Fenomeno del crack e del creep

CRACK MATERIALE METALLICO E CERAMICO

Perché un materiale ceramico quando cade si rompe e uno metallico no?

Tutti e due hanno difetti macroscopici, nei metalli si parla di difetti atomici perché così

abbiamo visto perché i materiali erano duttili, cioè sollecitati fino a deformarsi

plasticamente senza rompersi. I materiali ceramici si

rompono.

Questo perché?

Perché i materiali ceramici sono fatti da almeno due elementi, da un metallo e un non

metallo.

Il fatto che siano costituiti almeno da un metallo e un non metallo è importante perché

nella tabella periodica abbiamo due collocazioni diverse, in bande opposte.

Questo implica che l’elettronegatività (capacità di attrarre elettroni) è completamente

diversa, allora si instaura un legame ionico o nel migliore dei casi uno covalente in cui

vi è sbilancio fortissimo di carica.

I metalli sono individuati sempre con una valenza di tipo +, ++, +++, nel senso che in

realtà quando collegano con un altro elemento sono proni a cedere elettroni, i non

metalli invece acchiappano elettroni. Esempio è sodio e cloro, cloro (non metallo) si

carica – il sodio +, il sodio (metallo) cede elettroni. In questo caso si fa un legame di

tipo ionico che fa instaurare un legame elettrostatico e determina la coesione della

materia. Inoltre essendo elementi di natura diversa, fatalmente hanno

dimensioni diverse e se sono ordinati noi li rappresentiamo

cosi.

Immaginiamo una sollecitazione come in foto.

Come è possibile una sollecitazione trasversale se nella prova di trazione abbiamo

parlato di una forza ortogonale alla superficie?

la forza trasversale si tramuta in una forza parallela e normale come in foto

Basta solo prendere una giacitura diversa.

------Sforzo F/A nella parte alta. Per la proiezione che abbiamo scelto

Tuttavia la forza agisce su tutte le giaciture, quindi posso

immaginarne una in cui la forza ha componente normale e

tangenziale

Questo spiega come nascono le forze di scorrimento viste poco

prima.

In una qualunque giacitura gli atomi sono disposti come vogliono,

quindi se disposti in questo modo subiscono la forza tangenziale.

Lo sforzo agisce parallelamente alla superficie, si chiama sforzo tangenziale, con

questo gli atomi vengono sottoposti a questo gioco, cioè ad uno scorrimento di uni

sugli altri mentre la forza normale invece li distanzia (che è più difficile).

Il meccanismo più semplice, quello che richiede minore energia, è quello assiale.

Agli atomi di un metallo scorrere gli uni sugli altri non cambia nulla, basta infatti solo

superare il livello necessario di energia da dare agli atomi per formare le dislocazioni.

Fatto ciò trovano poi posizione di equilibrio permanente

Nei ceramici per lo stesso meccanismo di scorrimento, se gli ioni scorressero su di loro,

avremmo che gli ioni hanno posizione come in figura.

Notiamo affiancamento di cariche con stesso segno. Quindi quando il materiale

diventa sufficientemente deformato, le forze repulsive predominano su quelle coesive

poiché sto affacciando ioni dello stesso segno, quindi si apre la materia

istantaneamente.

Questo fenomeno di scorrimento quando avviene, gli ioni passano da un posto con

ingombro molto più piccolo, deve quindi forzare l’ingombro dello ione di prima. Questo

contribuisce alla difficoltà con cui avviene il processo.

in generale nelle strutture metalliche esistono piani e direzioni in cui gli atomi sono

adiacenti, compatti. È difficile far muovere gli atomi diagonalmente, è molto

più acile farli muovere in direzione orizzontale

La slip distance è enorme nel primo caso e deve farsi tra

l’altro spazio tra gli atomi

Nel secondo caso la slip distance è minore

Una combinazione di famiglie di piani e direzioni cristallografici che corrisponde alla

dislocazione è detta sistema di scorrimento.

È chiaro che far muovere gli atomi gli uni rispetto agli altri è facile nelle direzioni

indicate sopra.

Lo scorrimento avviene tra piani ad alta densità atomica perché dal punto di vista

energetico c’è bisogno di meno energia. Quindi fondamentalmente quando deformo

un materiale metallico, esso viene sollecitato lungo le sollecitazioni di giacitura nelle

quali si massimizza lo sforzo di scorrimento poiché questo laddove vede queste

grafiche diventa più semplice.

Quindi per completare la domanda di che differenza c’è tra duttilità dei metalli e la

fragilità dei ceramici:

- Nei materiali metallici: ci sono piani e direzioni ad alta densità atomica dove lo

scorrimento è facilitato

- Nei materiali ceramici: è difficile andare ad individuare piani e direzioni ad alta

densità atomica e quindi lo scorrimento è difficile che avvenga. Esempio è il

quarzo che subito si frantuma

Questo è quindi il primo motivo per cui i materiali ceramici non vengono sottoposti a

fenomeni di scorrimento.

Il secondo motivo è che quando pure succede questa cosa, si parlerà di composti ionici

che faranno affacciare cariche dallo stesso segno e quindi forze di repulsione. Quando

non sono ionici i legami sono fortemente covalenti. Questo è dovuto dalla grande

elettronegatività degli elementi, quando mettono in comune gli elettroni, questi sono

tutti o quasi spostati da un solo lato. Ho delle cariche parziali, cioè ho un legame

covalente fortemente polare che mi replica piu o meno questa situazione. Avremo

allora delle cariche parziali sigma La giacitura lungo la quale

avviene il massimo sforzo di

scorrimento è quella a 45° ,

su questa giacitura si genera

il massimo sforzo di

scorrimento. Questo non

significa che tutti gli atomi

sono disposti a 45° ma

significa che un metallo è

costituito da vari grani

cristallini che sono orientati in

un determinato modo e la

dove questo ha direzione a

45° avviene tale fenomeno. In

un materiale policristallino

come lo sono tutti i materiali

reali, troviamo sempre una

direzione che è orientata nel massimo sviluppo dello sforzo di scorrimento.

FENOMENO DEL CREEP

La durezza e la resistenza sono correlate dal fatto che fondamentalmente c’è una

relazione di tipo lineare. Qualunque sia il materiale generalmente il rapporto tra

durezza e resistenza è un rapporto stretto, fondamentalmente più e resistente più e

duro e viceversa. Le misure di durezza vengono fatte per verificare alcune proprietà

del materiale. Durezza e resistenza non hanno nulla a che vedere con la rigidezza, cioè

l’elasticità del materiale.

FENOMENO CREEP O SCORRIMENTO

Il fenomeno di creep è simile a quello di scorrimento. Se si applica uno sforzo a un

materiale nell’ambito elastico, questo sforzo da luogo a deformazione. Questa

deformazione resta invariata nel tempo. Se prendo un oggetto e applico un peso al di

sotto indefinitamente, questo peso ne determina una deformazione e resta invariata

nel tempo, questo però è vero se il tutto avviene nella zona elastica.

Se invece faccio questo stesso esperimento con una temperatura molto elevata, metto

un oggetto con peso costante applicato su di esso in una fornace, osserviamo una

deformazione. la deformazione inizialmente ha un valore e man

mano questa deformazione viaggia a seconda del

fenomeno del creep. Applico il peso a t=0 ho una

risposta elastica istantanea, se osservo lungo il

tempo la deformazione continua a viaggiare, quindi

ho una deformazione tempo dipendente. Per

misurare questo fenomeno si applica un peso

costante sul materiale e se ne osserva la

deformazione, che all’inizio è istantanea, poi

diventa tempo dipendente

il tratto intermedio è piuttosto

lineare

il creep è dovuto ad un aumento di

temperatura. Se aumento la

temperatura aumenta anche

l’energia che gli atomi posseggono

affinchè possano seguire questo

processo. Stiamo parlando ancora

una volta di un processo attivato

termicamente, cioè che l’energia

termica o cinetica vibrazionale degli

atomi nei solidi, è talmente grande

che un’aliquota di atomi ha un’energia sufficientemente grande da produrre questo

fenomeno di spostamento irreversibile degli atomi, come la deformazione plastica. Gli

atomi sappiamo che sonoo diversi, hanno un’energia distribuita e noi ne invochiamo

una media. Se c’è una media vuol dire che alcuni sono sopra la media altri sotto, quelli

sopra la media aumentano sempre di più perché vi sto fornendo energia cinetica.

Con il fornire di questa energia cinetica vediamo gli atomi che si sbattono in modo

sufficientemente grande in modo da produrre il fenomeno di climbing, cioè di

arrampicamento. Vediamo un atomo che vede una vacanza e si sposta, questo perché

ha un’energia

sufficientemente grande.

Ogni processo ha la sua energia di attivazione, siccome per la legge di Bolzman questa

aliquota è nulla solo in 0 gradi kelvin, allora in tutte le temperature vi è aliquota di

atomi che hanno energia sufficientemente per fare il processo di creep, cioè gli atomi

si spostano da una parte all’altra permanentemente. Quindi i materiali ordinari si

deformano permanentemente. Tutte queste cose qui sono possibili per i difetti presenti