Course Syllabus
Obiettivi
Lo scopo del corso è fornire agli studenti le conoscenze e competenze necessarie per padroneggiare i complessi meccanismi e processi che stanno alla base delle trasformazioni di fase dei materiali, sia per quanto riguarda gli aspetti termodinamici sia per quanto riguarda gli aspetti cinetici. Le conoscenze e competenze acquisite verranno applicate ad alcuni casi di studio di rilevante importanza tecnologica nel settore dei materiali funzionali.
D1 - CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:
1 Descrivere lo stato cristallino e le principali strutture cristalline
2 Descrivere i proncipi termodinamici alla base dell'equilibrio tra fasi condensate
3 Descrivere i principi termodinamici alla base delle transizioni di fase solido/solido
4 Descrivere i processi cinetici che sottendono la formazione di fasi solide
5 Descrivere i principi fisici alla base dei processi di diffusione
6 Descrivere i principi fisici alla base della diffrazione per lo studio dei materiali
7 Descrivere i principi fisici alla base delle spettroscopie di assorbimento dei raggo X
8 Descrivere i principi termodinamici e cinetici alla base dei processi di corrosione
D2 - CAPACITÀ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:
1 Ottenere informazioni sullo stato cristallino dalle tecniche diffrattometriche
2 Leggere e interpretare digrammi di fase a più componenti
3 Prevedere la cinetica di crescita di materiali e le metodologie per influenzarla
4 Interpreatre spettri di assorbimento di raggi X e correlarli alle proprietà dei materiali
5 Prevedere la spontaneità di un processo corrosivo e valutarne la cinetica
D3 - AUTONOMIA DI GIUDIZIO Al termine di questa attività formativa, lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:
1 Correlare i vari argomenti del corso integrandoli in una visione unitaria
2 Applicare le conoscenze acquisite a materiali di importanza tecnologica
3 Selezionare le tecniche ed i parametri sperimentali utili ad ottenere specifiche informazioni strutturali nei solidi
4 Affrontare una discussione critica sulle relazioni tra struttura e proprietà funzionali in un solido
D4- ABILITA' COMUNICATIVE
Saper descrivere in forma scritta in modo chiaro e sintetico ed esporre oralmente con proprietà di linguaggio gli obiettivi, il procedimento ed i risultati delle elaborazioni effettuate.
D5 - CAPACITÀ DI APPRENDIMENTO Risultati attesi:
1 Raccogliere e comprendere le nuove informazioni utili per razionalizzare le proprietà strutturali di solidi.
2 Raccogliere e comprendere le informazioni circa l'evoluzione tecnologica di alcune tecniche di analisi.
Contenuti sintetici
Stato cristallino e tecniche di difrazione. Termodinamica ello stato solido e diagrammi di fase. Processi di trasformazione di fase e meccanismi di crescita di cristalli. Diffusione e esempi applicativi. Fondamenti di alcune tecniche spettroscopiche in grado di investigare la correlazioni tra struttura, dinamica e proprietà funzionali di alcune classi di solidi.
Programma esteso
Lo stato cristallino e l'interpretazione delle tavole sinottiche delle tabelle internazionali di cristallografia. Sistemi cristallini, reticoli di Bravais gruppi spaziali.
Tecniche di diffrazione per lo studio delle sostanze cristalline. Determinazione di parametri reticolari e posizioni atomiche.
Termodinamica dei materiali, approccio di Gibbs e deterrminazione dell'equilibrio tra fasi condensate. Analisi critica di diagrammi di fase temperatura/composizione a due componenti. Soluzioni solide sostituzionali e interstiziali. Diagrammi di fase e morfologia: esempi (acciaio). Cenni ed esempi di digrammi di fase a tre componenti.
Calssificazione termodinamica delle trasformazioni di fase e analisi del comportamento delle funzioni di stato durante le transizioni. Trasformazioni del secondo ordine, teoria di Landau e parametro d'ordine. Applicazione della teoria di Landau alle trasformazioni ordine-disordine.
Processi di nucleazione omogenea e eterogenea durante la solidificazione e le trasformazioni solido-solido. Processi di crescita cristallina caso ristretto alla crescita e vaso generale di crescita durante la nucleazione.
Diffusione e diffusione in stato solido. Il concetto di densità di flusso, origine fisica della dissusione e prima legge di Fick Equazione di continuità e seconda legge di Fick. Soluzioni della seconda legge e applicazione a sistemi semplici.
La spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS): XANES EXAFS. Principi fisici e differenze applicative.
Principi genarali della corrosione. Tipi di corrosione. Termodinamica di corrosione e diagrammi di Pourbaix. Cinetica di corrosione e diagrammi di Evans..
Prerequisiti
Conoscenza di base dei sistemi chimici, delle interazioni chimiche in fasi condensate. Principi di interferenza tra onde monocromatiche.
Termodinamica di base, energia libera di Gibbs e sue derivate. Diagrammi di fase a 1 componente.
Conoscenze di analisi matematica, principi di derivazione. Equazioni differnziali, significato e soluzioni.
Modalità didattica
24 lezioni da 2 ore in presenza, Didattica Erogativa
Materiale didattico
International Tables of Cristallagraphy,
Fundamentals of Crystallography (third Edition), Giacovazzo et al. Oxford.
Thermodynamics and Phase Diagrams, Arthur D. Pelton, in Physical Metallurgy, Elsevier, Ebook
B.S. Bokstein et al., Thermodynamics & Kinetics in Materials Science,
Dispense del docente.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
Primo semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Esame scritto e orale con votazione in trentesimi
La verifica dell'apprendimento dei risultati previsti dai descrittori D1-D5 viene effettuata in due fasi: un esame scritto con problemi da risolvere (lettura di diagrammi di fase, calcoli termodinamici e applicazione di leggi cinetiche), domande aperte (dimostrazioni) e domande a risposta multipla. Una votazione positiva (grade >18 su 30) allo scritto permette di accedere all'esame orale, che deve tenersi nella stessa sessione. Durante il colloquio orale verranno accertatate le capacità di analisi critica ed espositive così come l’autonomia di giudizio dello studente."Subsequently, an oral interview will be held, during which the student's critical analysis and communication skills, as well as their independent judgment, will be assessed.
Orario di ricevimento
Su appuntamento
Sustainable Development Goals
Aims
The aim of the course is to provide students with the knowledge and skills necessary to master the complex mechanisms and processes that underlie the phase transformations of materials, both concerning the thermodynamic aspects and the kinetic ones. The knowledge and skills acquired will be applied to some case studies of technological relevance in the field of functional materials.
D1 - KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING ABILITY
At the end of this training activity, the student must demonstrate that he/she is able to:
1 Describe the crystalline state and the main crystal structures
2 Describe the thermodynamic principles underlying equilibrium between condensed phases
3 Describe the thermodynamic principles underlying solid/solid phase transitions
4 Describe the kinetic processes underlying the formation of solid phases
5 Describe the physical principles underlying diffusion processes
6 Describe the physical principles underlying diffraction for the study of materials
7 Describe the physical principles underlying X-ray absorption spectroscopy
8 Describe the thermodynamic and kinetic principles underlying corrosion processes
D2 - CAPACITY TO APPLY KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING
At the end of this training activity, the student must demonstrate that he/she is able to:
1 Obtain information on the crystalline state from diffraction techniques
2 Read and interpret multi-component phase diagrams
3 Predict the growth kinetics of materials and the methodologies to influence it
4 Interpret X-ray absorption spectra and correlate them with material properties
5 Predict the spontaneity of a corrosion process and evaluate its kinetics
D3 - JUDGMENT AUTONOMY
At the end of this training activity, the student must demonstrate that he/she is able to:
1 Correlate the various topics of the course, integrating them into a unified perspective
2 Apply the acquired knowledge to materials of technological importance
3 Select the techniques and experimental parameters useful for obtaining specific structural information in solids
4 Engage in a critical discussion on the relationships between structure and functional properties in a solid
D4- COMMUNICATION SKILLS
To be able to describe in a clear and concise form: i) the objectives, ii) the procedure and iiii) the results of the elaborations carried out.
D5 - LEARNING SKILLS
Expected results:
1 Collect and understand new information useful for rationalizing the structural properties of solids.
2 Collect and understand information about the technological evolution of some spectroscopic techniques.
Contents
Crystalline state and diffraction techniques. Thermodynamics of the solid state and phase diagrams. Phase transformation processes and crystal growth mechanisms. Diffusion and application examples. Fundamentals of selected spectroscopic techniques capable of investigating the correlations between structure, dynamics, and functional properties of certain classes of solids.
Detailed program
The crystalline state and the interpretation of the synoptic tables of the International Tables for Crystallography. Crystal systems, Bravais lattices, space groups. Diffraction techniques for the study of crystalline substances. Determination of lattice parameters and atomic positions.
Thermodynamics of materials, Gibbs approach and determination of equilibrium between condensed phases. Critical analysis of two-component temperature/composition phase diagrams. Substitutional and interstitial solid solutions. Phase diagrams and morphology: examples (steel). Brief overview and examples of three-component phase diagrams.
Thermodynamic classification of phase transformations and analysis of the behavior of state functions during transitions. Second-order transformations, Landau theory and order parameter. Application of Landau theory to order-disorder transformations.
Homogeneous and heterogeneous nucleation processes during solidification and solid-solid transformations. Crystal growth processes: case restricted to growth and general case of growth during nucleation.
Diffusion and solid-state diffusion. The concept of flux density, physical origin of diffusion and Fick's first law. Continuity equation and Fick's second law. Solutions to the second law and application to simple systems.
X-ray absorption spectroscopy (XAS): XANES EXAFS. Physical principles and application differences.
General principles of corrosion. Types of corrosion. Thermodynamics of corrosion and Pourbaix diagrams. Kinetics of corrosion and Evans diagrams.
Prerequisites
Basic knowledge of chemical systems and chemical interactions in condensed phases. Principles of interference between monochromatic waves.
Basic thermodynamics, Gibbs free energy and its derivatives. 1-component phase diagrams.
Knowledge of mathematical analysis and principles of differentiation. Differential equations, meaning and solutions.
Teaching form
24 two-hour lectures, in person, Delivered Didactics
Textbook and teaching resource
International Tables of Cristallagraphy,
Fundamentals of Crystallography (third Edition), Giacovazzo et al. Oxford.
Thermodynamics and Phase Diagrams, Arthur D. Pelton, in Physical Metallurgy, Elsevier, Ebook
B.S. Bokstein et al., Thermodynamics & Kinetics in Materials Science,
Teacher's slides and notes
Semester
First semester
Assessment method
Written and oral examination with a grade out of thirty.
The assessment of the learning outcomes expected by the D1-D5 descriptors is carried out in two phases.
Written exam featuring problems to solve (reading phase diagrams, thermodynamic calculations, and application of kinetic laws), open-ended questions (derivations), and multiple-choice questions. A passing grade (grade >18 out of 30) on the written exam allows access to the oral exam, which must be taken during the same session. During the oral interview, the student's critical analysis and communication skills, as well as their independent judgment, will be assessed.
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