Materiali e tecnologie per l'ambiente

D

formare i difetti.

I difetti possono diffondersi in due modi:

Autodiffusione, movimento degli atomi nei metalli;

• Interdiffusione, gli atomi di un metallo si muovono in una matrice di un altro

• metallo.

Difetti di linea



I difetti di linea o dislocazioni sono una distorsione del reticolo cristallino e sono concentrati

attorno ad una linea. Le dislocazioni si creano durante la solidificazione dei solidi

cristallini, o formati dalla deformazione plastica dei solidi, dall’addensamento di vacanze o

dal disadattamento atomico nelle soluzioni solide. Le dislocazioni sono principalmente di

tre tipi:

Dislocazioni a spigolo, è creata dall’intersezione di un mezzo piano aggiuntivo di

• atomi, e causa l’interruzione della periodicità del reticolo cristallino;

Dislocazioni a vite, si generano quando ad un cristallo ideale vengono attuati sforzi di

• taglio, quindi i tratti tagliati si dispongono a formare una spirale;

Dislocazioni miste, sono le più frequenti e hanno sia comportamenti a spigolo che a

• vite. 14

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Dislocazione a spigolo Dislocazione a vite

Per identificare le dislocazioni e la distanza di scostamento viene costruito un vettore,

chiamato vettore di Burgers. Esso esiste solo se c'è la dislocazione, ed è perpendicolare alla

linea di dislocazione nei difetti a spigolo, mentre è parallelo in quelli a vite.

La linea scorrimento è chiamata slip plane. Il primo che si occupò dell'importanza delle

dislocazioni è Frenkell, queste favoriscono la deformazione plastica.

Le dislocazioni possono muoversi su piani diversi e all'interno del cristallo di appartenenza,

l’insieme dei piani e delle direzioni preferenziali di scorrimento costituiscono il sistema di

scorrimento.

Il fenomeno di incrudimento avviene quando il movimento delle dislocazioni è ostacolato o

addirittura reso nullo. Esso è un fenomeno metallurgico per cui un materiale metallico

risulta rafforzato in seguito a una deformazione plastica a freddo, pertanto le dislocazioni

aumentano ed iniziano ad ostacolarsi tra di loro. Il materiale si rafforza, quindi diviene più

resistente meccanicamente. Per by-passare il rafforzamento bisogna quindi applicare uno

sforzo maggiore, o sfruttare i moti diffusivi allo stato solido.

I bordi di grano ostacolano le dislocazioni, cioè le bloccano. Quindi un materiale a grana fine

è più resistente meccanicamente a temperatura ambiente.

LEGGE DI SCHMID

La legge di Schmid individua la relazione tra lo sforzo assiale che agisce una barra

cilindrica di un metallo puro monocristallino e il valore di sforzo critico di taglio prodotto su

un sistema di scorrimento all'interno della barra. Per consentire il movimento delle

dislocazioni, la forza deve produrre un sufficiente sforzo di taglio nella direzione di

scorrimento, chiamato sforzo critico di taglio e risulta pari a: (= carico di snervamento)

= =

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Difetti bidimensionali



I difetti bidimensionali o difetti di superficie o difetti dei bordi di grano interessano la

superficie esterna. Comprendono i bordi di grano, ovvero le zone che si creano tra due grani

(bordi di grano a piccolo angolo e a grande angolo). Il bordo di grano è una regione compresa

tra due grani e può variare tra i 2 ei 5 diametri atomici, ed è una regione di cattivo

arrangiamento atomico tra grani adiacenti. L’addensamento atomico nei bordi di grano e

più basso che all’interno del grano, hanno molti atomi in posizione deformata che alzano

l'energia del grano. La superficie libera o esterna di ogni materiale è il tipo più comune di

difetto bidimensionale poiché gli atomi della superficie sono legati ad altri atomi solo da

una parte quindi hanno meno atomi vicino a loro, pertanto è più soggetta a erosione e

reazione con l'ambiente.

Tra i difetti bidimensionali possiamo trovare tilt boundary, l'insieme delle dislocazioni a

vite, e twist boundary, l’insieme delle dislocazioni a spigolo.

A basse temperature lo sfaldamento avviene all'interno dei grani, ed è definito

transgranulare.

DIMENSIONE DEI GRANI

La dimensione dei grani è importante per determinare la resistenza del materiale. I

materiali a grana fine a temperatura ambiente sono molto più resistenti perché i bordi di

grano fanno da barriera al movimento delle dislocazioni quindi risultano più forti

(resistenti) e tenaci. Però poco resistenti ad alte temperature poiché i grani diventano zone

di debolezza e si ha lo scorrimento tra i grani.

La formula di Hall-Petch ci dice come varia il valore dello sforzo di snervamento al variare

della dimensione dei grani.

= +

2

√

dove σ indica la tensione di snervamento (y = yeld points), σ la resistenza del reticolo al

y i

movimento delle dislocazioni, K misura il contributo dei bordi di grano alla resistenza e d è

la grandezza del grano, cioè il diametro medio.

Se la grandezza delle dimensioni del grano aumenta, diminuisce il valore di snervamento,

quindi per avere un limite di snervamento elevato dobbiamo avere materiali a grana fine.

Le dimensioni del grano sono importanti per le proprietà meccaniche del materiale, un

metodo per misurare la dimensione del grano e il metodo ASTM in cui la dimensione viene

calcolata attraverso la relazione: −1

= 2

dove N è il numero di grani per pollice quadrato con un ingrandimento di 100x e n è un

numero intero che indica la dimensione del grano.

< 3

4 < < 6

� 7 < < 9

9 < < 10

La dimensione dei grani si può anche calcolare come:

=

dove C è una costante empirica, M è l’ingrandimento della microfotografia

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=

ℎ

Quindi minore è la dimensione del grano, maggiore sarà quella dei bordi di grano.

A basse temperature i bordi di grano sono più resistenti del cuore del grano e limitano lo

scorrimento delle dislocazioni rinforzando il materiale, pertanto se il materiale si sta

rompendo sicuramente la frattura si propaga all’interno del cristallo stesso → frattura

transcristallina.

Ad alte temperature i bordi di grano favoriscono il “boundary sliding”, cioè lo scorrimento di

un grano su un altro creando regioni di debolezza. Quindi si determinano dei vuoti e se il

materiale si sta rompendo la frattura si propaga attraverso i bordi di grano → frattura

intercristallina.

Frattura: separazione in due o più parti = 645,16 mm )

pollice quadrato → (1 in = 25,4 mm) ovvero (1 in

2 2

Difetti tridimensionali: cricche, pori e punti di discontinuità

 17

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CAPITOLO 5 - Proprietà meccaniche dei materiali

à

à ℎ �

Per studiare le caratteristiche meccaniche dei materiali, ovvero la resistenza determinate

sollecitazioni, vengono effettuate delle prove meccaniche. Esse mettono in relazione le forze

con le deformazioni subite. Le forze possono essere di diversa tipologia:

Interne

o Esterne

o Statiche, sono forze costanti o variano lentamente (es. trazione, taglio,

o compressione)

Dinamiche, sono forze con variabilità temporale sia casuale che periodica (es.

o terremoti)

Esistono tre tipi di categorie riguardanti le prove:

Prove simulate, attraverso l'impiego di software vengono simulate le deformazioni;

• Prove convenzionali, attraverso l'impiego di provini o campioni;

• Prove reali, attraverso l’impiego diretto del materiale.

•

Le prove meccaniche vengono effettuate per:

Studiare il comportamento meccanico lo sviluppo di nuovi materiali;

• Valutare l'effettiva resistenza del materiale e fornire in seguito i dati utili a progetto;

• Effettuare controlli di qualità del materiale al termine del processo produttivo o

• trattamenti speciali.

Le prove meccaniche devono comunque essere effettuate seguendo normative di

riferimento, le quali possono essere valide a livello nazionale, europeo e mondiale, per far sì

che vi sia la possibilità di confrontare i dati e quindi poter standardizzare le prove.

Le normative di riferimento vengono sviluppate da alcuni organi.

UNI → norme italiane

EN o CEN → norme europee

ISO → norme internazionali

ASTM → American Standard Testing Materials

Le norme di importanza superiore aboliscono quelle di importanza inferiore.

Le prove possono essere classificate in:

Statiche, in cui viene applicato un carico costante o lentamente crescente nel tempo

• Cicliche, in cui il carico varia tra un valore minimo e un valore massimo per un certo

• numero di volte