Appunti Tecnologia dei materiali

Difetti nei materiali metallici

I materiali metallici sono cristallini, hanno quindi un ordine interno, ma in alcune zone l'ordine non è rispettato, sono chiamati difetti. I difetti conferiscono ai materiali delle prestazioni che altrimenti il materiale non avrebbe. Inoltre, i difetti conferiscono maggiore stabilità al metallo. Possono essere:

• Di punto
• Di linea
• Di superficie

Difetti di punto

I difetti di punto sono di vario tipo:

• Vacanza, quando nella struttura ordinata manca un atomo.
• Autointerstiziale, quando nella struttura c'è un atomo in più.
• Impurezza sostituzionale, un atomo di un altro elemento sostituisce uno degli atomi originale.
• Impurezza interstiziale, un atomo molto piccolo che si inserisce negli spazi vuoti della struttura.

Difetti di linea

I difetti di linea sono i difetti tra piani atomici, ovvero in più dimensioni, sono anche chiamati dislocazioni. Sono caratterizzati dall'aggiunta o mancanza di un semipiano. Possono essere a spigolo o a vite. Nei difetti di linea, il semipiano aggiunto può essere sia positivo che negativo. I difetti di linea si trovano di natura all'interno dei materiali metallici. Quando occorre poca forza per deformare un materiale vuol dire che i difetti di linea si muovono più facilmente.

Difetti di superficie

I difetti di superficie si sviluppano in tre dimensioni, sono anche detti difetti di bordo di grano, dove manca la struttura regolare. Possono essere ad alto o basso angolo. Sono i confini tra due grani con orientazione cristallografica diversa. I difetti di bordo di grano bloccano lo scorrimento delle dislocazioni.

Diffusione

I difetti di punto generano la diffusione, è importante perché accade di continuo in un metallo. Mettendo a contatto due metalli e aumentando la temperatura, i due metalli cominciano a scambiarsi atomi da cui derivano i difetti di punto. Perché avvenga la diffusione sono necessarie due condizioni: che ci sia una certa quantità di energia disponibile, dovuta all'alzarsi della temperatura, e che ci siano delle posizioni vuote nel materiale adiacente. La diffusione può avvenire per vacanze o interstiziale.

Proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche vengono studiate mediante prove di sforzo-deformazione: trazione, compressione, taglio e torsione. Si definiscono quindi due grandezze fondamentali: sforzo nominale e deformazione nominale.

Prova di trazione

Consiste nel deformare il provino fino a rottura, applicando lungo il suo asse principale un carico gradualmente crescente. Le misure dell'allungamento vengono poi usate per calcolare la duttilità. Simile alla prova di compressione.

Deformazione elastica

La deformazione elastica è descritta dalla legge di Hooke e il modulo elastico o modulo di Young. È una deformazione che caratterizza tutti i materiali, è una deformazione non permanente che consiste in un allungamento dei legami, senza una rottura.

Proprietà elastiche

Modulo di Poisson.

Deformazione plastica

Quando un oggetto è sottoposto a sollecitazione il suo modulo elastico risulta lineare fino a un certo punto, da quel punto in poi il grafico curva. La curva del grafico corrisponde al momento in cui il materiale diventa più debole, e inizia quindi la deformazione plastica. Il punto in cui si passa da deformazione elastica e plastica, si chiama limite di proporzionalità, che non è sempre facile da individuare, quindi il valore a cui fare riferimento è il carico di snervamento, che si può facilmente ottenere dal grafico.

I materiali tenaci quando dopo la deformazione elastica vanno incontro a deformazione plastica, mentre i materiali fragili dopo la deformazione elastica vanno incontro a rottura. La deformazione plastica inizia in prossimità del limite di snervamento superiore e procede con un apparente diminuzione dello sforzo per poi iniziare ad oscillare attorno ad un valore chiamato limite di snervamento inferiore. Dopo che è avvenuto lo snervamento, lo sforzo necessario per continuare la deformazione plastica nei metalli cresce fino al raggiungimento di un valore massimo (M) per poi decrescere fino a frattura. La resistenza a rottura a trazione è lo sforzo rappresentato dal punto di massimo della curva sforzo-deformazione. Questo valore corrisponde allo sforzo massimo che può essere sostenuto dal materiale sottoposto a trazione. Pertanto se tale sforzo viene raggiunto e mantenuto il materiale si rompe. Le deformazioni che avvengono nel provino fino a questo punto sono ripartite uniformemente lungo tutta la lunghezza del provino, ma quando si raggiunge lo sforzo massimo si forma un restringimento localizzato, detto strizione.

Duttilità

È un'altra proprietà ricavabile dal diagramma sforzo-deformazione. Può essere espressa sia come allungamento percentuale che come riduzione della sezione percentuale.

Resilienza

È la capacità di un materiale di assorbire energia durante la deformazione elastica e poi di rilasciarla durante la fase di scarico. La grandezza associata è il modulo di resilienza Ur che rappresenta l'energia di deformazione per unità di volume necessaria per portare un materiale allo stato iniziale dello snervamento.

Tenacità

È la capacità di un materiale di deformarsi prima di rompersi. In condizioni di sollecitazioni statiche la misura della tenacità si ottiene dall'area sottesa dalla curva sforzo-deformazione fino al punto di rottura. Un metallo tenace mostra sia la resistenza che duttilità elevate.

Sforzo e deformazione reali

Nella progettazione si usano sforzo e deformazione nominale. Lo sforzo nominale è calcolato come forza/sezione resistente iniziale. Mentre lo sforzo reale è calcolato come forza/sezione resistente istantanea nel momento in cui misuriamo la forza.

Durezza

Rappresenta la resistenza offerta da un materiale alla deformazione plastica. I materiali sono classificati in base alla durezza nella scala di Mohs. Per testare la durezza di un materiale si eseguono delle prove di durezza, che consistono nel premere un utensile sul provino con un determinato carico in modo poi da poter misurare l'impronta lasciata dal penetratore.

Prova Brinell

Consiste in una sfera di acciaio o carburo di tungsteno di 10mm e con un carico variabile.

Vickers

Ha le stesse caratteristiche della prova Brinell, ma usa una piramide di diamante, serve per materiali molto duri. È più scomoda perché serve un microscopio per misurare l'impronta.

Rockwell

Sono prove di vario tipo, con carichi diversi. Consistono nell'usare due carichi diversi, uno piccolo e uno grande, e di misurare la differenza di profondità fra le due impronte.

Valutazione dei risultati

Le prove non sono precise, c'è una dispersione, facendo più prove uguali non si ottiene mai lo stesso risultato. Quindi poiché i risultati sono incerti, bisogna usare dei coefficienti di sicurezza, in modo da evitare cedimenti imprevisti.

Movimento delle dislocazioni

Le dislocazioni si muovono più facilmente dove gli atomi sono più vicini.

Struttura cubica a facce centrate

C'è un piano con il massimo impacchettamento, quindi le dislocazioni si muovono più facilmente. Inoltre, ci sono tre direzioni di scorrimento in cui gli atomi hanno distanza minima. Questi piani e queste direzioni definiscono il sistema di scorrimento. A seconda del tipo di struttura cambia il numero di sistemi di scorrimento. Quello cubico a facce centrate ha 12 sistemi di scorrimento. Avere tanti sistemi di scorrimento dà più probabilità di avere almeno un sistema di scorrimento orientato bene rispetto allo sforzo di taglio. (Questo perché uno sforzo a trazione presenta sempre una componente di taglio).

Rafforzamento materiale

Possiamo cambiare le caratteristiche di resistenza di un materiale attraverso dei meccanismi di lavorazione. Questi si basano sul movimento delle dislocazioni, poiché la deformazione plastica deriva dalla mobilità delle dislocazioni. Maggiore è la mobilità delle dislocazioni, minore è la resistenza e maggiore la deformabilità. Al contrario, bloccando il movimento delle dislocazioni, aumenta la resistenza e diminuisce la duttilità.

Controllo dei grani (affinamento)

I bordi di grano sono dei difetti di superficie che separano due grani con orientazione cristallografica diversa. I bordi di grano sono delle barriere per le dislocazioni, questo perché occorre un'energia maggiore poiché data la differente orientazione cristallografica anche il movimento delle dislocazioni deve cambiare di direzione. Aumentando la superficie di bordo di grano si bloccano le dislocazioni e si rende quindi il materiale più resistente, ma meno duttile. (Per aumentare la superficie servono grani più piccoli).

Soluzione solida

Consiste nel diffondere nei metalli atomi di impurezza che determinano un difetto, alterando la struttura cristallina esercitando sugli atomi circostanti delle sollecitazioni di compressione e trazione. Il difetto impedisce quindi il movimento di dislocazioni. La soluzione può essere sostituzionale o interstiziale.

Incrudimento

È quel processo con cui rendiamo un materiale più resistente lavorandolo. È anche chiamato indurimento da lavorazione o lavorazione a freddo, perché per la maggior parte dei metalli si fa a temperatura ambiente. Il processo consiste nell'applicare il carico in modo che aumenti il numero delle dislocazioni (deformando il materiale aumenta la densità di dislocazioni). Poiché due dislocazioni dello stesso segno si respingono, aumentando il numero di dislocazioni, la presenza stessa delle dislocazioni blocca il movimento delle dislocazioni grazie alle forze repulsive.

Recovery e ricristallizzazione

L'incrudimento è un processo voluto, ma solo in alcuni casi, in altri casi è un effetto collaterale della lavorazione. Per ripristinare le condizioni iniziali del materiale esistono due processi ad alte temperature, cioè il recovery e la ricristallizzazione.

Recovery

Si ha una diminuzione delle dislocazioni, perché due dislocazioni di segno opposto si annullano. Per avere questo occorre avere maggiore mobilità, che si ha aumentando la temperatura, e quindi fornendo energia. Inoltre, con le temperature elevate le dislocazioni rimanenti dello stesso segno si dispongono in equilibrio creando una zona di sottograno. (A basso angolo). Si forma quindi una struttura con grani piccoli, che poi crescono diventando grani più grandi (aumentando sia temperatura che tempo).

Ricristallizzazione

Tramite il processo di recovery abbiamo un materiale con grani piccoli, e quindi un'ampia superficie di bordo di grano, inoltre c'è ancora troppa energia interna. Sfruttando quell'energia si possono far originare dei nuovi grani che sostituiscono i vecchi, così da avere una diminuzione dell'energia interna e un ripristino delle proprietà meccaniche. La ricristallizzazione è un processo la cui efficacia dipende da temperatura e tempo, viene definita quindi la temperatura di ricristallizzazione, cioè la temperatura alla quale il processo si completa in un'ora di tempo. Non è sempre possibile eseguire la ricristallizzazione, cioè per un valore fra il 2 e il 20% di lavorazione a freddo. Quando si lavora al di sopra della temperatura di ricristallizzazione si parla di lavorazione a caldo, con cui si ottengono materiali molto duttili che possono avere grandi deformazioni plastiche.

Crescita del grano

Una volta completata la ricristallizzazione, se il nuovo metallo viene lasciato a temperature elevate la dimensione dei grani aumenta, e quindi diminuisce la superficie di bordo di grano, questo comporta una diminuzione dell'energia associata ai grani. La crescita del grano si velocizza all'aumentare della temperatura. La dimensione dei grani influisce molto sulle proprietà meccaniche del materiale.

Rottura

La rottura di un materiale può essere dovuta a vari fattori e avvenire principalmente in due modi diversi, cioè rottura duttile e rottura fragile. I metalli duttili hanno una notevole capacità di deformarsi plasticamente e vanno incontro a rottura dopo una grande deformazione, assorbendo quindi molta energia. I metalli fragili invece hanno una scarsa capacità di assorbire energia. La rottura di tipo duttile è preferibile a quella fragile, questo perché è una rottura di tipo stabile, a seguito della deformazione e della creazione della cricca serve un carico maggiore per far propagare la cricca e quindi per portare il materiale a rottura. Invece nel caso di rottura fragile si parla di rottura instabile, una volta creata la cricca si diffonde rapidamente portando il materiale in contro a una rottura immediata e catastrofica. Solitamente i metalli hanno una rottura intermedia fra le due.

Frattura nei metalli

Si ha inizialmente una deformazione plastica, e si creano dei vuoti all'interno del materiale, che aumentando di dimensione si uniscono creando un difetto, chiamato cricca, unico, perpendicolare allo sforzo di trazione. La cricca che si forma è una cricca di tipo stabile, se aumenta lo sforzo la cricca si espande fino a rottura a 45 gradi, cioè con il taglio massimo. Osservando la superficie di rottura, la zona fibrosa centrale, al microscopio, possiamo vedere delle fratture a coppa e cono.

Punto triplo

È il punto in cui si incrociano tre grani. Le dislocazioni si accumulano e portano spesso il materiale a rottura in corrispondenza di esso.

Rottura fragile transgranulare

Il difetto si espande rompendo i grani, attraverso un processo chiamato clivaggio, che segue dei piani cristallini ben precisi, si formano superfici piane che corrispondono al grano rotto, con la superficie di rottura che può essere granulosa e sfaccettata.

Rottura fragile intergranulare

Il difetto tende a seguire i bordi di grano.

Concentrazione degli sforzi

I valori sperimentali della resistenza a frattura sono generalmente molto inferiori a quelli calcolati teoricamente in base alle energie di legame tra atomi. Questa differenza viene spiegata con la presenza di difetti, cricche, sia in superficie che all'interno del materiale. Questo perché agli apici dei difetti gli sforzi risultavano amplificati. Dal grafico si capisce l'andamento dello sforzo applicato lungo una sezione trasversale contenente una cricca interna. L'intensità dello sforzo, si può notare, che diminuisce allontanandosi dall'apice della cricca. Per la loro capacità di intensificare localmente lo sforzo questi tipi di difetti vengono detti intensificatori di sforzi.

Teoria di Griffith

Prendendo una cricca di dimensioni 2a soggetta a trazione. Inizialmente il materiale è soggetto a deformazione elastica, gli atomi si allontanano fra di loro. Se la cricca aumentasse di dimensioni si allungherebbe di deltaa da entrambe le parti, ci sarebbero quindi 4 superfici (sotto e sopra da entrambe le estremità). Una superficie assorbe energia superficiale, perché ne ha bisogno per formarsi, e glielacede la deformazione elastica. Il lavoro delle superfici nuove è: la cricca non aumenterà se l'energia rilasciata è minore dell'energia assorbita. Questo non vale per i materiali metallici, anche se in parte sono giusti. La rottura quindi non avviene solo per deformazione plastica.

Una fonte molto comune di difetti è la saldatura, cioè quando si porta a fusione il metallo per unire due parti separate di metallo, ma possono rimanere delle bolle d'aria. Nel caso di rotture tenaci l'energia viene assorbita da deformazione plastica, che assorbe molta più energia, porta quindi a rotture meno catastrofiche.

Tenacità a frattura

È una costante tipica del materiale, misura la resistenza alla frattura fragile di un materiale quando è presente una cricca. Essa è espressa come: per provini sottili kc dipende solo dallo spessore di esso, ma se lo spessore è molto maggiore delle dimensioni della cricca, il valore di kc diventa indipendente dallo spessore. In tal caso si parla di deformazione piana. In questa condizione la formula diventa: Inoltre la tenacità a frattura in condizioni di deformazioni piane è una proprietà fondamentale di un materiale e dipende da diversi fattori, tra cui temperatura, velocità di deformazione e microstruttura.

Pendolo di Charpy

È un'apparecchiatura costituita da un martello, legato a un braccio. Il martello può essere portato a una certa altezza e poi sganciato. In basso si trova un provino, il martello lo colpisce dalla parte opposta rispetto al difetto e rompe il provino. Il pendolo ha dei sensori che misurano l'altezza a cui arriva il pendolo dopo aver rotto il provino. Si può quindi misurare l'energia assorbita. Questo studio serve a capire il comportamento a frattura del materiale. Se l'energia assorbita è poca il materiale è soggetto a rottura fragile ed è pericoloso. Un fattore importante è la temperatura, i materiali assorbono una quantità di energia diversa a seconda della temperatura, per testare si scalda o raffredda il provino.

Transizione duttile fragile

Una delle funzioni primarie del pendolo di Charpy è capire se il materiale presenta una transizione duttile fragile al diminuire della temperatura. Questa è legata alla temperatura attraverso l'energia di impatto assorbita. A temperature alte, l'energia d'impatto è relativamente grande e di conseguenza la frattura è di tipo duttile. Al diminuire della temperatura l'energia d'impatto diminuisce fino a valori relativamente bassi, e si ha una frattura di tipo fragile. Per una frattura duttile la superficie di rottura appare fibrosa e opaca, mentre per una fragile ha un aspetto brillante e granulare. Per molte leghe la transizione duttile fragile si compie in un intervallo di temperatura, non è facile stabilire un valore preciso. Per convenzione si prende quindi come temperatura di transizione quella che mostra l'energia di impatto media tra la frattura duttile e fragile.