Scienze e tecnologie dei materiali (prima parte)

E

senza fessura alla condizione finale con la fessura.

O

UE-A i elastica untà di volue

energia per

↳ oggiunta del della superficie

volume nuova

superficiale

Us 4 cy energia

=

4 fessura

E superfici

C nuove

= > sup

-

superficiale

energia

y = 2)

priot

UtoT -UE Us Mc2

= y4

+

= + puvole US

propogoris

e rou

riesce a

dimimisece

amentando

· -

a Lunghezza difetto

Formula di Griffith

Se in un campione ho due difetti allora lo sforzo di rottura è determinato dal difetto più grande.

=

a ↑ Critica

I difetti del vetro

I difetti del vetro si trovano sulla superficie. Se asportiamo uno strato superficiale, rimuoviamo

anche parte dei difetti e aumentiamo la resistenza del vetro anche di 1-2 GPa

N.B per osservare l’aumento della resistenza, bisogna misurarla appena eseguito il trattamento

HF(corrosione controllata con acido fluoridrico) e toccare il campione con estrema calma questo

perchè i difetti sul vetro sono facilmente reintrodotti anche semplicemente maneggiandolo.

Principalmente i difetti del vetro si formano a causa del contatto con particelle dure e

acuminate, per questo le lastre di vetro si evita che stiano a contatto l’una con l’altra.

La prova di durezza che viene utilizzata per il vetro è la Vickers con penetratore di diamante a

forma piramidale con base quadrata 3

854

HV - comicaopplicato

-

1 10

= e

.

, marte

Modulo elastico del vetro

Il modulo elastico dei vetri dipende da due fattori:

• dall’energia dei legami atomici;

• dal fattore di impaccamento atomico.

L’aggiunta di ossido di silice non fa abbassare notevolmente E perchè è si vero che il legame

diventa più debole ma questo è compensato dall’aumento dell’ impaccamento.

N.B. Porosità: non influisce sul coefficiente di dilatazione termica

fa diminuire il modulo elastico

Tempra termica

La tempra termica del vetro si ottiene riscaldando il vetro ad una temperatura di 50-100°C

sopra la temperatura di transizione vetrosa ed operando un raffreddamento veloce e

controllato che permette di ottenere, a Tamb, uno sforzo residuo di compressione

superficiale. Come abbiamo visti i difetti si

formano principalmente in

superficie, quindi avere

compressione sulla superficie fa si

che prima di rompere un pezzo

bisogni superare anche questo

sforzo. E

8 GA-8c

= =

Possiamo arrivare ad ottenere

sforzi di rottura anche 2/3

volte più grandi

Origine delle tensioni residue

Materiale elastico

In un materiale elastico ad ogni gradiente di temperatura corrisponde un gradiente di sforzo.

Quando il componente torna in equilibrio termico si annulla anche il gradiente di sforzo.

SFORZO MASSIMO

EE

+ =

I EX(T2 Tr)

-

= -

Per il materiale elastico avviando il raffreddamento avrò prima una contrazione delle superfici

che verranno portate in trazione e per equilibrio il cuore messo in compressione, una volta

raggiunto l’equilibrio termico però tutti gli sforzi del materiale vengono annullati.

Materiale visco-elastico

In un materiale visco-elastico se le tensioni termoelastiche riescono ad annullarsi per

rilassamento viscoso e poi il materiale, raffreddandosi, perde la componente viscosa e si

comporta solo elasticamente, allora quando si annulla il gradiente di T si formano le tensioni

permanenti.

Nel campo visco-elastico a causa del raffreddamento ho trazione in superficie e

compressione al cuore, andando sotto Tg passo ad un comportamento elastico che fa si

che continuando a raffreddare mi rimangano dei gli sforzi permanenti applicati che sono di

compressione in superficie e trazione al cuore.

Andamento tensioni nei vetri temprati Proprietà:

• lo spessore dello strato superficiale in

compressione è circa 1/5 dello spessore

della lastra;

• lo sforzo di compressione aumenta di

ca 200MPa e quindi la resistenza del

vetro aumenta notevolmente;

• la TT va applicata su vetri spessi,

2-3mm per far si che si crei gradiente

termico;

• dopo TT i vetri non possono più essere

lavorati meccanicamente o riscaldati,

quindi le lavorazioni si preferisce farle

prima;

• la frattura del vetro temprato libera

tutta l’energia elastica immagazzinata

con le tensioni e questa porta alla

formazione di molti piccoli frammenti.

La tempra chimica

La tempra chimica di un vetro consiste in un processo di scambio ionico, che porta alla

formazione di uno strato superficiale del vetro a volume molare maggiore al vetro sottostante,

questo è dato dal raggio ionico diverso dei due elementi.

* Nat

K

es :

Superficie in compressione e per equilibrare il cuore va in trazione.

Il processo

La tempra chimica è un processo diffusionale che si effettua per immersione dell’oggetto da

temprare in un bagno di sali fusi. La temperatura alla quale si effettua il processo deve avere i

seguenti requisiti:

• deve essere superiore alla Tfus dei sali;

• deve essere sufficientemente elevata da permettere una diffusione in tempi ragionevoli (ore,

1-2gg);

• deve essere sufficientemente bassa da non permettere il rilassamento delle tensioni che si

formano;

In pratica si opera ca 50°C sotto il punto di tensione del vetro.

Il profilo di sforzo

• lo strato superficiale compresso a differenza

della TT è estremamente sottile(ca 100µm)

• lo sforzo di compressione è

elevato(600-800MPa)

Viene spesso utilizzata per temprare lenti di

occhiali

N.B con la tempra chimica posso temprare

anche vetri molto sottili e il vetro finale sarà

più soggetto a danneggiamenti

superficiali(graffi), difetti che arrivano più

facilmente in superficie.

SHOCK TERMICO

Sforzo massimo che si crea al raffreddamento Il materiale si frattura quando:

EE

W Eh(T1 ·

Ta) Ocritico

ST

=

= =

-

(T1-Ta)Crico ATcrinco =E

=

Se ∆T è elevato significa che posso raffreddare il materiale da alta temperatura senza arrivare

allo sforzo critico, quindi resiste bene allo shock termico. Il ∆T prende anche il nome di “RST”.

Misura ∆ sperimentalmente

Metodo della tempra in H2O

Si riscaldano i provini a temperature crescenti

e poi si temprano in acqua, infine si misura la

resistenza a flessione.

Quando la resistenza diminuisce sotto il 50%

allora si considera quel ∆T come critico

Note: questa prova non provoca la rottura del

provino ma solo l’allungamento dei difetti

Proprietà chimiche

Struttura dei vetri sodico-calcici

Se poniamo un vetro in una soluzione

acquosa, quello che osserveremo

all’interno del reticolo è che gli atomi di Not

Na+ escono dal vetro e vanno in a

soluzione e vengono rimpiazzati con

uno di idrogeno andando a formare un H +

gruppo OH .

•Questo processo diffusivo diventa Cat

sempre più difficile in quanto gli

scambi possibili diminuiscono volta per

volta.

•Processo reso lento a causa

dell’ingombro sferico degli atomi di

Ca 2+.

Resistenza chimica del vetro

Il vetro è un materiale che resiste molto bene alla corrosione e la resistenza chimica va a

misurare appunto di quanto si corrode un materiale.

ATTACCO ACIDO

Nalglon) HzOT

HzOTw) Nat(w)

gla) +

+ = ,

RBS = concentrazione elemento/ concentrazione elemento in superficie

Osservazioni:

• quando sono a 1 sul grafico significa che non ho superficie corrosa;

• quando sono in ambiente acido ho poca perdita di peso, mentre in ambiente basico ho molta

perdita di peso

Attacco acido: non dipende linearmente dal tempo.

Attacco basico: dipende linearmente del tempo.

HF attocca velocemente il vetra

O O F-sit

.

-St St

Si Si

S

O- ot

O

O D- 3 -

- -

- -

-

- -

f- N

I

X

(

of of -o

-o F

HF I

Ripetendo F

F

questo Si

-

pvolte aco

processo -

#

•HCl non è in grado di attivare perchè Cl è troppo voluminoso e non riesce a reagire con la silice e

rompere il legame quindi formerà solamente il gruppo OH.

•Vetro sodico-calcico è il meno resistente, mentre i vetro boro-silicato resiste molto bene perchè

può scambiare pochi Na BASICO

O O

O O

i i

st St

- -

+

N 0

Si Na Si-OH

S

O- -S-0-

O O

D- +

~

- - - -

-

Or - f-

01

( of

-o -o

L'ossigeno portante

OH da terminale

possa a

Proprietà ottiche: indice di rifrazione, n

L’indice di rifrazione, n, è dato dal rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la della luce

nel materiale in oggetto.

Legge nei Snell ed

2 e

=

L’indice di rifrazione misura l’interazione tra la luce(radiazione elettromagnetica) e gli elettroni

degli atomi che costituiscono il materiale.

Proprietà

• aumenta(diminuisce la velocità della luce nel materiale in esame) se aumenta la densità

elettronica, o la loro polarizzabilità(cioè se possono facilmente essere messi in oscillazione

dal campo elettromagnetico della luce—> se ho atomi con raggio atomico elevato significa

che saranno polarizzabili più facilmente)ovvero la facilità con cui gli elettroni possono

interagire con il campo elettrico.

Osservazione:

Se i due parametri che influenzano n sono polarizzazione e densità perchè il litio avente

raggio atomico molto piccolo e quindi densità alta si trova sopra il potassio che ha un

ingombro sferico più elevato?

• questo perchè in questo caso la densità influisce di più della polarizzazione sulla

determinazione di n

• Cs(cesio): raggio atomico elevato—> facilmente polarizzabile e quindi n alto

N.B. una radiazione luminosa sente che sta attraversando un’interfaccia solo se la dimensione

della seconda fase “d” è confrontabile alla lunghezza d’onda incidente.

Trasmittanza

Tutti i materiale, chi più chi meno, assorbono energia da un fascio di luce.

La quantità di energia luminosa per unità di superficie assorbita da un materiale è in funzione

dello spessore attraversato secondo la legge di Lambert-Beer:

In Be

-

e

-

Ia

ß = coefficiente di assorbimento —> dipende dalla lunghezza d’onda;

l = spessore attraversato (cammino ottico) —> solo se è elevato si può percepire il colore