La rottura

La rottura

La frattura di tipo semplice consiste nella separazione di un corpo in uno o più elementi costituenti per effetto di un comportamento ad una temperatura bassa rispetto a quella di fusione.

Il cedimento può essere dovuto alla fatica (quando sono applicati carichi ciclici) e al creep (deformazione dipendente dal tempo).

Per i Me sono possibili due tipi di frattura:

• Duttile
• Fragile

Questa classificazione si basa sulla capacità di un materiale di subire deformazioni plastiche.

I Me duttili mostrano una notevole capacità di deformarsi plasticamente, assorbendo grandi quantità di Ei prima della rottura.

La rottura fragile è invece caratterizzata da scarsa o nulla deformazione plastica e da un basso assorbimento di Ei.

La frattura duttile

Materiali duttili subiscono strizione fino al punto di rottura e presentano una riduzione della sezione del 100%.

• Inizia la strizione
• Si formano piccole cavità o microvuoti all'interno della sezione trasversale
• I microvuoti si ampliano e si allineano fino a coalescenza formando una cricca ellittica con asse maggiore ⊥
• La rottura

La frattura di tipo semplice consiste nella separazione di un corpo in uno o più elementi costituenti per effetto di un carico statico e a temperature basse rispetto a quella di fusione.

Il cedimento può essere dovuto alla fatica (quando sono applicati carichi ciclici) e al creep (deformazione dipendente dal tempo).

Per i metalli sono possibili due tipi di frattura:

• Duttile
• Fragile

Questa classificazione si basa sulla capacità di un materiale di subire deformazione plastica.

I metalli duttili mostrano una notevole capacità di deformarsi plasticamente, assorbendo grandi quantità di Eu prima della rottura.

La rottura fragile è invece caratterizzata da scarsa o nulla deformazione plastica e da un basso assorbimento di Eu.

La frattura duttile

Materiali duttili subiscono strizione fino al punto di rottura contraendo una riduzione della sezione del 100%.

Le superfici di rottura combaciano.

1. Inizia la spianatura
2. Si formano piccole cavità o microsvuoti all'interno della sezione trasversale
3. I microsvuoti si ampliano e si avvicinano fino a coalescere formando una cricca ellittica con asse maggiore alla direzione dello sforzo
4. La cricca cresce / avanza maggiormente
5. Frattura per deformazione di taglio con un angolo di 45° rispetto all'asse di trazione → frattura detta a coppa e cono

La frattura fragile

Avviene senza alcuna apprezzabile deformazione plastica e con una rapida propagazione della cricca.

La superficie di frattura non presenta segni di deformazione plastica. Ad esempio, su un acciaio si formano linee a V evidenziate vicino al centro della sezione trasversale della frattura e si propagano verso il sito di innesco.

La cricca si propaga attraverso rottura successiva dei legami atomici, lungo piani cristallografici ben precisi. (maggior)

Questa frattura è detta transgranulare (attraverso i grani) oppure può avvenire intergranulare (lungo i bordi dei grani).

Meccanica della frattura

→ L'intensità dello σ puntuale aumenta avvicinandosi dall'apice della cricca.

In un punto sufficientemente distante, lo sforzo è pari a quello nominale, ovvero ai capi applicati diviso per l'area trasversale del provino.

Per la loro capacità di intensificare gli sforzi applicati vengono detti intensificatori di sforzi.

Lo sforzo massimo all'apice della cricca è pari a:

Raggio di curvatura a è piccolo, la cricca molte volte definita fattore di concentrazione degli sforzi.

a è una misura del grado di amplificazione dello sforzo applicato in corrispondenza dell'apice della cricca.

Per un Me duttile, la deformazione plastica si verifica quando si supera il carico di incrudimento.

Questo porta a una più uniforme distribuzione degli sforzi in prossimità dell'intensificazione e a un fattore di concentrazione massimo minore di quello teorico.

Nei materiali fragili, lo scivolamento e la ridistribuzione degli sforzi introdotti dai difetti sono irrilevanti, quindi il valore del fattore di concentrazione degli sforzi è vicino a quello teorico.

Lo sforzo critico richiesto perché si abbia propagazione della cricca in un materiale fragile: energia superficiale specifica.

Se σ > σ_F si forma una cricca che propaga fino alla rottura.

La tenacità alla frattura K_C = Y · σ_F√πa è la proprietà che misura la resistenza di un materiale alla frattura fragile quando è presente una cricca.

Se K_C è indipendente dallo spessore si parla di deformazione piana e la tenacità è detta tenacità alla frattura in condizioni di deformazione piana K_C = Yσ√πa.

Infine, i 3 modi in cui si apre una cricca sono:

• I: Di distacco
• II: Di scorrimento
• III: Di lacerazione

Prove di tenacità

Le prove più utilizzate per misurare la tenacità sono la prova Charpy e la prova Izod, le quali valutano l'energia di impatto detta tenacia all'intaglio.

Nella Charpy il provino è formato da una bacchetta di sezione quadrata in cui viene ricavato un intaglio a forma di V.

Il carico viene applicato in forma di impatto tramite un martello a pendolo che viene lasciato cadere da un'altezza nota h.

L'energia assorbita, calcolata tra h e h', è una misura dell'energia di rottura per impatto.

Le due prove differiscono per la posizione del provino.

• I Met CFC a bassa resistenza e la maggior parte dei Fe es. una transizione duttile-fragile e cambiano l'elevata Eu di impatto, col diminuire della temperatura.
• I materiali ad alta resistenza Eu, di impatto e insensibile alla temperatura e sono molto fragili.
• Acciai a bassa resistenza ccc. hanno una transizione duttile-fragile.

La fatica

La fatica è un tipo di cedimento che si verifica su strutture sottoposte a stress dinamici e fluttuanti. In queste condizioni è possibile che la rottura si manifesti a livelli di sforzo molto minori dei carichi di rottura/strisciamento.

Questa rottura avviene dopo lunghi periodi di sforzo ripetuto o deformazione ciclica.

La rottura per fatica avviene in modo simile a quello fragile, infatti con scarsa o nulla deformazione plastica.

Avviene per innesco e propagazione di cricche e la superficie di frattura risulta ⊥ alla direzione di unico σ applicato.

Gli stress ciclici possono essere dovuti a sforzi applicati di tipo assiale, di flessione, di torsione, uno dei tre modi di fluttuazione sforzo-tempo e il ciclo.

Ciclo a carico invertito

Ciclo a carico invertito: andamento simmetrico e regolare nel tempo, di ampiezza simmetrica rispetto a un livello medio o pari a zero.

• Alternante tra σ_max e σ_min in compressione

Il secondo tipo è il ciclo a carico ripetuto dove σ_max e σ_min non sono simmetrici.

E infine il ciclo a carico casuale.

Sottoponendo un provino a uno sforzo ciclico con ampiezza di σ_max crescente viene contato il numero dei cicli a rottura.

Nelle curve S-N si nota che maggiore è lo σ minore è il numero dei cicli cui il materiale è in grado di sopportare.

Per alcune leghe ferrose e di titanio, la curva diviene orizzontale per alti valori di N ⇒ vi è un livello di sforzo limite detto limite di fatica al di sotto del quale la rottura per fatica non avviene.

Molte leghe non ferrose non presentano un limite di fatica: si avrà sempre fatica indipendentemente dall'ampiezza dello sforzo.

La risposta alla fatica è detta resistenza a fatica, ovvero il valore di σ a cui si ha rottura per N cicli.

La vita a fatica N_f è il numero di cicli che provoca rottura a un dato carico.

Fasi della rottura per fatica

Il processo di rottura per fatica segue 3 fasi:

1. Innesco della cricca: si forma una piccola cricca in un punto dove si verifica un'alta concentrazione di σ
2. Propagazione della cricca: la cricca avanza a ogni ciclo di carico; la regione della propagazione è caratterizzata da una superficie a striature (cippature)
3. Frattura finale: avviene rapidamente una volta che la cricca raggiunge dimensioni critiche delle fibre

Migliorando la finitura superficiale mediante lucidatura, la Nf aumenta.

Nei Ne duttili si è noti introdurre meccanicamente sforzi residui di compressione tramite deformazione plastica localizzata sulla superficie esterna (pallinatura).

La cementazione è un processo che aumenta la durezza superficiale e la Nf degli acciai in un processo di carburazione e innescare una cavitazione nei dimostrare i componenti a d'acciaio con un metto con.

Scorrimento a caldo o creep

I materiali vengono spesso posti in servizio a temperature elevate e sottoposti a sforzi meccanici di tipo statico.

Le deformazioni subite che avvengono in queste condizioni sono dette per scorrimento a caldo o creep.

Il creep è pertanto una deformazione permanente di un materiale sottoposto a carico costante ed è funzione del tempo.

Una prova tipica del creep consiste nel sottoporre un provino a un carico costante e, a un dato tempo, si misura la deformazione in funzione del tempo.

La curva di scorrimento può essere suddivisa in tre regioni, ciascuna delle quali ha una caratteristica distinta:

• Creep primario / transitorio: Ha luogo per primo; velocità di scorrimento decrescente; il materiale sta aumentando la resistenza al creep o l'incrudimento da deformazione.
• Creep secondario / stazionario: Velocità costante; curva lineare; bilanciamento tra incrudimento da deformazione e recovery.
• Creep terziario / rottura: Accelerazione della velocità fino al cedimento finale.