Scienza e tecnologia dei materiali

Scienza e tecnologia dei materiali Studio dei materiali metallici e non metallici e delle possibilità del loro utilizzo nell'ambito della moderna tecnologia. In particolare, uno dei settori di maggiore interesse della scienza dei materiali è lo sviluppo di nuovi procedimenti, basati su tecniche di laboratorio e risultati di ricerche interdisciplinari di fisica, chimica e metallurgia, per impiegare materie plastiche, ceramica e altri materiali non metallici in applicazioni un tempo adatte ai soli metalli.

Il rapido sviluppo dei semiconduttori per l'industria elettronica, iniziato nei primi anni Sessanta del Novecento, ha dato alla scienza dei materiali l'impulso principale: la scoperta che alcuni materiali non metallici (come il silicio) hanno particolari caratteristiche di conducibilità elettrica ha permesso di concentrare migliaia di componenti elettronici su una singola piastrina di silicio (vedi Circuito integrato). Ciò ha reso possibile la miniaturizzazione dei componenti dei dispositivi elettronici e il conseguente sviluppo di computer estremamente potenti, ma di dimensioni ridotte. Vedi anche Nanotecnologia.

Alla fine degli anni Ottanta, la ricerca sui materiali ha ripreso vigore con la scoperta della cosiddetta superconduttività ad alta temperatura: il fatto che alcuni materiali ceramici manifestino la transizione allo stato superconduttivo (accompagnata dal caratteristico drastico calo della resistenza elettrica) a temperature raggiungibili con le moderne tecniche criogeniche rende possibili nuove applicazioni quali, ad esempio, i treni a levitazione magnetica e i computer superveloci.

Sebbene gli ultimi sviluppi nella scienza dei materiali si siano concentrati soprattutto sulle proprietà elettriche delle varie sostanze, le caratteristiche meccaniche restano di grande importanza: ad esempio, per l'industria aeronautica sono stati realizzati e sperimentati materiali compositi non metallici più leggeri, più resistenti e più facilmente lavorabili delle leghe di alluminio e degli altri metalli usati finora.

Sottoposti a sollecitazioni esterne come la tensione, la compressione, la torsione, la piegatura e il taglio, i materiali solidi rispondono con deformazioni elastiche, deformazioni permanenti o rotture. Se sono prolungate nel tempo, queste sollecitazioni hanno come effetto lo scorrimento plastico e la fatica.

La tensione è una forza di trazione: ne è un esempio la forza che agisce su un cavo che sorregge un peso. Sotto tensione, generalmente un materiale si allunga, ma torna alla lunghezza originaria quando si sospende la sollecitazione, se questa non ha superato il limite di elasticità del materiale stesso. Se la tensione ha superato il limite, il materiale resta deformato o, se la sollecitazione è ancora più forte, si rompe.

La compressione consiste in una pressione che provoca una diminuzione di volume. In un materiale sottoposto a piegatura, taglio o torsione agiscono contemporaneamente sollecitazioni di tensione e di compressione. In una barra sottoposta a piegatura, ad esempio, un lato è soggetto a tensione e quello opposto a compressione.

Lo scorrimento plastico è una lenta deformazione progressiva e permanente che si verifica in un materiale sottoposto a una sollecitazione uniforme e duratura, specialmente in presenza di alte temperature. Esempi di scorrimento plastico sono il graduale allentamento dei bulloni, l'accentuazione della campanatura dei cavi a lunga campata e le deformazioni che insorgono in vari componenti di macchine e di motori. Lo scorrimento plastico prolungato nel tempo può portare alla rottura del materiale, ma in molti casi si arresta al punto in cui la sollecitazione che lo ha provocato viene compensata dalla deformazione stessa.

La fatica, una frattura progressiva che avviene oltre il limite di elasticità del materiale, solitamente si verifica quando una parte meccanica è soggetta a sollecitazioni ripetute o cicliche (ad esempio le vibrazioni). Con alcuni materiali, ad esempio le leghe di titanio, la fatica può essere evitata mantenendo la sollecitazione ciclica sotto un certo livello. In genere però il cedimento del materiale può verificarsi in tempi brevi, anche se la sollecitazione massima non supera il limite di elasticità. Nella fatica non appaiono deformazioni evidenti, ma si sviluppano microfratture localizzate che si propagano nel materiale, finché l'area della sezione trasversale rimasta integra non può più sostenere la sollecitazione massima.

La conoscenza delle sollecitazioni da trazione, dei limiti di elasticità e della resistenza dei materiali allo scorrimento plastico e alla fatica è di estrema importanza in numerosi settori dell'industria e dell'ingegneria.