Appunti di Comportamento Meccanico dei Materiali

COMPORTAMENTO A TRAZIONE

Da una prova di trazione monoassiale si possono ottenere varie informazioni su un materiale:

• Fino al punto A si ha deformazione elastica lineare, con pendenza pari al modulo di Young E del materiale
• Da A a B ho una transizione da comportamento elastico a comportamento elasto-plastico, in particolare in B ho lo snervamento del materiale
• Da B in C il materiale comincia a deformarsi plasticamente
• Da C in D ho comportamento elasto-plastico puro in cui si perde la linearità del tratto elastico
• In D si verifica la strizione sulla sezione media del provino, che pertanto va velocemente a rottura in

FENOMENO DELL'INCRUDIMENTO: Una volta giunto nel tratto elasto-plastico, la deformazione del provino può considerarsi come somma tra una deformazione elastica ε e una deformazione plastica εe p. Quando si scarica il provino, il materiale segue una retta inclinata come nel tratto elastico e ne risulta una deformazione.

plastica residua. Caricando di nuovo il materiale esso segue la stessa retta di scarico fino a snervarsi nel punto in cui si era scaricata precedentemente. In questo modo, se la curva elastoplastica è monotona crescente, il materiale si dice che va a incrudirsi (hardening), ossia aumenta la sua resistenza allosnervamento in seguito a deformazione plastica, se invece la curva elastoplastica è monotona decrescente, il materiale si dice che va ad addolcirsi (softening)

Microscopicamente l'incrudimento può essere spiegato con l'interazione, l'addensamento e la moltiplicazione delle dislocazioni nel processo di scorrimento plastico in prossimità di ostacoli interni al materiale, come per esempio bordi di grano, inclusioni e precipitati, che ne ostacolano il movimento e richiedono forze e temperature maggiori.

CONFRONTO TRA ACCIAI • Aumentando la percentuale di carbonio aumenta la resistenza dell'acciaio, in quanto esso blocca lo scorrimento delle dislocazioni.

Al contempo però causa anche una maggiore fragilità. Il modulo di Young resta sostanzialmente invariato in quanto determinato principalmente dai legami atomici.

• Aumentando la temperatura aumenta la duttilità in quanto è più facile lo scorrimento delle dislocazioni. Si verifica anche che all'aumentare della temperatura il materiale tenda a softening.
• Aumentando la velocità di carico diminuisce la duttilità in quanto la plasticità è un progressivo che necessita di tempo per avvenire. A velocità di carico maggiori ho plasticizzazioni minori.
• Gli acciai con intagli sono più resistenti a parità di sezione e carico statico. Infatti, a parità di sezione A, la forza F sul provino non intagliato si scarica uniformemente sulla sezione, mentre nel provino intagliato si scarica maggiormente sulla sezione con un fattore di concentrazione degli intagli Kt, mentre sul resto della sezione è più bassa.

In questo modo solamente la zona sull'intaglio è plasticizzata e di conseguenza sarà necessaria una forza F maggiore per plasticizzare tutta la sezione.

MODELLAZIONE PLASTICITA' per modellare la plasticità si assume che la deformazione si possa decomporre additivamente in una parte elastica ε e in una parte plastica ε. Si possono usare diversi modelli per rappresentare la curva di deformazione plastica dopo lo snervamento.

MODELLO ELASTICO-PLASTICO IDEALE: In questo modello, una volta raggiunto lo snervamento, il materiale si deforma senza ulteriore apporto di sforzo.

INCRUDIMENTO/ADDOLCIMENTO LINEARE: In questo modello, una volta raggiunto lo snervamento, la curva rimane lineare con una pendenza data dal modulo di incrudimento (pendenza positiva) oppure modulo di addolcimento (pendenza negativa).

MODELLO DI HOLOMON: In questo modello, una volta raggiunto lo snervamento, la curva di plasticizzazione viene modellata con una esponenziale della

deformazionetotale.MODELLO DI RAMBERG-OSGOOD In questo modello si non si fa differenza tra il trattoelastico e il tratto plastico, la curva totale vienemodellata come un esponenziale della soladeformazione plastica

CREEPLa temperatura è un parametro molto importante per le condizioni di esercizio di un componente.L'aumento della temperatura in un sistema meccanico genera:

• Maggiore mobilità degli atomi che comporta un aumento della mobilità delle dislocazioni e dellevacanze
• Aumento delle deformazioni a cui è soggetto il componente, riducendone il campo elastico
• Trasformazione della microstruttura del materiale e diminuzione delle proprietà meccaniche
• Fenomeni di fatica termica: una variazione di temperatura genera una variazione di deformazioni che causa pertanto una variazione di sforzo
• Fenomeni di creep e di rilassamento

FENOMENO DEL CREEP Il creep è un fenomeno di scorrimento viscoso a caldo, che consiste in

Un progressivo accumulo di deformazione plastica nel tempo a carico e temperatura costante. Avviene prevalentemente a temperature T>T per i metalli, con T la temperatura di fusione, mentre per i polimeri avviene a temperature maggiori della temperatura di transizione vetrosa. Per ridurre le problematiche di creep si possono usare leghe Nichel-Cobalto.

CURVE DI CREEP

Le curve di creep sono curve ricavate da test a temperatura e carico costante sui provini e indicano la deformazione nel tempo del provino. Dalla curva si possono ricavare le seguenti proprietà:

• ε è la deformazione statica iniziale puramente elastica del provino
• Creep primario: La zona del creep primario è una zona in cui la velocità di deformazione dε/dt diminuisce nel tempo a causa di fenomeni di incrudimento che aumentano le dislocazioni
• Creep secondario: Nella zona del creep secondario la velocità di deformazione raggiunge il minimo e resta costante, in questa zona

1. La rigidezza del provino diminuisce nel tempo (bass a sinistra) facendo il modulo elastico secante.
2. In seguito posso riportare il modulo elastico secante nel tempo nel grafico in basse a destra e notare come esso sia monotono decrescente nel tempo.

MECCANISMI DI CREEP

I meccanismi principali di creep sono tre: il creep dislocazionale, il creep diffusivo e il grain sliding.

CREEP DISLOCAZIONALE: questo meccanismo di creep si verifica ad alti sforzi e temperature, richiesti per far muovere le dislocazioni. La deformazione plastica di creep avviene tramite moto delle dislocazioni con meccanismi di climb+glide. Il glide causa la effettiva deformazione. Il climb invece, che è più lento, regola la velocità di deformazione. La velocità nel creep secondario con questo meccanismo è inversamente proporzionale alla temperatura T e va come lo sforzo elevato a un esponente 3<n<8, D è il coefficiente di diffusione di tipo Arrhenius mentre gli altri parametri sono parametri del.