Chimica - chimica applicata - materiali (1/2)

Diffusione di un solido:

in un solido gli atomi saltano da un sistema reticolare all’altro vicino. Se questi

atomi sono isotopi radioattivi è possibile misurarne la velocità di auto diffusione.

→ I salti atomici - dal momento che a causa dell’energia termica gli atomi

Moto delle dislocazioni vibrano. La vibrazione aumenta con la temperatura. L’energia delle

vibrazioni causa (in certe condizioni) il salto atomico fuori dalla posizione

Le dislocazioni in movimento interagiscono con i difetti di punto, di linea e di reticolare.

superficie portando: a) alla formazione di nuovi difetti di punto; b) alla

formazione di nuove dislocazioni. Oltre a questo, le dislocazioni in movimento Importanti fattori sono dunque la temperatura e la barriera energetica.

possono annullarsi, respingersi o bloccarsi.

Caso particolare : Dislocazione a spigolo

=aggiungere una fila di atomi

Positiva quando è aggiunta dall’alto (⊥) negativa quando dal basso (T)

Può muoversi attraverso il cristallo provocando scorrimenti plastici.

[…] vedi pag. 44 schema e spiegazione dell’energia che utilizza il rompere legami e

spostamento della linea di atomi.

Altro caso particolare : dislocazione a elica. Anche se più frequenti sono le

dislocazioni miste.

Vettore di Burgers (la più piccola distanza di spostamento degli atomi attorno

alla dislocazione) inizi e non arrivi allo stesso atomo.

Difetti di superficie Una volta risposto alle sollecitazioni i materiali si dividono in:

PROPRIETÁ MECCANICHE DEI MATERIALI 1. Elastici tipicamente materiali ceramici

2. Elastoplastici – si comportano in modo elastico poi deformazione plastica

Materiali :

 3. Viscoelastici solitamente materiali amorfi o polimeri termoplastici

Isotropi (maggior parte)

= quando ha le stesse proprietà in ogni direzione. si può dire quindi che esistono tre tipi di deformazione dopo una sollecitazione :

→

 Anisotropi. (es. monocristalli) elastica, plastica e viscosa

= se le sue caratteristiche fisiche (conducibilità elettrica e termica,

proprietà ottiche...) o il suo comportamento meccanico (rigidezza, Deformazione elastica :

resistenza, tenacità...) sono differenti in direzione longitudinale e  Completamente recuperabile

trasversale.  Istantanea (non dipende infatti da tempo)

I metalli però sono anisotropi che si comportano come isotropi (isotropia di Legge di Hooke (deformazioni proporzionali alle sollecitazioni e indipendenti dal

compenso) le proprietà meccaniche macroscopiche allora si compensano tra loro. tempo proporzione è costante = costante elastica)

→ → Modulo di elasticità o modulo di Young

Al contrario i materiali amorfi si comportano come isotropi sia su scala (= rapporto tra sollecitazione e deformazione unitarie è caratteristica del materiale)

macroscopica che su scala elementare. Deformazione unitaria ε = ΔL (quanto si è allungato dopo la sollecitazione)

Calcestruzzo→ (benché eterogeneo p.di vista macrosc.) isotropo (dal p. di vista delle l (lunghezza iniziale)

0

sollecitazioni)

Legno –e materiali costituiti da fibre → altamente anisotropi Sforzo unitario σ = F/A rapporto fra forza applicata e la sezione del corpo soggetto

= metalli lavorati meccanicamente a freddo (perdono l’isotropia macroscopica) alla forza (unità di misura in Pascal)

N.B. Lavorazione a caldo o a freddo = superiore o inferiore alla temperatura di La rigidezza = resistenza che oppone un corpo alla deformazione elastica

ricristallizzazione. provocata da una forza applicata.

Una lavorazione a caldo non incrudisce il materiale → essendo la temperatura di In generale si dovrebbe usare il termine rigidezza quando si parla di una struttura, di rigidità

lavorazione superiore a quella di ricristallizzazione le dislocazioni si spostano più (modulo elastico) quando si parla di un materiale

velocemente. A questa temperatura non si arriva al bloccaggio delle dislocazioni. 3 principali tipi di sollecitazioni: trazione, compressione, taglio.

→ 3 corrispondenti moduli di elasticità:

Proprietà meccaniche dei materiali:  Modulo di elasticità normale o modulo di Young

=determinano la risposta del materiale alle sollecitazioni applicate. = rapporto tra sforzo di trazione e deformazione unitaria risultante.

Dipendono da: Calcola la rigidità del materiale.

 Tipo di materiale ( sua composizione, forze interatomiche intermolecolari Legato alla struttura del materiale e dipende dal tipo di forza dei suoi

presenti) legami interatomici ed intermolecolari.

 Modo in cui è stato ottenuto e dal trattamento termico o meccanico Dipende dalla temperatura, al crescere di essa decresce.

subito

 Nelle strutture ne valuta la deformazione che avrà se sollecitata. Tanto

Tipo di sollecitazioni e il modo di applicarle più è elevato tanto minore sarà la deformazione elastica.

 Temperatura e ambiente (es. corrosivo) che determinano la risposta del Gomma → modulo molto basso (alta deformazione)

materiale Acciaio → modulo molto elevato ( deformazione necessita una sollecitazione

sette volte maggiore rispetto a quella del calcestruzzo)

 Nei materiali metallici con reticolo di tipo diverso le dislocazioni vengono messe

Modulo di comprimibilità in movimento con energia crescente secondo questa sequenza:

= rapporto tra pressione idrostatica e variazione relativa unitaria del CFC < CCC < EC

volume

 Nei materiali ceramici tutte le dislocazioni sono bloccate, giunge alla rottura

Modulo di rigidità o modulo di elasticità tangenziale prima di raggiungere lo sforzo necessario per metterle in movimento.

= rapporto tra la sollecitazione unitaria di taglio e deformazione unitaria

di taglio Incrudimento = Per far progredire la deformazione plastica è necessario

Modulo di Poison = un materiale sottoposto a trazione oltre ad allungarsi si aumentare la sollecitazione, il materiale così diventa sempre più duro e resistente

contrae lateralmente. Il modulo di Poison è il rapporto fra deformazione laterale a mano a mano che si deforma. (tipico nei metalli)

e quella longitudinale. = aumento sforzo di snervamento e progressivo indurimento causa del bloccaggio

Se il materiale è isotropo queste due deformazioni (contrazioni) sono uguali. delle dislocazioni, difficoltà di provocare una deformazione plastica

→ porta ad un accumulo di energia interna al materiale cristallino (soprattutto ai

Deformazione plastica : bordi dei grani)

è il risultato dello spostamento permanente di atomi o gruppi di atomi.

Avviene quando un materiale sollecitato mostra delle deformazioni permanenti. Ricottura = L’energia accumulata con l’incrudimento nel materiale metallico fa si

 Completamente non recuperabile che lo stato di alta energia abbia la tendenza a ritornare al suo stato normale di

 Istantanea (non dipende infatti da tempo) equilibrio.

→ processo facilitato innalzando la temperatura (maggiore mobilità atomica)

Nei materiali cristallini (metalli) → la deformazione avviene come risultato dello Così il materiale riacquista le proprietà che aveva all’inizio.

scorrimento lungo piani cristallografici (=piani di facile scorrimento) e Questo fenomeno comprende due stadi:

all’estremità si formano dei gradini 1. Riassetto

Nei metalli amorfi → si ha lo scorrimento di singole molecole l’uno sull’altro Progressivo rilascio di tensioni e di una parte dell’energia d’incrudimento

determinando un flusso. 2. Ricristallizzazione

Grazie alle dislocazioni di un materiale avviene facilmente lo scorrimento Completa rigenerazione della grana cristallina.

plastico dei cristallini (sotto sollecitazioni basse e temperature lontane da → che si attua con meccanismi di nucleazione e accrescimento

quella di fusione) Legata sia alla temperatura che al tempo (tanto più elevata temperatura,

→deformabilità plastica legata alla presenza di dislocazioni. tanto più lungo il tempo, tanto più favorita la ricristallizzazione)

Plasticità = capacità del materiale di deformarsi continuamente e Temperatura di ricrist. = materiale incrudito ricristallizza in un’ora

permanentemente senza rompersi durante una sollecitazione superiore a quella

di snervamento del materiale preso.

Per la maggior parte dei materiali la deformazione elastica precede quella plastica

= materiali elastoplastici (metalli)

Energia richiesta per mettere in movimento una dislocazione dipende dal tipo di

reticolo e dalla densità di atomi (non tutti i piani cristallografici permettono il

movimento di dislocazioni perché richiesta troppa energia) deformazione totale = def. Elastica pura + def. elastica ritardata + def. viscosa

Riassumendo ricristallizzazione = formazione di nuclei al bordo dei grani cristallini,

i nuovi grani si espandono, si forma un nuovo insieme di grani e un ripristino delle N.B. anelasticità o elasticità ritardata = comportamento elastico che non si manifesta

densità di dislocazione (=numero delle linee di dislocazione). immediatamente (in funzione del tempo)

Si ha così alla fine una struttura nuova in grado di supportare ulteriori Togliendo lo sforzo la deformazione elastica si recupera mentre quella viscosa

deformazioni. pemane.

Riassumendo → La resistenza meccanica (lo sforzo di snervamento dei materiali Superfici di frattura Superfici nuove dopo l’avvenuta di una frattura (una

metallici) può essere migliorata sulla base dei seguenti principi di rafforzamento: volta raggiunto uno sforzo elevato.

1. Incrudimento

2. Eliminare le dislocazioni Materiali a La frattura avviene in campo elastico.no permanente

3. Diminuire la dimensione della grana cristallina comportamento fragile Per propagazione di una cricca (microfrattura)

4. Introdurre difetti di punto per ostacolare movimento delle dislocazioni Richiede energia minore

O aumentandone lo sforzo tramite processi di reazione e precipitazione. Esempi. Vetro, materiali ceramici

Deformazione viscosa: Materiali a La frattura è preceduta da rilevanti deformazioni

 Completamente non recuperabile comportamento duttile plastiche.

 Dipende dal tempo Avviene prima della frattura fragile.

Si manifesta nei fluidi come resistenza al flusso di massa → attrito interno tra le Esempio. Metalli

molecole. Resilienza Capacità del materiale di assorbire (o rilasciare)

Ma non solo nei liquidi:

 energia di deformazione elastica.

Polimeri (accompagna deformazioni plastiche ed anelastiche)

 =L’area al di sotto del tratto elastico della curva

Vetri ad alta temperatura sforzo-deformazione.

≠ nei metalli lo scorrimento viscoso è quasi assente (salvo in alcuni casi ad alte

temperature) Tenacità Capacità che un materiale ha di resistere alla frattura

Maggiore sarà il valore di viscosità, minore sarà lo scorrimento viscoso (quando