Appunti di Metallurgia e materiali non metallici

KCU

Provette con intaglio ad V (KCV)

Le provette a sbalzo con intaglio a V sono definite KIZ

La prova

La prova è effettuata caricando il pendolo per poi lasciarlo

cadere con il coltello dalla parte opposta all’intaglio della

provetta, in modo da provocare una frattura in

corrispondenza di essa. Il pendolo, una volta fratturato il

materiale e passata la provetta, salirà dall’altra parte con

un angolazione inferiore a quella di partenza. La resilienza

è la differenza delle energie potenziali all’istante iniziale e

finale. =∙∙−∙∙ℎ

= ∙ ∙ ∙ (cos − cos )

Nei materiali tenaci, la frattura procede con il percussore (il percussore deve “farsi strada” nel materiale), si

ha quindi una deformazione plastica 3

Nei materiali fragili, la frattura si propaga alla velocità del suono nel metallo (~10 m/s), molto più

velocemente del percussore, senza alcuna deformazione plastica, in quanto avviene separando un cristallo

dall’altro.

La resilienza certificata è ottenuta come media di tre prove condotte ad una determinata temperatura

(definita dal cliente), ed è necessario che nessuna dei tre risultati ottenuti sia inferiore ad un determinato

valore minimo.

27 J è il valore soglia tra i materiali tenaci e fragili.

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METALLURGIA E MATERIALI NON METALLICI

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La meccanica della frattura lineare-elastica

La meccanica della frattura è quel ramo della meccanica che si occupa di studiare gli effetti di cricche e difetti

sullo stato di sforzo applicato ad un corpo in condizioni dove non avvengono plasticizzazioni. Applicando la

fisica e la matematica degli sforzi e delle deformazioni al livello microscopico dei difetti presenti nei materiali,

essa permette di predire il comportamento macroscopico a frattura

dei corpi, in quanto considera corpi reali con imperfezioni (cricche,

inclusioni, ecc.) e non corpi ideali uniformi.

Infatti si è notato come in caso di presenza di cricche o imperfezioni,

la distribuzione degli sforzi nel materiale non sia uniforme come in

materiali uniformi ma vada intensificandosi raggiungendo il

massimo all’apice della cricca.

Di conseguenza è definita la seguente formula per calcolare il (, )

tensore degli sforzi all’apice della cricca, cioè la distribuzione dello sforzo sulla cricca (rispetto ai versori

centrati nell’apice della cricca).

= ∙ ( )

√2

è il coefficiente di amplificazione dello sforzo

è la distanza del punto di applicazione dello sforzo dall’apice della cricca lungo i due assi

è un fattore di forma che dipende da come è applicato lo sforzo rispetto alla direzione della cricca

Si nota dunque come il tensore sia inversamente proporzionale alla distanza del carico dalla cricca.

Oppure: 1 1

√sec

= = =√ = ( )

( )

√2 ∙ cos ( )

La prova viene effettuata tramite la provetta in figura, preparata con una fresata ad angolo retto al vertice

dal quale attraverso carico pulsato, viene fatta propagare una cricca per fatica, avente il minimo raggio di

curvatura possibile al vertice.

0,45 ≤ ≤ 0,55,

Affinchè si possa procedere alla prova e poi

si procede alla prova di trazione.

è dunque il carico di rottura della provetta, come se non vi

=

fosse alcuna cricca. Pertanto ∙

Di conseguenza:

= ∙ √ ∙ = ∙ √ ∙ [ ∙ √]

∙

La tenacità alla frattura del materiale o tenacità critica se

superata determina la propagazione instabile della cricca con

conseguente rottura fragile del componente.

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2

≥ 2,5 ∙ ( )

Al termine della prova, se allora può essere considerato cioè il coefficiente di

amplificazione dello sforzo critico del materiale.

Relazione sezione-resilienza

Con l’aumento dell’altezza della provetta, il materiale da duttile (provetta quadrata 10x10), diventa fragile e

viceversa. Ciò avviene poiché nelle provette con sezione quadrata la dissipazione dell’energia avviene su 3

assi (x,y,z), mentre in quelle con sezione non quadrata avviene una deformazione piana, ovvero solo su due

assi. Ciò avviene poiché essendoci una dimensione predominante sulle altre due, la dissipazione di energia

in quella direzione sarà pressoché nulla, diminuendo così la quantità di energia complessivamente dissipabile

dal materiale che si comporta così in modo fragile.

Relazione temperatura resilienza

In linea generale l’aumento della temperatura rende un materiale duttile, cioè temperature basse rendono i

materiali fragili.

Temperatura di transizione: temperatura propria di ogni lega che segna la transizione tra le proprietà fragili

ed elastiche. Cioè la lega in questione si comporterà in modo duttile al di sopra di essa ed in modo fragile al

di sotto.

Il nickel riduce fortemente la temperatura di transizione.

Meccanismi di rafforzamento nei metalli

I meccanismi di rafforzamento nei metalli sono procedure atte ad aumentare il carico di snervamento e di

rottura del metallo, unite ad un aumento della resistenza ed una diminuzione della duttilità oltre che della

tenacità (salvo l’affinamento del grano che la aumenta).

Tali meccanismi si basano sull’ostacolare il movimento delle dislocazioni nel materiale.

Inserimento di atomi esterni

L’inserimento di atomi interstiziali o sostituzionali comporta una distorsione del reticolo cristallino ed un

conseguente ostacolo alla propagazione delle dislocazioni.

Affinamento dei grani

L’affinamento dei grani consta nel ridurre le dimensioni dei grani (cristalli) del materiale per aumentarne la

resistenza, poiché le dislocazioni si possono muovere solo all’interno dei grani e non si possono propagare

tra essi. L’aumento della resistenza sta nel fatto che diminuendo la dimensione dei grani diminuisce anche la

libertà di movimento delle dislocazioni, che incontrano i bordi grano molto prima, e pertanto si possono

muovere molto meno. Tale processo provoca una diminuzione della duttilità ma non della tenacità. La

tenacità viene aumentata in quanto aumenta il numero di dislocazioni che si accumulano ai bordi dei grani e

quindi anche l’energia necessaria a farle procedere nei grani adiacenti.

Precipitazione di fasi dure

Fase: porzione di materia omogenea dal punto di vista della composizione chimica, stato fisico e, se solido,

di organizzazione dei reticoli cristallini.

Tale processo si basa sulla precipitazione o inserimento di fasi dure, ovvero porzioni di materia di natura

ceramica (legame ionico e covalente), all’interno della matrice del materiale al fine di rafforzarla, in quanto

tali fasi dure non permettono di essere attraversate dalle dislocazioni.

Esse possono essere di due tipi:

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 fasi dure coerenti: oppongono resistenza all’avanzamento delle dislocazioni ma sono comunque

attraversate da esse (cristalli simili a quelli della matrice)

 fasi dure incoerenti: non attraversabili dalle dislocazioni (cristalli completamente diversi da quelli

della matrice). Negli acciai esse sono costituite da carbonitruri di Titanio, Vanadio, Niobio e Alluminio.

Nelle leghe di Alluminio, esse sono costituite da composti intermetallici dell’Alluminio stesso con

Zinco, Rame, Scandio, ecc.

Trattamenti termici

I trattamenti termici si occupano di cambiare la distribuzione morfologica delle fasi nel materiale o cambiare

la cella elementare del metallo di base.

Incrudimento per deformazione plastica

Nell’incrudimento per deformazione plastica, come avviene nella laminazione a freddo e nella trafilatura, le

dislocazioni vengono fatte muovere durante la lavorazione e la produzione del pezzo meccanico, in modo da

farle interferire tra di loro e da annullarne l’effetto.

Diagrammi di fase

Un diagramma di fase binario è un grafico avente sull’ascissa la percentuale dei componenti di lega e sugli

assi verticali la temperatura, con segnate le temperature di fusione dei componenti. Le curve presenti

separano le zone dove i componenti sono entrambi allo stato solido da quelle a cui sono entrambi allo stato

liquido alle zone di solidificazione.

Curva di solidus: curva che delimita la zona (inferiore ad essa) in cui entrambi i componenti sono allo stato

solido

Curva di liquidus: curva che delimita la zona (superiore ad essa) in cui entrambi i componenti sono allo stato

liquido

Nella zona fra le curve di solidus e liquidus vi è una coesistenza di fasi liquide e solide.

Diagramma di fase omogeneo o di miscibilità completa (isomorfo)

Nella parte di liquido del grafico (sopra la curva di liquidus) vi è una soluzione

omogenea liquida dei due componenti (Ni e Cu). Nella parte di solido del

grafico (sotto la linea di solidus) vi è una lega solida di Rame e Nichel. Sugli

assi verticali è rappresentata la temperatura, con riguardo alla temperatura

di fusione dei due elementi (1085°C Cu e 1453°C Ni), mentre sull’asse

orizzontale è rappresentata crescente la percentuale di Ni in lega (e

conseguentemente in diminuzione la percentuale di Cu). La fusione della

lega (es. Cu-Ni 50%-50%) inizia quando si incontra la linea di solidus (1280°C)

e termina quando si incontra la linea di liquidus (1320°C), a differenza di un

solido puro la cui fusione avviene a temperatura costante.

Determinazione della percentuale delle fasi (regola della leva)

= (, )

1. si individua il punto sul grafico e si traccia un segmento

(isoterma) orizzontale passante per il punto che interseca l. liquidus e l. solidus

2. sia il punto di intersezione tra l’isoterma e l. liquidus

3. sia il punto di intersezione tra l’isoterma e l. solidus

− −

% = ∙ 100 % = 100 − % =

− −

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METALLURGIA E M