Appunti Tecnologia dei Materiali e Chimica Applicata, prof Elisabetta Di Bartolomeo

DUREZZA: RIEPILOGO

La superficie di prova deve avere un raggio di curvatura almeno uguale a 25 mm, per valori inferiori la durezza diventa funzione del raggio;

Impronte distanziate tra loro e dai bordi;

Carico applicato lentamente ed in direzione perpendicolare alla superficie;

Lo spessore del pezzo non deve consentire che si risentano effetti dell'impronta sulla superficie opposta a quella di prova;

Finitura tale da consentire la formazione di una impronta dai contorni netti e quindi misurabili con precisione.

Nota: Se il raggio di curvatura e inferiore a 25 mm il valore misurato va corretto con dei fattori riportati in opportune tabelle.

Delle tre prove la più versatile, precisa, non-distruttiva, per le modestissime dimensioni dell'impronta, è la prova Vickers; la prova Brinell è meno laboriosa, ma può esser talvolta distruttiva per l'eccessiva dimensione delle impronte.

risente meno delle variazioni legate alle eterogeneità microstrutturali; la prova Rockwell è la più semplice e rapida, ma anche la meno precisa ed affidabile, può dare valori errati per molteplici motivi: per esempio un cedimento dell'appoggio dovuto ad una qualsiasi causa.

Microdurezza:

Prova di microdurezza simile alla Vickers ma impiega carichi inferiori: P< 1kgf

I penetratori sono due:

• Piramide a base quadrata Vickers;
• Piramide a base rombica tipo Knoop con rapporto diagonali di 1/7.

La prova di microdurezza serve per:

• La misura su fogli sottili (fino a 0.0127 mm);
• Fili con piccolo diametro;
• Controllo di processo nei trattamenti superficiali: cementazione, nitrurazione, carbonatazione;
• Misura di microcomponenti.

Regole generali:

• Valgono le regole precedenti;
• La superficie deve avere una superficie con un grado di rugosità molto basso.

Dislocazioni e deformazione plastica: esistono due tipi fondamentali di dislocazione:14-

1. Spigolo: in una dislocazione a spigolo, il reticolo viene deformato localmente all'estremità di un semipiano aggiuntivo di atomi ove si trova anche l'asse della dislocazione.
2. Vite: una dislocazione a vite può essere immaginata come il risultato di una deformazione del reticolo dovuta ad uno sforzo di taglio; l'asse della dislocazione si trova al centro di una spirale, formata da una rampa di piani atomici.

Il processo che produce deformazione plastica per moto di dislocazioni viene chiamato scorrimento. La combinazione di un piano cristallografico e di una direzione cristallografica, interna a questo piano, lungo la quale avviene lo scorrimento (e quindi il movimento delle dislocazioni) è chiamato sistema di scorrimento. Il reticolo cubico a facce centrate (cfc) ha 12 sistemi di scorrimento dati dalla combinazione dei quattro piani equivalenti a

{111} e dalle tre direzioni equivalenti a <110>.

Il reticolo cubico a corpo centrato (ccc) ha 12 sistemi di scorrimento dati dalla combinazione fra 6 piani{110} e 2 direzioni <111>.

Nel reticolo ccc è possibile anche lo scorrimento su più famiglie di piani e sono{211} <111> e {321} <111> (24 sistemi di scorrimento).

Il reticolo esagonale compatto (es.c) ha 3 sistemi di scorrimento dati dalla combinazione fra 1 piano{0001} e 3 direzioni <1120>.

Sono possibili anche gli scorrimenti {1010} <1120> e {1011} <1120> (6 pianidi scorrimento).

Scorrimento nei monocristalli: lo sforzo di taglio indotto è quel valore di sforzo di taglio che risulta indottoda uno sforzo di trazione su di un piano che non sia né parallelo né perpendicolare alla direzione dellosforzo, il cui valore dipende dallo sforzo applicato, dall’orientazione del piano e dalla direzione. Lo sforzodi taglio indotto critico rappresenta lo sforzo di

il taglio minimo richiesto per iniziare il movimento delle dislocazioni dipende sia dallo sforzo di snervamento sia dall'orientazione dei componenti di scorrimento. In un monocristallo sottoposto a trazione, si formano dei piccoli gradini sulla superficie che sono paralleli tra loro e si sviluppano lungo la circonferenza del cristallo. Deformazione plastica nei materiali policristallini: per i materiali policristallini, lo scorrimento si verifica all'interno di ciascun grano, lungo i sistemi di scorrimento più favorevolmente orientati con lo sforzo applicato. Durante la deformazione, i grani modificano il loro aspetto e si allungano nelle direzioni lungo le quali avviene la deformazione plastica macroscopica. Meccanismi di indurimento della resistenza nei metalli: la resistenza meccanica dei materiali metallici può essere aumentata sfruttando diversi meccanismi di rafforzamento. Poiché la deformazione plastica avviene per movimento delle dislocazioni,qualunque ostacolo al loro movimento all'interno del reticolocristallino comporta un aumento della resistenza allo snervamento. Indurimento per soluzione solida: - l'aggiunta di un secondo elemento nel reticolo cristallino performare una soluzione solida (sostituzionale o interstiziale) provoca una deformazione elastica del reticolo che ostacola il movimento delle dislocazioni. Il grado di deformazione aumenta con la concentrazione del soluto e con esso la sforzo di taglio necessario a metter in moto la dislocazione. Indurimento per precipitazione: - in alcuni casi l'elemento aggiunto non si scioglie nel reticolocristallino dell'elemento solvente ma forma un composto che precipita in forma di particelle minute all'interno o al bordo dei grani dell'elemento base. Il movimento delle dislocazioni risulta impedito da: - Distorsione del reticolo prodotto dal precipitato; - Ostacoli costituiti dalle stesse particelle di precipitato; Incrudimento: - la

La deformazione plastica a temperatura ambiente di un materiale metallico produce nuove dislocazioni all'interno del reticolo cristallino. L'aumento della densità delle dislocazioni determina l'indurimento del materiale. Il limite di snervamento aumenta in seguito ad una lavorazione a freddo a causa dell'aumento della densità delle dislocazioni durante la deformazione plastica che tende ad ostacolare il movimento delle dislocazioni;

Controllo della dimensione dei grani:

• I bordi di grano costituiscono una barriera al movimento delle dislocazioni per due motivi:
1. Quando una dislocazione attraversa un bordo di grano cambia direzione di moto;
2. In prossimità dei bordi di grano vi è una discontinuità tra i piani cristallini.

Un metallo che presenta grani cristallini piccoli risulterà più resistente rispetto ad uno con i grani grossi, poiché il primo presenta una maggiore estensione dei bordi di grano e quindi

più barriereche impediscono il moto delle dislocazioni. Recovery: durante il recovery: - Parte dell’energia interna viene rilasciata mediante riassetto di dislocazioni; - La densità delle dislocazioni diminuisce e le dislocazioni assumono una configurazione a bassaenergia; - Alcune proprietà dei materiali ritornano ad assumere i valori precedenti alla lavorazione a freddo. Ricristallizzazione: durante la ricristallizzazione: - Si verifica la formazione di nuovi grani esenti dadeformazione ed equiassiali che presentano una bassadensità di dislocazioni; - Il metallo diventa più tenero, meno resistente e più duttile. La forza motrice per la ricristallizzazione è la differenza di energiainterna tra materiale deformato e ricristallizzato. Per un metallo lavorato a freddo che subisce ricristallizzazione,all’aumentare della temperatura (a pari durata del trattamentotermico), la resistenza diminuisce e la duttilità aumenta.due fattori che influenzano la temperatura di ricristallizzazione sono la percentuale di lavorazione a freddo e la purezza della lega. La temperatura diminuisce all'aumentare della percentuale di deformazione e aumenta all'aumentare del contenuto di impurezze. Ingrossamento del grano: per ingrossamento del grano si intende l'aumento delle dimensioni medie dei grani dei materiali policristallini e si ottiene mediante il movimento dei bordi di grano. La forza motrice per l'ingrossamento del grano è la riduzione dell'energia totale associata ai bordi di grano. Fondamenti della frattura: la frattura dovuta ad un carico di trazione, a temperature relativamente basse, può avvenire nei modi duttile e fragile. Le cricche nei materiali duttili vengono dette stabili, non si ingrandiscono se il carico applicato non aumenta; per i materiali fragili le cricche sono instabili. Frattura duttile: per i metalli duttili, sono possibili due profili di frattura: quando la

duttilità è elevata, si verifica la strizione in corrispondenza di un punto, fino ad arrivare ad una superficie di frattura sostanzialmente puntiforme;

In caso di minore duttilità la strizione è più bassa, e si ottengono superfici di frattura a coppa e cono.

Frattura fragile: nella frattura fragile, la superficie di frattura è relativamente piana e perpendicolare alla direzione del carico di trazione applicato.

Materiali fragili policristallini possono presentare cammini di propagazione delle cricche sia transgranulari (attraverso i grani) sia intergranulari (tra i grani).

Principi di meccanica della frattura: la frattura avviene quando all'apice di uno di questi difetti viene superata la resistenza teorica di coesione. Lo sforzo massimo all'apice della cricca dipende dalla lunghezza della cricca, dal raggio di curvatura e dallo sforzo di trazione applicato. Angoli acuti possono agire come concentratori di sforzi e devono quindi

essere evitati quando si progettano strutture sottocarico.

Esistono tre diversi modi di apertura della cricca: distacco (a trazione), scorrimento e lacerazione.

La condizione di deformazione piana si riscontra quando lo spessore del provino è molto superiore all'alunghezza della cricca.

La tenacità alla frattura di un materiale indica la sua resistenza alla frattura fragile quando è presente una cricca. In condizioni di deformazione piana (e in modalità di carico I), dipende dagli sforzi applicati, dall'alunghezza della cricca e dal parametro di scala Y adimensionale.

K : valore relativamente grande per i materiali duttili e piccolo per quelli fragili.

Per progettare in modo da avere una bassa probabilità di frattura, è necessario prendere in considerazione le proprietà del materiale (la sua tenacità alla frattura), il livello di sforzo e il limite di rilevazione delle dimensioni dei difetti.

Innesco e propagazione della cricca: le

cricc