Prima parte appunti Materiali per il design

● DISLOCAZIONE A SPIGOLO DI UN CRISTALLO CUBICO SEMPLICE

-Si verifica lo scorrimento e la ricostruzione di legami lungo il piano di scorrimento (a e b )

-Le configurazioni in altre strutture cristalline sono più complesse,ma il principio resta lo

stesso

-Il vettore di scorrimento b è perpendicolare al piano di scorrimento 6

Quando una dislocazione si verifica,essa provoca lo scivolamento

della parte di materiale che si trova al di sopra del piano di

scorrimento, di una quantità pari al vettore b, inducendo una

deformazione di taglio τ.

● DISLOCAZIONE A VITE

-Il principio di scorrimento è lo stesso delle dislocazioni a spigolo;

-Il vettore di scorrimento b è parallelo al piano di scorrimento

- Le dislocazioni possono essere a spigolo,a vite o miste;

- Nei cristalli reali è più facile che si generino dislocazioni su alcuni piani piuttosto che

su altri (b)(c);

- Gli spostamenti per scorrimento sono ridotti, tuttavia se milioni di dislocazioni

attraversano un cristallo, muovendosi su svariati piani, la geometria del materiale si

modifica su scala macroscopica

- Le linee di dislocazioni miste possono presentarsi incurvate

Possono essere osservate al TEM (Transmission Electron Microscope) e risultano visibili ad

elevati ingrandimenti

Flusso plastico nei polimeri: a)Le molecole della zona in trazione si allineano

b)Per piccole regioni fessurate si genera il fenomeno del

crazing ed il materiale stirato si trasforma in filamenti che

collegano le superfici della cricca;

c)Quando il crazing limita la duttilità a trazione, sono

possibili test di compressione. La compressione genera

bande di scorrimento di taglio

La maggior parte dei polimeri a bassa temperatura sono fragili;

Il materiale stirato, per effetto dell’allineamento delle molecole, risulta più resistente e rigido

di quanto fosse in precedenza ;Le geometrie dei polimeri stirati sono limitate essenzialmente

a fibre e lastre

Molti polimeri, come PA, PE e PP, possono essere allineati a T ambiente, altri come il

PMMA, per effetto di una più elevata Tg , vanno invece riscaldati 7

Come aumentare la resistenza dei metalli:

c(a) Reticolo ideale

(b) Rafforzamento per soluzione solida -

resistenza f

ss

(c)Rafforzamento per precipitazione -

resistenza f

ppt

(d)Rafforzamento per incrudimento-

resistenza f

wh

Rafforzamento per soluzione solida:

Piccole particelle solide di un composto ad elevato punto di fusione vengono

❖ disperse in un metallo fuso con il metodo dell’alligazione;

Gli atomi aggiunti hanno una dimensione più grande di quelli della soluzione ed

❖ agiscono come «impurezze», «ostacoli»;

Il piano di scorrimento si corruga per effetto della presenza degli atomi dispersi,

❖ rendendo meno favorevole il moto dislocativo.

Rafforzamento per precipitazione:

Un soluto viene sciolto in un metallo ed entrambi risultano allo stato fuso. La lega

★ viene poi raffreddata ed il soluto precipita sotto forma di piccole particelle

Leghe di alluminio rafforzate in questo modo possono raggiungere resistenze di circa

★ 15 volte maggiori dell’alluminio puro. 8

Rafforzamento per incrudimento:

Quando un metallo è deformato a freddo la densità delle dislocazioni si moltiplica,

➢ fino a valori di 10 m/m³

Quando la dislocazione avanza si creano una serie di «scalini» (dislocazione a

➢ foresta) che fanno crescere il limite elastico;

Per alcune lavorazioni tale caratteristica può essere indesiderata e si è costretti ad

➢ interrompere la lavorazione e ricuocere il metallo (per eliminare/ridurre le

dislocazioni)

Meccanismi di rafforzamento e loro utilizzo per leghe ed applicazioni specifiche

L’utilizzo dei meccanismi di rafforzamento è frequente per la applicazioni ingegneristiche e

spesso avviene in maniera combinata tra le diverse tecniche

Meccanismo di rafforzamento e duttilità

I meccanismi di rafforzamento, producono un aumento della resistenza a snervamento, σ ,

y

tuttavia essi determinano una riduzione della duttilità e quindi della deformazione a rottura

(ε )

f

Meccanismi di rafforzamento dei polimeri

Creazione di blend (miscele) polimerici

➔ Utilizzo di processi di lavorazione che ne determinino l’allineamento delle catene

➔ Formazione di forti legami trasversali (cross-linking tra atomi di carbonio);

➔ Aggiunta di rinforzi sotto forma di fibre, particelle o tessuti

➔ 9

Possibili criticità :

● Per i blend polimerici il costo tende ad aumentare ed il processo richiede un controllo

più complesso ed elevato;

● Processi come la trafilatura possono risultare molto restrittivi a livello geometrico (si

possono produrre fibre e lastre in genere)

● Il cross-linking è tipico dei termoindurenti, che non risultano rilavorabili e riciclabili a

caldo, a differenza dei termoplastici

● I compositi hanno un costo più elevato, i processi produttivi risultano ancora poco

automatizzati e la gestione dell’interfaccia matrice/rinforzo non risulta sempre

agevole

Lezione 9:

Tenacità e frattura:

La tenacità è rappresentativa della resistenza di un materiale alla propagazione di una

frattura. Per i materiali tenaci, in presenza di un carico, la frattura propaga lentamente, per i

materiali fragili rapidamente. La capacità di controllare le rotture è importante in molte

applicazioni,come le aperture a strappo delle lattine. Conoscere la tenacità di un materiale è

essenziale per il processo di lavorazione.

Comportamento tenace → In presenza di una piccola fessura un materiale tenace snerva ed

assorbe energia in maniera analoga allo stesso senza cricche. In un materiale fragile la

frattura si propaga velocemente ed il campione si rompe sotto una sollecitazione ben al di

sotto del suo limite elastico

Misura della tenacità → Test su provino intagliato (a) o ad urto (b)

possono essere utilizzati per il controllo di qualità. Essi misurano

una energia e dipendono da dimensioni e forma del provino. Non

misurano una proprietà intrinseca del materiale.

Fressure e sollecitazione locale → Le fessure concentrano la sollecitazione, che risulta

proporzionale al numero di linee per unità di lunghezza, incrementandosi significamente

quando ci si avvicina al vertice della fessura 10

Tenacità a frattura è una proprietà del materiale.Esistono differenti geometrie e setup di

prova.Se adeguatamente condotte,forniscono tutte lo stesso valore di tenacità a frattura.

Vertice della cricca e plasticità Lunghezza critica della cricca

Quando le fessure sono “piccole” i materiali si

deformano plasticamente al vertice della cricca.

I valori di lunghezza critica della cricca variano

molto a seconda dei materiali. Per i ceramici ed in

parte anche per i polimeri la presenza di difetti e

cricche porta spesso ad una frattura fragile

Origine della tenacità: l’energia superficiale

L’energia superficiale (γ) è l’energia richiesta per creare una nuova superficie unitaria, fornita

in J/m² . La tenacità non può essere inferiore a 2γ. Per la maggior parte dei

materiali questo valore è più alto di centinaia di volte per effetto dei

fenomeni di deformazione plastica.

Rottura fragile per clivaggio: è tipica di materiali fragili come ceramici e vetri. Non si

verificano fenomeni di deformazione plastica e l’energia assorbita è molto piccola. Quando

la sollecitazione locale supera la resistenza ideale, si genera una frattura per clivaggio.

Rottura “duttile” tenace : Tipica di metalli e polimeri. I metalli sarebbero capaci di

assottigliarsi fino a che la sezione resistente non si annulla. Tuttavia contengono sempre

piccole inclusioni che vanno a concentrare gli sforzi, a formare piccole cavità ed infine a

generare una frattura. Se la cricca si verifica per un materiale duttile,si forma una zona

plastica al suo vertice. 11

Osservazioni sulle tipologie di rottura:

Per diversi tipi di applicazioni la rottura per clivaggio è molto più pericolosa di quella

★ duttile

A basse temperature alcuni metalli e tutti i polimeri diventano fragili e si fratturano per

★ clivaggio (la zona plastica della cricca si riduce)

Per metalli con struttura FCC la frattura resta duttile anche a basse temperature

★ Per metalli con struttura BCC per la frattura la transizione da duttile a fragile avviene

★ a temperature prossime allo 0°C

I bordi di grano finiscono per essere per i metalli i siti in cui si accumulano impurezze. Ciò

genera dei “percorsi preferenziali” a bassa tenacità che possono portare ad una frattura

fragile intergranulare.

Resistenza - tenacità metalli : l’incremento del limite elastico induce una contrazione della

zona plastica al vertice della cricca.Più piccola è la zona, minore è la tenacità.

Tenacità polimeri e composti : tenacità e modulo E possono essere modificati o attraverso la

chimica del polimero (cross-linking, peso molecolare, cristallinità, copolimerizzazione) ,

oppure aggiungendo fillers o fibre.

Compositi a fibra lunga e tenacità

La frattura si propaga nella matrice. La fessurazione delle fibre è multipla e la forza di

estrazione (pull-out) delle singole fibre si oppone all’apertura della fessura, dissipando

energia e massimizzando la tenacizzazione.

Fatica

L’applicazione di carichi non costanti nel tempo, in particolare con andamento temporale

ciclico, comporta la possibile rottura dei componenti anche quando la sollecitazione

massima è inferiore al carico di snervamento del materiale.

Questo fenomeno è:

- Permanente (non reversibile)

- Progressivo (ogni applicazione di carico induce un danno)

- Localizzato (non è un degrado delle caratteristiche del materiale, ma riguarda

soltanto una zona limitata del componente)

Fatica: carichi ciclici →I carichi ciclici possono essere caratterizzati

da diverse ampiezze. Bassissime ampiezze, come per le vibrazioni

acustiche (a); ampiezze più elevate (al di sotto del limite elastico)

su un numero elevato di cicli (b); ampiezze molto elevate (superiori

al limite elastico, inferiori alla resistenza a trazione) su un numero

basso di cicli (c).

In assenza di cricche l’ampiezza di sollecitazione è costante. In presenza di cricche, una

sollecitazione costante Δσ produce un’ampiezza crescente di intensità di sollecitazione ΔK.

12

σ σ

Limite a fatica, ,corrisponde all’ampiezza di sollecitazione, , che si manifesta rispetto ad

e a

σ

una sollecitazione media, , nulla e ad un valore R di -1 al di sotto della