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. Poiché 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).

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 categorie di materiali metallici di maggiore rilievo impiegati per l'industria meccanica.

Conoscenze di base di fisica, chimica, meccanica strutturale, scienza e tecnologia dei materiali metallici.

Programma del corso 1 Tecnologie di produzione dell'acciaio: altoforno, convertitore, riduzione diretta, acciaieria elettrica, elaborazione dell'acciaio liquido, colata continua, laminazione a caldo. Fasi e trasformazioni allo stato solido negli acciai (richiami): 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. Acciai a basso tenore di carbonio: prodotti laminati a caldo o a freddo; acciai HSLA; ricottura a lotti o continua; invecchiamento; imbutibilità; acciai bake hardening; acciai DP; acciai TRIP; acciai Q&P; 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 rotaie e per funi. Acciai per utensili: ruolo dei carburi; cicli di lavorazione e trattamento termico; classi principali (per stampi per lavorazioni a freddo, per stampi per lavorazioni a caldo, rapidi). Acciai per cuscinetti. Principi di corrosione. Acciai inossidabili austenitici, ferritici, martensitici 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 magnetiche dei materiali metallici; richiami di magnetismo e ferromagnetismo; materiali per applicazioni magnetiche: acciai dolci per lamierini magnetici, leghe dure per magneti permanenti. Ghise: colabilità, effetti degli elementi di lega, classificazione. Ghise grigie: elaborazione del metallo liquido, forme della grafite (lamellare, sferoidale, vermicolare), trattamenti termici, microstrutture e proprietà. Leghe di alluminio: caratteristiche generali, rafforzamento per precipitazione, leghe per deformazione plastica (2000, 5000, 6000 e 7000), resistenza alla corrosione. Leghe di alluminio 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 (cenni). Esercitazioni di laboratorio: metallografia ottica ed elettronica; prove di microdurezza; prova Jominy; frattografia elettronica. Programma del corso 2 MECCANICA DELLE DISLOCAZIONI NEI CRISTALLI METALLICI. Campi tensionali ed energia delle dislocazioni. Forze d'interazione. Sistemi di scorrimento nei cristalli CCC, CFC ed EC. Legge di Schmid. Tensione critica risolta nel sistema di scorrimento CRSS., confronto fra i metalli. Metalli monocristallini e policristallini, legge di Taylor. RAFFORZAMENTO PER INCRUDIMENTO. Foreste di dislocazioni, organizzazione in celle. Ricottura di distensione. Recovery, ricristallizzazione, crescita del grano. Esempi tecnologici dell'incrudimento: lamine in leghe di Al-Mg, fili in acciai al carbonio ed acciai inossidabili. RAFFORZAMENTO PER SOLUZIONE SOLIDA. Interazione solvente-soluto. Atmosfere di Cottrell, fenomeno dello snervamento. Invecchiamento per deformazione, invecchiamento dinamico ed effetto Portevin-Le Chatelier. Esempi applicativi: leghe di Al-Mn e Al-Mg, acciai dolci da stampaggio e strutturali. RAFFORZAMENTO PER PRECIPITAZIONE. Meccanica dei materiali multifase. Caratteristiche cristallografiche dei precipitati. Scelta dei sistemi solvente-soluto, poi solubilizzazione, tempra, invecchiamento. Evoluzione dei precipitati e fattori che ostacolano il passaggio delle dislocazioni. Taglio o aggiramento dei precipitati: leggi di Friedel e di Orowan. Panoramica delle leghe di alluminio rafforzate per precipitazione. Cenni sugli acciai microlegati, acciai Maraging ed acciai inossidabili indurenti per precipitazione. RAFFORZAMENTO PER BORDO DI GRANO. Derivazione della legge di Hall-Petch in base alla Meccanica delle Dislocazioni. Comportamento meccanico a cristalli estremamente piccoli. RAFFORZAMENTO PER TRASFORMAZIONE MARTENSITICA. Legge di Koistinen e Marburger. Morfologie e rafforzamento della Lath Martensite e della Plate Martensite. Effetto del C ed elementi leganti. Rinvenimento della martensite. I cinque stadi del rinvenimento. Fasi e caratteristiche meccaniche. VARIAZIONI DIMENSIONALI, DISTORSIONI E CRICCHE DURANTE I TRATTAMENTI TERMICI. Deformazioni termiche e per trasformazione di fase. Densità delle fasi nei sistemi ferrosi. Tensioni residue durante il trattamento di tempra martensitica. Confronto fra acciai al C ed acciai legati. Cricche di tempra: effetti della trasformazione di fase e della geometria dei componenti. Tempre isotermiche. Contromisure per evitare le cricche di tempra. Stima empirica del rischio di cricche di tempra. ACCIAI PER MOLLE. Caratteristiche d'impiego e resistenza a fatica. Acciai per molle non legati, patentati e trafilati a freddo. Effetto delle dimensioni dei fili sulle caratteristiche meccaniche. Acciai al C e legati da bonifica per molle. Qualità superficiale e caratteristiche meccaniche. ACCIAI PER RUOTE DENTATE. Caratteristiche di esercizio, fatica a flessione e fatica di contatto. Gradi di qualità delle norme ISO. Danneggiamento per pitting e micropitting, contromisure. Acciai da bonifica per ruote dentate. Tensioni residue e incrudimento superficiale. Legge di Morrow. Prescrizioni qualitative della norma ISO 6336-5. Il ruolo delle inclusioni. Acciai per tempra superficiale per ruote dentate. Acciai da cementazione per ruote dentate. Trattamenti termici e loro varianti. Problemi di austenite residua e distorsioni. Acciai da nitrurazione per ruote dentate. Confronto fra cementazione e nitrurazione. Vantaggi applicativi. FISICA DELLA SOLIDIFICAZIONE DEI CRISTALLI METALLICI. Disomogeneità composizionali nella solidificazione di leghe metalliche. Crescita dendritica dei cristalli. Microstruttura dei getti. Ritiro di solidificazione. DIFETTI NEI GETTI. Porosità da ritiro. Porosità da idrogeno e aria intrappolata. Film di ossido, strappi a caldo, difetti superficiali. PROPRIETÀ MECCANICHE DEI GETTI. Sviluppo del danno microstrutturale in plasticità. Parametri stereologici: diametro equivalente, fattore di forma, DAS. Microstruttura e proprietà meccaniche di leghe multifase da getto. Approccio di Weibull alle caratteristiche meccaniche. Resistenza a fatica dei getti. Teoria di Murakami. LEGHE DI ALLUMINIO DA FONDERIA. Effetto del Si. Struttura di solidificazione. Inoculazione, eutettico modificato. Leghe binarie Al-Si: composizione, proprietà d'impiego, applicazioni. Leghe Al-Si-Mg: composizione, proprietà d'impiego, applicazioni. Leghe Al-Si-Cu: composizione, proprietà d'impiego, applicazioni. ACCIAI STRUTTURALI PER CARPENTERIA METALLICA. Meccanismi di rafforzamento applicabili. Resistenza degli acciai strutturali. Tenacità e resilienza. Saldabilità. Condizioni di applicazione ed esempi applicativi.

L'apprendimento è basato principalmente sulle dispense distribuite dai docenti e sugli appunti delle lezioni.

I seguenti testi sono consigliati per consultazione per il corso 1: 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 I seguenti testi sono consigliati per consultazione per il corso 2: W. Nicodemi: “Metallurgia. Principi generali”, Zanichelli, 2007 W. Nicodemi: “Acciai e leghe non ferrose”, Zanichelli, 2008 ASM Handbook vol.1: "Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys", 1990 ASM Handbook vol.2: "Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials", 1990 ASM Handbook vol.2A: "Aluminum Science and Technology", 2018 ASM Handbook vol.2B: "Properties and Selection of Aluminum Alloys", 2019 ASM Handbook vol.4D: "Heat Treating of Irons and Steels", 2014 ASM Handbook vol.15: "Casting", 2008 Jan Polmear et al.: "Light Alloys, Metallurgy of the Light Metals", Elsevier, 2017 G. Dieter: “Mechanical Metallurgy”, McGraw-Hill, 1988 R. Abbaschian, R, Reed-Hill: “Physical Metallurgy Principles”, Cengage Learning, 2008.

Dispense;

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

Exam: Written test; Computer-based written test in class using POLITO platform;

... Criteri, regole e procedure per l'esame del corso 1 Prova scritta in aula tramite PC, con l'utilizzo della piattaforma di ateneo, di durata 1 ora, costituita 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 la 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. Criteri, regole e procedure per l'esame del corso 2 Prova scritta in aula di durata 2 ore, costituita da 3 domande aperte, ciascuna valutata fino a 10 punti. Durante l'esame non possono essere usati testi, dispense, formulari, appunti e dispositivi elettronici.

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.