Course Syllabus
Obiettivi
Comprendere le peculiari proprietà dei materiali metallici, e delle leghe, i principali processi che avvengono in esse (nucleazione di difetti, diffusione atomica, trasformazioni di fase) e il ruolo degli elementi metallici nelle applicazioni funzionali, con una attenzione alla relativa scarsità e al loro riciclo. In sintesi, gli studenti acquisiranno:
- Conoscenza e capacità di comprensione della termodinamica e della cinetica che presiedono i processi fisici nei metalli (metallurgia fisica)
- Conoscenza e capacità di comprensione applicate nei processi di sintesi e recupero dei metalli rari nei rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche (RAEE)
- Autonomia di giudizio nell'utilizzo di acuni metalli o di altri nelle principali tecnologie dei prodotti industriali.
- Abilità comunicative nel contesto dei diagrammi di fase che presiedono la progettazione di nuove leghe metalliche, o composti intermetallici.
- Capacità di apprendere nuovi contesti di materiali non trattati nel corso, attraverso la conoscenza delle metodologie termodinamiche del tutto generali che hanno assimilato nelle lezioni.
Contenuti sintetici
Introduzione ai materiali metallici e alle leghe
Metallurgia fisica
Sostenibilità nelle applicazioni dei metalli
Programma esteso
INTRODUZIONE ALLA SCIENZA DEI METALLI
• Elementi di proprietà macroscopiche, strutturali e funzionali
• Leghe e composti intermetallici
• Energia di coesione di metalli semplici
• Stabilità strutturale di metalli semplici
• Energia di coesione nei metalli di transizione
• Stabilità strutturale dei metalli di transizione
• Richiami di termodinamica
• Richiami di termodinamica e cinetica
• Potenziale atomico per le vacanze
METALLURGIA FISICA
• Densità di equilibrio di vacanze e interstiziali
• Dislocazioni I
• Dislocazioni II
• Dislocazioni III
• Dislocazioni IV
• Superfici metalliche
• Interfacce nei metalli
• Fondamenti dei diagrammi di stato
• Energia libera di miscelazione
• Equilibrio tra due fasi
• Sistemi con piena solubilità solida
• Sistemi con gap di miscibilità
• Diagrammi di stato significativi
• Fondamenti della diffusione nei solidi
• Il coefficiente di diffusione
• Potenziali chimici vs concentrazione
• Sistemi di riferimento per la 2° Legge di Fick
• Termodinamica irreversibile e diffusione
• Contributi delle interfacce e della deformazione alla diffusione
• Soluzioni analitiche per l'equazione di diffusione
• Ulteriori soluzioni dell'equazione di diffusione
• Classificazione delle trasformazioni di fase
• Nucleazione omogenea ed eterogenea
• Forma dei nuclei in funzione della deformazione
• Crescita controllata dall'interfaccia
• Crescita controllata dalla diffusione
• Equazione di Avrami e grossolanizzazione
• Trasformazione continua e decomposizione spinodale I
• Decomposizione spinodale II
• Trasformazioni ordine-disordine
• Trasformazioni martensitiche I
• Trasformazioni martensitiche II
• Trasformazioni martensitiche III
SOSTENIBILITÀ NELLE APPLICAZIONI METALLICHE
• Contenuto di metalli nei rifiuti
• Esigenze strategiche di metalli nell'UE
• Tecniche convenzionali di recupero dei metalli
• Elementi di biolisciviazione
• Riciclo dei rifiuti elettronici
• Riciclo dei rifiuti per l'accumulo di energia
Prerequisiti
Elementi di Fisica dello Stato Solido, elementi di Termodinamica e dei diagrammi di fase. Chimica inorganica di base.
Modalità didattica
48 ore di lezioni di un'ora in modalità erogativa in presenza. Non sono previste lezioni in remoto, a meno della possibilità di erogazione sincrona nello stesso orario, nel caso di eventi straordinari che impediscano la partecipazione in presenza.
Materiale didattico
Testo principale: Gregory N. Haidemenopoulos, Physical Metallurgy, CRC Press 2018. Per la parte di sostenibilità: Hong Hocheng et al., Biohydrometallurgical Recycling of Metals from Industrial Wastes, second edition, CRC Press, 2025. Inoltre, tutti i pdf delle presentazioni in powerpoint delle lezioni, inclusive di alcune fonti di approfondimento suggerite, sono caricati sulla pagina e-learning del Corso.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
secondo semestre del primo anno
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame orale, a partire dalla fine del corso, per nove sessioni annuali d'esame: colloquio sugli argomenti svolti a lezione attraverso tre domande. Verranno valutate le competenze acquisite nelle lezioni, come descritte nei pdf delle relative presentazioni messe a disposizione degli studenti, e la capacità di argomentazione dello studente, anche attraveso l'utilizzo di grafici ed equazioni.
Orario di ricevimento
A disposizione degli studenti, tramite richiesta di colloquio, concordata via e-mail.
Sustainable Development Goals
Aims
Understand the peculiar properties of metallic materials and alloys, the main processes that occur in them (nucleation of defects, atomic diffusion, phase transformations) and the role of metallic elements in functional applications, with a focus on their relative scarcity and recycling. In summary, students will acquire:
- Knowledge and understanding of the thermodynamics and kinetics that govern physical processes in metals (physical metallurgy)
- Applying knowledge and understanding to the synthesis and the recovery processes of rare metals in waste electrical and electronic equipment (WEEE)
- Making judgment in the use of some metals or others in the main technologies of the industrial products.
- Communication skills in the context of phase diagrams that govern the design of new metallic alloys, or intermetallic compounds.
- Learning skills of new metallic materials not covered in the course, through the knowledge of the very general thermodynamic methodologies that they have assimilated in the lessons.
Contents
Introduction to metallic materials and alloys
Physical metallurgy
Sustainability in metal applications
Detailed program
INTROUCTION TO METAL SCIENCE
• Elements of macroscopic, structural and functional properties
• Alloys and intermetallic compounds
• Cohesion energy of simple metals
• Structural stability of simple metals
• Cohesion energy in transition metals
• Structural stability of transition metals
• Refresh of thermodynamics
• Refresh of thermodynamics and kinetics
• Embedded atom potential for vacancies
PHYSICAL METALLURGY
• Equilibrium density of vacancies and interstitials
• Dislocations I
• Dislocations II
• Dislocations III
• Dislocations IV
• Metal surfaces
• Interfaces in metals
• Basics of phase diagrams
• Free energy of mixing
• Equilibrium between two phases
• Systems with full solid solubility
• Systems with a miscibility gap
• Notable phase diagrams
• Basics of diffusion in solids
• The diffusion coefficient
• Chemical potentials vs concentration
• Reference frames for the 2nd Fick law
• Irreversible thermodynamics and diffusion
• Contributions of interfaces and strain to diffusion
• Analytical solutions for diffusion equation
• More solution of diffusion equation
• Classification of phase transformations
• Homogeneous and heterogeneous nucleation
• Shape of nuclei depending on strain
• Interface-controlled growth
• Diffusion-controlled growth
• Avrami equation and coarsening
• Continuous transf. and spinodal decomposition I
• Spinodal decomposition II
• Order-disorder transformations
• Martensitic transformations I
• Martensitic transformations II
• Martensitic transformations III
SUSTAINABILITY IN METAL APPLICATIONS
• Metal content in wastes
• Strategic metal needs of EU
• Conventional metal recovery techniques
• Elements of bioleaching
• Recycling electronic waste
• Recycling energy-storage waste
Prerequisites
Elements of Solid State Physics, elements of Thermodynamics and phase diagrams. Basic inorganic chemistry.
Teaching form
48 hours of one-hour lessons in erogative modality in presence. No remote lessons will be envisaged, but for extraordinary cases of syncronous erogation at the same time, in case rare external events, hindering the partecipation in presence.
Textbook and teaching resource
Main text: Gregory N. Haidemenopoulos, Physical Metallurgy, CRC Press 2018. For the sustainability part: Hong Hocheng et al., Biohydrometallurgical Recycling of Metals from Industrial Wastes, second edition, CRC Press, 2025. In addition, all the pdfs of the powerpoint presentations of the lessons, including few suggested sources for further study, are uploaded on the e-learning page of the Course.
Semester
second semester of the first year
Assessment method
Oral exam, starting from the end of the course, in nine annual exam sessions: interview on the topics covered in class through three questions. The skills acquired in the lessons will be assessed, as described in the pdf of the related presentations made available to students, and the student's arguing skill, also through the use of graphs and equations.
Office hours
Available to student request by means of one appointment, arranged by e-mail
Sustainable Development Goals
Staff
-
Leonida Miglio
