un momento di revisione dei concetti appresi mediante applicazioni ed esercizi di calcolo, stimolando l’abilità di applicare le conoscenze acquisite nella risoluzione di problemi pratici. - I laboratori costituiscono un introduzione alla misura di alcune proprietà meccaniche ( misura del modulo elastico, test di trazione, prova di durezza) ; gli studenti avranno modo di osservare prove di caratterizzazione in tempo reale sui materiali, consolidando in tal modo i concetti appresi a lezione.
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Si svolgeranno lezioni in aula ed esercitazioni in laboratorio.
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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).
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Si consiglia di usare prioritariamente le dispense fornite dal docente. Si consigliano inoltre i seguenti testi: - 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 textbooks 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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Slides;
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Lecture slides;
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Modalità di esame: Prova scritta (in aula);
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Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova scritta in aula tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo;
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Exam: Written test;
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Exam: Written test; Computer-based written test in class using POLITO platform;
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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, esercizi di calcolo e quiz multiscelta 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 1 ora (circa 15 domande). Il punteggio massimo totale sarà 32 punti, pari a 30L. Per ogni risposta sbagliata nelle domande multiscelta sarà applicata una penalizzazione. Ogni risposta non data vale 0 punti. 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 del modulo di Scienza e Tecnologia dei Materiali e Tecnologia dei Materiali Metallici arrotondato per eccesso. Per superare l’esame occorre aver ottenuto un voto sufficiente in entrambi i moduli.
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L'esame è rivolto ad accertare la conoscenza e comprensione di tutti gli argomenti trattati nell'insegnamento e delle loro interrelazioni. Si svolgerà un esame scritto con durata di 1 ora, costituito da domande aperte su tutti gli argomenti trattati, con ugual peso. Nella prova d’esame non è consentito l’uso di materiale didattico, nè di dispositivi elettronici (ad eccezione del PC usato per accedere all'esame stesso, se richiesto). Le risposte saranno valutate sulla base della correttezza (rispetto allo stato dell'arte) e della completezza (rispetto agli argomenti trattati nel corso).
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Exam: Written test;
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Exam: Written test; Computer-based written test in class using POLITO platform;
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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.