Course Syllabus
Obiettivi
L'insegnamento mira a fornire un'ampia conoscenza fondamentale della metallurgia e dei materiali metallici. L'obiettivo di apprendimento è acquisire una comprensione generale di come i fattori chimico-fisici, microstrutturali e tecnologici possono influire sulle proprietà finali di metalli e leghe.
Contenuti sintetici
Gli argomenti del corso possono essere suddivisi in tre blocchi principali.
Il primo blocco comprende i fenomeni chimico-fisici e metallurgici di base che sono coinvolti nello sviluppo di fasi e microstrutture in metalli e leghe, e alcuni metodi di caratterizzazione.
Il secondo blocco comprende esempi di processi tecnologici utilizzati per la sintesi e la trasformazione di materiali metallici e per l'impostazione delle loro proprietà finali.
Il terzo blocco fornisce una panoramica per composizione delle principali classi di materiali metallici, compresa la classificazione, le applicazioni e il ciclo di vita.
Programma esteso
Definizione di metalli e materiali metallici. Descrizione dei reticoli cristallini metallici. Difetti del reticolo (punti difettosi, dislocazioni, bordi di grano, geminazione, difetti di impilamento) riferiti ai materiali metallici.
Alligazione. Soluzioni reali e criteri di Hume-Rothery. Esempi di diagrammi di fase metallici e diagrammi di fase ternari di leghe metalliche.
Sintesi di metalli e fisica di base della solidificazione nei metalli. Panoramica delle tecniche fusorie e di colata.
Fisica delle dislocazioni, sistemi di scorrimento e fenomeni di deformazione plastica. Incrudimento. Sviluppo di tessiture.
Panoramica dei processi di lavorazione dei metalli: laminazione, trafilatura. Processi di ricottura: rinvenimento, ricristallizzazione e crescita di grano.
Effetti della diffusione nei materiali metallici: precipitazione, sviluppo di seconde fasi. Saldatura per diffusione, Metallurgia delle polveri, Carburizzazione di acciai.
Meccanismi di rafforzamento: rafforzamento per soluzione, rafforzamento per dispersione, rafforzamento per precipitazione, invecchiamento.
Geminazione. Trasformazioni martensitiche.
Caratterizzazione microstrutturale: diffrazione dei raggi X, effetti della microstruttura sulla forma dei picchi, metodo di Rietveld, analisi di Williamson-Hall, elementi di analisi delle tessiture; Metallografia: microscopia ottica ed elettronica. EBSD. EDX e tecniche di micro-analisi.
Caratterizzazione meccanica: curve di trazione per materiali metallici. Effetti anelastici. Creep. Prove di durezza.
Panoramica delle leghe leggere (alluminio, titanio, magnesio): produzione, ciclo di vita, composizioni, classificazioni, applicazioni.
Panoramica delle leghe di rame: produzione, ciclo di vita, composizioni, classificazioni, applicazioni.
Panoramica delle leghe ferrose: sistema Fe-C, ghise e acciai. Microstrutture e proprietà degli acciai. Produzione, ciclo di vita, composizioni, classificazioni, applicazioni degli acciai. Trattamenti termici: curve TTT e CCT per gli acciai.
Leghe per oreficeria.
Leghe a memoria di forma.
Metallurgia additiva: Selective Laser Melting.
Prerequisiti
Conoscenze di base di: Analisi matematica, Termodinamica, Chimica generale, Meccanica dei solidi, Strutture cristalline, nozioni base di Diffrazione dei raggi X, Calorimetria.
Modalità didattica
Lezioni frontali.
Esercitazione in aula sul processo produttivo di un manufatto metallico.
Progetto: lavoro di gruppo riguardante materiali metallici innovativi, processi, o la sostenibilità dei processi, comprendente ricerca bibliografica e la discussion di idee per possibili applicazioni o metodi di caratterizzazione. Il progetto è obbligatorio.
Visita ad un laboratorio di ricerca metallurgica.
L'insegnamento verrà erogato in lingua inglese.
Materiale didattico
Le diapositive del corso sono disponibili per gli studenti. Si consiglia la frequenza in aula.
I seguenti libri di testo sono suggeriti come materiale di riferimento che copre i contenuti dell'insegnamento.
Conoscenze generali e tecnologia
A.C. Reardon, Metallurgy for the Non-Metallurgist, 2nd Ed., ASM International, 2011 [easy textbook on metallic materials]
J.C. Warner, D.A. Brandt, Metallurgy Fundamentals, 5th Ed., Goodheart-Willcox, 2009 [easy general overview]
J.T. Black, R.A. Kohser, Materials and Processes in Manufacturing, 10th Ed., John Wiley & Sons, 2008 [overview of technology]
W. D. Callister Jr., Fundamentals of Materials Science and Engineering, 5th Ed., John Wiley & Sons, 2001
Metallurgia fisica
D.A. Porter, K. E. Easterling, Phase transformations in Metals and Alloys, 3rd Ed., Taylor & Francis Group, 2009
G. Gottstein, Physical Foundations of Materials Science, Springer Verlag, 1ˢᵗ Ed., 2004
R. Abbaschian, L. Abbaschian, R.E. Reed-Hill, Physical Metallurgy Principles, 4th Ed., Cengage Learning, 2009
R.E. Smallman, A.H.W. Ngan, Physical Metallurgy and Advanced Materials, 7th Ed., Elsevier, 2007 [Advanced]
R.E. Reed-Hill, Physical Metallurgy Principles, D. Van Nostran Company, 2nd Ed., 1973 [Good, but old]
R.W. Cahn, P. Haasen, Physical Metallurgy. 3 Vols., 4th Ed., North Holland, 1996 [Complete and advanced - for reference]
D.E. Laughlin, K. Hōno, Physical metallurgy 3 Vols, 5th Ed., Elsevier Science, 2014 [Complete and advanced - for reference]
Lavorazione dei metalli e proprietà meccaniche
G.E. Dieter, Mechanical Metallurgy, Metric Edition, McGraw-Hill, 1988
Diffrazione dei raggi X
S.J.L. Billinge,; R.E. Dinnebier, Powder Diffraction: Theory and Practice. Cambridge : Royal Society of Chemistry. 2008
Periodo di erogazione dell'insegnamento
L'insegnamento viene erogato durante il primo semestre.
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Il raggiungimento degli obiettivi formativi sarà valutato in una prova orale.
Agli studenti verrà chiesto di discutere alcuni argomenti tratti dal programma del corso. In particolare, sarà valutata la loro conoscenza della materia e la loro capacità di sfruttare le nozioni acquisite sui meccanismi fondamentali per derivare requisiti tecnici per i materiali metallici nelle applicazioni. A questo scopo, potrà essere chiesto loro di proporre e discutere esempi di composizioni e processi adatti a fornire soluzioni per semplici casi studio.
Verrà loro chiesto anche di discutere il proprio Progetto svolto nel corso.
Orario di ricevimento
Il docente riceve su appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
The teaching aims to provide a broad foundational knowledge of metallurgy and metallic materials. The learning objective is acquiring a general understanding of how chemo-physical, microstructural and technological factors can impact on the final properties of metals and alloys.
Contents
The course topics can be divided into three major blocks.
The first block includes basic chemo-physical and metallurgical phenomena that are involved in the development of phases and microstructures in metals and alloys, and characterisation methods.
The second block comprises examples of technological processes used for the synthesis and transformation of metallic materials, and for the setting of their final properties.
The third block provides an overview of the main metallic material classes by composition, including classification, applications and life cycle.
Detailed program
Definition of metals and metallic materials. Description of metallic lattices. Lattice defects (point defects, dislocations, grain boundaries, twinning, stacking faults) referred to metallic materials.
Alloying. Real solutions and Hume-Rothery criteria. Examples of metallic phase diagrams and ternary phase diagrams of metallic materials.
Metal synthesis and basic solidification physics in metals. Overview of melting and casting techniques.
Dislocation physics, slip systems and plastic deformation phenomena. Strain hardening. Development of textures.
Overview of metalworking processes: roll milling, wire drawing. Annealing processes: recovery, recrystallisation and grain growth.
Effects of diffusion in metallic materials: precipitates, coarsening of second phases. Diffusion bonding, Powder Metallurgy, Carburising of steels.
Strengthening mechanisms: solution hardening, dispersion hardening, precipitation hardening, ageing.
Twinning. Diffusionless martensitic transformations.
Microstructural characterisation: X-ray diffraction, effects of microstructure on peak shape, Rietveld method, Williamson-Hall analysis, Overview of texture analysis; Metallography: light and electron microscopy. EBSD. EDX and micro-analytical techniques.
Mechanical characterisation: tensile curves for metallic materials. Anelastic effects. Creep. Hardness tests.
Overview of light alloys (Aluminium, Titanium, Magnesium): production, life cycle, compositions, classifications, applications.
Overview of copper alloys: production, life cycle, compositions, classifications, applications.
Overview of ferrous alloys: Fe-C system, cast irons and steels. Steel microstructures and properties. Steel production, life cycle, compositions, classifications, applications. Thermal treatments: TTT and CCT curves for steels.
Precious alloys.
Shape Memory Alloys.
Additive manufacturing: Selective Laser Melting.
Prerequisites
Basic knowledge of: Calculus, Thermodynamics, General Chemistry, Solid Mechanics, Crystal Structures, Elements of X-ray Diffraction, Calorimetry.
Teaching form
Taught classes.
Exercise in class about the manufacturing process of a metallic product.
In-course assignment: one group project about innovative metallic materials, processes, or process sustainability, including bibliographic research and discussing ideas for possible applications, or methods of characterisation. The project is mandatory.
Visit to a metallurgy research laboratory.
The teaching will be delivered in English.
Textbook and teaching resource
The course slides are available for the students. Class attendance by the students is recommended.
The following textbooks are suggested as reference material covering the teaching contents.
General knowledge and technology
A.C. Reardon, Metallurgy for the Non-Metallurgist, 2nd Ed., ASM International, 2011 [easy textbook on metallic materials]
J.C. Warner, D.A. Brandt, Metallurgy Fundamentals, 5th Ed., Goodheart-Willcox, 2009 [easy general overview]
J.T. Black, R.A. Kohser, Materials and Processes in Manufacturing, 10th Ed., John Wiley & Sons, 2008 [overview of technology]
W. D. Callister Jr., Fundamentals of Materials Science and Engineering, 5th Ed., John Wiley & Sons, 2001
Physical Metallurgy
D.A. Porter, K. E. Easterling, Phase transformations in Metals and Alloys, 3rd Ed., Taylor & Francis Group, 2009
G. Gottstein, Physical Foundations of Materials Science, Springer Verlag, 1ˢᵗ Ed., 2004
R. Abbaschian, L. Abbaschian, R.E. Reed-Hill, Physical Metallurgy Principles, 4th Ed., Cengage Learning, 2009
R.E. Smallman, A.H.W. Ngan, Physical Metallurgy and Advanced Materials, 7th Ed., Elsevier, 2007 [Advanced]
R.E. Reed-Hill, Physical Metallurgy Principles, D. Van Nostran Company, 2nd Ed., 1973 [Good, but old]
R.W. Cahn, P. Haasen, Physical Metallurgy. 3 Vols., 4th Ed., North Holland, 1996 [Complete and advanced - for reference]
D.E. Laughlin, K. Hōno, Physical metallurgy 3 Vols, 5th Ed., Elsevier Science, 2014 [Complete and advanced - for reference]
Metalworking and mechanical properties
G.E. Dieter, Mechanical Metallurgy, Metric Edition, McGraw-Hill, 1988
X-ray diffraction
S.J.L. Billinge,; R.E. Dinnebier, Powder Diffraction: Theory and Practice. Cambridge : Royal Society of Chemistry. 2008
Semester
The teaching is delivered during the first semester.
Assessment method
The achievement of the learning objective will be assessed in an oral exam.
Students will be asked to elaborate on a few topics drawn from the course programme. In particular, they will be evaluated considering their knowledge of the subject and their capacity to exploit notions about fundamental mechanisms to derive technical requirements for metallic materials in applications. To this purpose, they may be asked to propose and discuss examples of compositions and processes that could provide solutions for simple study cases.
They will also be asked to discuss their own In-course Project.
Office hours
Ad-hoc appointments can be made by contacting the lecturer.
Sustainable Development Goals
Staff
-
Simone Pittaccio
