Tecnologia meccanica - pag. 47-62

Lezione del 15/10/12: relazioni “struttura-proprietà meccaniche”

Materiali bifasici

Quando abbiamo un materiale nel quale coesistono due fasi, vuol dire che esiste un’interfaccia tra le due. L’interfaccia rappresenta un aspetto un po’ critico, una sorta di difetto della struttura, perché il suo contenuto energetico è decisamente maggiore rispetto quello all’interno dei singoli grani cristallini e delle singole fasi. Questo fatto fa sì che sia più facile rompere il materiale in corrispondenza dell’interfaccia perché è sufficiente fornire una minor quantità di energia per distruggere l’interfaccia stessa.

Ma quanta è questa energia presente nell’interfaccia?

Dipende, perché entra in gioco il concetto di bagnabilità: si parla di due fasi che si bagnano reciprocamente oppure no; per esempio: appoggiando una goccia d’acqua su una superficie, la goccia può aprirsi e diventare molto ampia di dimensione, oppure rimanere piuttosto “alta” con un’interfaccia minore.

In sostanza se l’angolo è minore di 90° si dice che c’è bagnabilità tra le due sostanze, se invece l’angolo è più grande di 90° la goccia rimane alta sulla superficie e non c’è bagnabilità. Se non c’è bagnabilità il contenuto energetico dell’interfaccia è alto, altrimenti è più basso. Questo si traduce nel dire che se c’è bagnabilità le due fasi sono legate meglio e se non c’è bagnabilità è più facile separare le due fasi. Non è quindi sufficiente conoscere la composizione di un materiale per sapere come si comporta, perché in base alla bagnabilità il comportamento meccanico cambia anche di molto. Adesso vedremo una serie di situazioni che si possono presentare e in cui entrano in gioco molte variabili tra cui la bagnabilità, la forma sotto la quale si presentano le fasi e la loro duttilità o fragilità.

Vediamo la seguente figura: 41

Ogni colonna rappresenta una situazione diversa: le linee continue identificano la resistenza meccanica della struttura complessiva, espressa sotto la tensione di snervamento; mentre le linee tratteggiate rappresentano la duttilità della struttura complessiva espressa come allungamento a rottura.

Situazioni possibili

• Situazione 1. Quando abbiamo due fasi che sono entrambe duttili e si bagnano reciprocamente, la struttura complessiva si comporta come se esistesse una sola fase. Quando noi deformiamo, le dislocazioni possono passare da una fase all’altra senza grossi problemi e le caratteristiche meccaniche sono date dalla media pesata delle due sostanze presenti.

• Situazione 2. Le cose si complicano quando almeno una delle due fasi è fragile e l’altra è duttile, bagnandosi reciprocamente. Esistono tre varianti che dipendono dalla morfologia sotto la quale si presentano le fasi e dalle loro dimensioni:

  • A) La fase fragile è la matrice, cioè quella presenta in quantità maggiore, al cui interno ci sono delle particelle duttili. La massa complessiva si comporta come massa fragile perché le particelle duttili al suo interno praticamente non influiscono sul comportamento. In genere i materiali fragili non resistono a trazione, infatti si vede che la resistenza allo snervamento a trazione è bassa e la duttilità è praticamente nulla data la matrice fragile; perciò la linea tratteggiata va praticamente a zero; però i materiali fragili, duri, possono resistere bene a compressione come ad esempio il calcestruzzo. La fase secondaria duttile è come se non ci fosse, ha scarsissima influenza sulle proprietà meccaniche complessive. 42

  • B) La matrice è duttile e la fase secondaria è fragile, che si presenta sotto forma di lamelle o aghi di spessore rilevante. Perciò stiamo parlando di qualcosa di spessore e dimensioni abbastanza importanti e lo si vede per l’ingrandimento a 25x; gli oggetti scuri rappresentano la fase fragile che si trova all’interno della fase duttile. In questo caso le lamelle o aghi, se l’oggetto complessivo viene sottoposto a carico, per il fatto che hanno delle dimensioni abbastanza grandi e delle forme allungate, determinano una forte concentrazione delle tensioni. Di conseguenza le proprietà meccaniche ne risentono perché a trazione, dove c’è una forte concentrazione delle tensioni parte la cricca e il pezzo si rompe: la duttilità è quindi praticamente a zero. Invece a compressione tutto sommato il comportamento è abbastanza buono e il fatto che la matrice sia duttile diventa quasi irrilevante a causa di questa forte concentrazione delle tensioni.

  • C) Se le lamelle sono di dimensioni più piccole, questo effetto di concentrazione delle tensioni diventa molto minore e, in effetti, si può vedere che la duttilità aumenta. Le lamelle, siccome sono più diffuse, in qualche misura cominciano a diventare un piccolo ostacolo alla diffusione e alla propagazione delle dislocazioni. Di conseguenza il materiale risulta un po’ più resistente proprio perché le lamelle sono più piccole, numerose e diffuse.

  • D) Abbiamo delle lamelle molto più piccole, infatti passiamo da 100x a 1000x. In questo caso l’effetto di ostacolo al movimento delle dislocazioni diventa molto più efficace, per cui la resistenza meccanica aumenta notevolmente e la duttilità migliora rispetto la situazione precedente. Le lamelle sono più sottili ed è minore l’effetto di concentrazione delle tensioni, perciò il materiale riacquista quasi la duttilità che aveva la matrice senza la presenza della seconda fase. Abbiamo il beneficio di questo ostacolo al movimento delle dislocazioni con una perdita, di solito assolutamente accettabile, di duttilità. Fra l’altro questo ostacolo al movimento delle dislocazioni determina un rapido incrudimento del materiale e anche questo contribuisce ad aumentarne la resistenza.

• Situazione 3. Abbiamo sempre la stessa matrice duttile, ma la fase fragile secondaria è presente sotto forma globulare, non più di lamelle; questa fase ha un aspetto di palline di materiale fragile. Analizziamo le due situazioni possibili, in relazione alle dimensioni della seconda fase.

  • A) In questo caso se le particelle sono tutto sommato di dimensioni grandi, 100x, la loro presenza non altera in nessun modo la resistenza né la duttilità, che rimangono le stesse della matrice, perché le dislocazioni possono facilmente girare intorno a questi globi di materiale fragile. La loro presenza è quindi irrilevante, inoltre non c’è effetto di intaglio perché avendo forma globulare non c’è concentrazione delle tensioni.

  • B) Molto più interessante è la situazione in cui le particelle sono ancora di tipo sferoidale ma sono molto più piccole, l’ingrandimento infatti passa da 100x a 10000x, sono anche numerosissime. Ritorna in gioco quell’effetto di rallentamento, di ostacolo al movimento delle dislocazioni che diventa più efficace rispetto la situazione precedente proprio perché le particelle sono molto piccole. 43

    Ciò vuol dire che quando all’interno di una fase primaria duttile riusciamo a produrre delle particelle globulari piccolissime di materiale fragile, è il meccanismo più efficace tra quelli fin qui considerati per aumentare la resistenza meccanica della matrice. La duttilità è “bassetta” e, di fatto, in questo caso la matrice duttile funge quasi come un legante tra tutte le particelle dure e fragili presenti come fase secondaria. Questo tipo di meccanismo per indurire i materiali si usa in quelli per utensili per asportazione.

  • C) Una situazione che nell’immagine non è presa in considerazione, che sarebbe appunto la 3c, è quella in cui le particelle fragili, c’è sempre bagnabilità, in questo caso si trovano sia all’interno dei singoli grani cristallini, sia all’interfaccia tra un grano e l’altro. In questa situazione le particelle hanno l’effetto positivo di consentire un rapido incrudimento del materiale, perciò si hanno prestazioni meccaniche migliori, ma il fatto che siano presenti anche dentro i grani cristallini migliora anche il comportamento ad alta temperatura: in sostanza migliora la resistenza al creep. Vi ricordo che se un materiale viene sollecitato ad alta temperatura, lentamente, la deformazione non avviene più all’interno dei grani cristallini sotto forma di movimento di dislocazioni, ma avviene come spostamento di un grano rispetto quelli adiacenti. Queste particelle dure presenti sui bordi dei grani ostacolano questi spostamenti fra grano e grano e di conseguenza anche la resistenza al creep viene migliorata.

• Situazione 4. Nell'ultima situazione, la peggiore, abbiamo ancora la matrice duttile e una fase secondaria fragile ma non c’è bagnabilità; quindi il contenuto energetico all’interfaccia è alto: vuol dire che applicando un piccolo carico è possibile separare le due fasi. In sostanza il fatto che non ci sia bagnabilità è come se ci fosse già un