Scienza dei materiali parte II di V - Proprietà dei materiali

Proprietà meccaniche

Comportamento elastico, deformazione, forza

L'applicazione di una forza provoca una sollecitazione: sforzo F/A nella sollecitazione statica.

Tipi: trazione ortogonale alla superficie, compressione ortogonale alla superficie, taglio parallelo alla superficie.

Unità di misura: N, 10⁶ Pa, MPa, Pa.

Relazione tra sforzo e deformazione

Trazione, compressione e l lo ALe loo o Io dimensione del corpo, forza nella direzione sua prima. L dopo l'applicazione della forza, lo, al variazione generata.

Sforzo di taglio: di d tg f b0 di molto taglio, angolo normalmente piccolo 00 0 tgb e.

Se la deformazione istantanea è tale indipendente dal tempo, rimossa la forza, se il materiale riprende le dimensioni iniziali, il comportamento è detto completamente reversibile.

Tutti i materiali allo stato solido hanno un campo di deformazione entro il quale hanno un comportamento elastico lineare. Le deformazioni sono adimensionali.

Legge di Hooke

Legge di Hooke: in caso di piccola deformazione EETrazione, E modulo elastico o modulo di Young, Gg modulo di taglio. Taglio 8cE 6 in misurano 8 Pa, costanti elastiche e sono.

Compressione uniforme per effetto della pressione idrostatica: VovD AvK K voVofinale volume, voi volume iniziale, K comprimibilità elastica coefficiente costante, P pressione idrostatica.

Si considerano le deformazioni di volume positive, segno che causano contrazione.

Materiali rigidi hanno elevate costanti elastiche E. Valori di 3 GPa, C polimeri espansi deformabili, rigidi io 1103, diamante 6Pa.

Di fusione diminuisce, diminuisce E, la temperatura se EF E E metallici, polimeri, ionici, solidi covalenti. E diminuisce all'aumentare della temperatura; aumenta l'energia vibrazionale, aumenta quindi la lunghezza del legame e la forza diminuisce.

Energia elastica

Relazione tra sforzo e deformazione lineare nel corso della deformazione elastica. Comportamento Eecelastica, immagazzinazione di energia espressa in J m³. 02Elle E area sottesa alla curva, a E alla curva 2 Ed è la deformazione completamente reversibile se E0.00 inferiore a 0.001.

La pendenza E è proporzionale a ceramici rigidi o più MPa, acciaio, metalli, alluminio, polimeri, aoa EAEAE E E.

Meccanismo della deformazione elastica

Le deformazioni elastiche derivano dalla variazione delle distanze interatomiche. In campo elastico i legami non si rompono e gli atomi ritornano, tolto il carico, nella loro posizione di equilibrio. Condon Morse di una forza in funzione della distanza, F repulsiva, torre la.

Nei metallici e ceramici, deformazione interatomiche, cioè raramente supera 0.5, somma nella curva intorno a sta è quasi lineare; r curva distanza interatomica. Vale la legge di Hooke: E è proporzionale alla pendenza DF della curva nell'intorno attrattiva al punto di equilibrio.

Nell'intorno la curva è lineare circa a DF e EF costo E di. Il modulo elastico è la misura della resistenza alla separazione degli atomi: legame forte, F pendenza maggiore, quindi maggiore rigidezza; µ e8 arè o IL eooe legame debole.

Coefficiente di Poisson

Coefficiente di Poisson: in trazione, oltre la deformazione assiale, avvengono deformazioni lungo assi perpendicolari, deformazioni secondarie o laterali. Ei asse allo sforzo, EEzEz EnU U assi allo sforzo, EPoisson.

Il coefficiente di Poisson è una quarta costante elastica che lega le deformazioni laterali a quella assiale con EtatCassideale. U 0.5: caso in cui le deformazioni non comportano variazioni di volume. U materiale 0.5 se sottoposto a trazione si espande e in compressione si contrae. Metalli 35U NO 0.27, ceramici 0.17.

Più il coefficiente di Poisson è grande, meglio le deformazioni secondarie riescono a compensare la primaria e minore è la variazione del volume del materiale. Sostanze liquide gelatinose 0.5 e. In materiale isotropo omogeneo E e U 0.5. Molti materiali biologici sono molto complicati, e muscoli spesso anisotropi 1.

Correlazione tra costanti elastiche

Correlazione tra costanti elastiche: con K EE0.4 U26E 11 ZUE 3K 1 GÈ K.

Misura sperimentale del modulo elastico

Misura sperimentale del modulo elastico: si effettua di trazione su metalli e polimeri una prova con sollecitazione assiale mono a velocità costante, fino a rottura del provino. Motore, provino circolare a sezione IIIIItia.jp lprovino incustodito per non concentrare le sollecitazioni alle estremità di fissaggio.

Limiti della prova di trazione ad osso: provini, prova distruttiva, la prova si fa apposta, i provini non sono per controllo qualità. Non può usare come materiali fragili, non può essere eseguita su. C'è scorrimento, non si rompono i legami e la deformazione elastica non durante i piani cristallini.

Misura non distruttiva con onde

Misura non distruttiva con onde: si misura la frequenza sonora o ultrasuono di propagazione all'interno del materiale sollecitato da un impulsore meccanico. Nessun danneggiamento permanente, applicabile a materiali fragili, utile per il controllo qualità, durata breve, buona riproducibilità.

Principio: il materiale si deforma elasticamente, cioè vibra quando viene colpito, come uno xilofono. Non c'è nessuna influenza della forza con cui viene applicato l'impulso. TU L e0.9465F 2tT, forma, fattore di sfere, si può calcolare cubi e non per U, frequenza dell'onda sonora, L lunghezza del campione, densità del materiale, f del campione, delt spessore. La frequenza dipende dalla forma delle vibrazioni, dal materiale e dalle dimensioni.

Oltre il limite di linearità

Oltre il limite di linearità: dopo il limite di linearità alcuni solidi hanno deformazioni elastiche ma non più proporzionali alle forze, ad esempio gli elastomeri. Sono in grado di immagazzinare e restituire quantità elevate di energia elastica e deformazione.

Alcuni solidi hanno plastica cioè permanente; oltre il tratto lineare EraOs EEr c'è la frattura, superato anche questo limite.

Comportamento dei vari materiali

Comportamento dei vari materiali: vetri e ceramici, manca la deformazione plastica, frattura in campo elastico, frattura fragile. Metalli: limite di linearità, limite di elasticità, limite di rottura, carico di elasticità.

Polimeri termoplastici: carichi di rottura e snervamento più bassi, allungamenti a rottura molto superiori ai metalli. Materiali compositi: il modulo è una media pesata, ai rapporti in volume rispetto dei moduli dei componenti.

Limite elastico di vari materiali per avere un'idea degli ordini di grandezza.

Comportamento plastico nei metalli

Comportamento plastico nei metalli: deformazione elastica, ritorna allo stato iniziale al rilascio stress. Frattura fragile, piano di clivaggio, frattura stress, piano di frattura dovuto allo schianto di clivaggio, piani cristallini che si separano.

Deformazione plastica: slittamento stress. Lo slittamento è reversibile perché non sono rotti dei legami, ne sono formati altri. La determinazione del carico di snervamento è difficile, quindi si definisce per convenzione il carico a cui corrisponde una deformazione permanente dello 0,2 e prende il nome di snervamento, scorrimento dei piani cristallini E0.2.

Moto delle dislocazioni

Moto delle dislocazioni di cristallo: deformazione di un cristallo perfetto. Scorrimento di un piano atomico rispetto all'altro, rottura di legami molto forti. La resistenza è 1000, 10000 volte quella di un cristallo perfetto reale.

Deformazione di un cristallo reale: rottura di un numero molto minore di legami per la presenza di dislocazioni; solo un piccolo numero di atomi scorre.

Le dislocazioni si muovono su piani e direzioni di densità atomica massima, con orientamento vicino a 45° dalla direzione del carico.

Formazione di bande di scorrimento in un materiale monocristallino. Ff A componente di taglio, Ft di F, direzione piano ray di scorrimento, area del piano di scorrimento, AA coscae. Tensione tangente al piano.

Legge di Schmidt: Fear cosaI coscac. Se a 45° X la tensione di taglio è massima.

Comportamento degli acciai

Comportamento degli acciai: il limite superiore inizia la deformazione permanente, E limite inferiore di snervamento, procede lo snervamento, il limite superiore. Andamento frastagliato: la deformazione permanente comincia dalle zone centrali fino a quelle periferiche, a05 muumuu dell tra interazioni.

Limite di snervamento inferiore a causa le atmosfere di dislocazioni nel reticolo e soluto dovute alla segregazione lineare, tratto che viene attratto saluto verso E elastico le dislocazioni a causa del campo di tensioni elastiche di trazione e compressione.

La linea dalle dislocazioni, per separarsi dalle atmosfere e procedere nel movimento, ha bisogno di tensioni maggiori. Quando la separazione è terminata, la tensione per propagare la deformazione diminuisce fino a raggiungere il limite inferiore.

Questo processo di snervamento si sviluppa in bande dette Liters. Si formano regioni. Queste bande si formano in punti di concentrazione delle tensioni con un angolo di 45°; le bande murmure che si sono propagate.

Dopo che tutto il provino ha le bande, occorre aumentare la sollecitazione. L'incrudimento, cioè le dislocazioni interagiscono e si ostacolano a vicenda; il cristallo diventa sempre più Edifficile da deformare plasticamente.

Bande Liters: traccia superficiale di piani di scorrimento atomico a densità alta in cui i carichi di taglio sono sufficienti per provocare il movimento delle dislocazioni.

Curva reale e curva ingegneristica

Curva reale e curva ingegneristica: nelle curve ingegneristiche è considerata la sezione del provino costante, illadurante la sezione varia. In realtà quindi il carico reale sopportato dal materiale e provare è maggiore di quello riportato nella curva ingegneristica.

Curva reale rottura a li sottesa alla curva definisce quanta energia si può assorbire nella zona di deformazione della rottura causa amia; area ingegneristica grande, materiale molto tenace. Fino al 10% di deformazione le due curve sono approssimabili l'una con l'altra.

Solidi ionici, covalenti e molecolari

Solidi ionici: inoltre gli ioni dei reticoli densità atomica ad elevata, piani densi sono poco pochissimi. Le dislocazioni sfavoriscono il moto, sono materiali fragili, si deformano plasticamente meno e si serrano, rompono anche con meno energia a causa della repulsione ionica.

Solidi covalenti: i legami direzionali sfavoriscono il moto delle dislocazioni e ci sono piani ad alta densità atomica, non sono fragili.

Solidi molecolari: la deformazione duttile, il materiale. I legami deboli rendono il moto delle dislocazioni, ma dipendono dalla maggior parte, non totalmente amorfi o parzialmente.

Resistenza dei materiali

Resistenza dei materiali: sapere il carico di snervamento, lo sforzo, qual è il massimo che può essere applicato senza produrre deformazioni permanenti. È il parametro che si usa nella pratica, e rnosiparametro la deformazione plastica.

Es e N.mn: la frattura nei polimeri eios e nelle materie plastiche sono4; diamanti dovute allo scorrimento delle catene, acciai 10 sicsiano3, Alti vetro, polimeriche, leghe, polietilene 102, cemento, la dipendenza dalla temperatura è molto più marcata negli elastomeri che nei metalli, o puri metalli, polimeri espansi.

Resistenza alla frattura: carico di rottura, in teoria sostanza liscia solido dovrebbe avere una resistenza alla frattura proporzionale al modulo elastico e molto maggiore di quella osservata. 45,5, una 600 alal, 23cu 1200, 8.0 vetro comune 800. La discrepanza è dovuta all'esistenza di piccole cricche nel materiale. 302100Fedi, 0.5NaCl ciao 18800Ag.

Meccanismi di frattura

Meccanismi di frattura: ummm duttile, frattura fragile, frattura poco deformazione senza strizione, duttile con poca plastica, completa strizione. Frattura Icaro, coppa, m fibrosa, taglio di rottura ricca di taglio con angolo di 45°, avvallamenti emisferici, duttile.

Frattura fragile: creste, facce piane, spigoli vivi, frattura, V striature a transgranulare tra grani.

Materiali metallici

Materiali metallici: i metalli puri hanno carico di snervamento molto basso ma una grande capacità di deformazione plastica.

Metodi di rafforzamento

Metodi di rafforzamento: nei metalli puri le dislocazioni si muovono molto facilmente, hanno carichi di snervamento bassi e quindi. La presenza di campi tensionali nel reticolo richiede bloccare il movimento delle dislocazioni, perché si devono spostare atomi già in posizione di equilibrio, anche a causa di repulsioni tra gli stati tensionali e nel reticolo.

Sistemi di rafforzamento: soluzioni solide interstiziali, sostituzionali O, incrudimento, affinamento del grano, seconda fase.

Rafforzamento per soluzione solida

Rafforzamento soluzione solida: elementi con raggio atomico diverso si inseriscono in lega, il reticolo risulta distorto e presenta campi tensionali che si oppongono alla deformazione plastica e aumentano il carico di snervamento. Le leghe sono più resistenti rispetto ai metalli puri.

Esempi: bronzo, ottone, acciai, rame, zinco, stagno, rame, acciai inox, attrazione dislocazione difetto. Forze di repulsione: atomo sostituzionale piccolo attratto dalla zona di compressione di una dislocazione a spigolo, deadline atmosfere di Cottrell, respinto dalla zona di trazione. Atomo grande attratto dalla zona di trazione e respinto da quella di compressione.

Esempi: CiBronzi Sn, leghe bronzi. Il reticolo è fortemente distorto, sn molto rafforzato quindi, per Sn si ha però bassa solubilità.

ZnOttoni, leghe Eu ottoni. Il reticolo è debolmente distorto, quindi rafforzamento minore e di Zr. Solubilità fino al 40, solubilità alta, più facile la creazione della lega. Questo rafforzamento è detto alligazione negli acciai.

Incrudimento

Incrudimento, work hardening: presenza di molte dislocazioni bloccate a causa dell'aumento della loro densità durante la deformazione. Un metallo già molto deformato è molto meno deformabile, es. FI.