Proprietà meccaniche e termiche

Proprietà elastiche

Tutti i materiali, quando vengono sollecitati, manifestano in modo più o meno esteso un comportamento elastico: la deformazione si manifesta istantaneamente e, al cessare della sollecitazione, viene istantaneamente e completamente recuperata. Sono deformazioni reversibili e che seguono la legge di Hooke.

• Suppongo di applicare una forza longitudinale a un corpo: questo si deforma reversibilmente e l è proporzionale alla F. (dl=F; dl=Fl₀/A e da qui ricavo la legge di Hooke).
• Infatti la legge di Hooke sarà “s=Ee” dove “s= sforzo in Pascal ed è la forza normalizzata F/A”, “e=estensione normalizzata dl/l₀ ed è adimensionale”.
• E è modulo di Young modulo elastico longitudinale. G è il modulo elastico tangenziale. E è una proprietà macroscopica del materiale misurato in N/m², dipende dal materiale e non dalle sue dimensioni. Può essere ricondotto alle leggi delle molle. “E” è la resistenza del materiale alla deformazione elastica; dipende dalle forze di legame: se sono maggiori alle E è maggiore. Consente di prevedere l’allungamento o compressione di un corpo in seguito a uno sforzo applicato. Se tolgo lo sforzo torna allo stato iniziale e recupera la deformazione.
• Nei ceramici < metalli perché dipende dai legami interatomici.
• Può essere sia lineare che non. Nei calcestruzzi e molti polimeri il tratto elastico non è lineare.
• Sforzo di taglio tangenziale: tau = Gxgamma (G modulo di rigidità). Sforzo longitudinale: s=Ee. Pressione idrostatica: sigma(h)=-Kdeltamaiuscolo.

A livello atomico

Il comportamento elastico descritto dalla legge di Hooke può essere compreso considerando la struttura dei materiali e, in particolare, la natura delle forze che tengono legati tra loro gli atomi che li costituiscono (forze interatomiche). Per collegare il comportamento macroscopico descritto dalla legge di Hooke al comportamento microscopico, si ricordino le curve di Condon-Morse e guardo la loro pendenza intorno all’equilibrio. Il valore del modulo elastico è proporzionale alla pendenza di ciascuna cerca calcolata alla distanza r₀. Il modulo elastico dipende quindi da: energia di legame (dF/dr(r₀), natura della ritrazione interna, struttura cristallina o amorfa del materiale.

“E” è lo stesso sia in trazione che in compressione, non c’è cedimento in compressione perché repulsione tra atomi aumenta all’infinto in modo asimmetrico. Però c’è resistenza a trazione perché la forza attrattiva tra atomi ha un max.

Metallo: E elevato- grossa F e poco s (varia molto energia ma non entropia). Elastomero: e elevata applicando poca F (elevata entropia). Elastico ideale: Tutti i materiali presentano un comportamento elastico lineare fino a sforzi ridotti, poi al crescere dello sforzo e della deformazione c’è non linearità. Poi ho fenomeno della anaelasticità non lineare, ossia nel carico/scarico ho una risposta diversa, l’energia non viene recuperata (ritardato) e viene dissipata in attriti interni.

Effetto termoelastico

Quando si sollecita adiabaticamente a trazione un materiale, questo si raffredda perché il suo aumento di volume avviene a spese dell'energia interna. Viceversa, se il materiale viene posto in compressione esso si riscalda. Si può osservare che, essendo alfa positivo per la maggior parte dei materiali, ad una elongazione corrisponde un raffreddamento e viceversa. Se si applica istantaneamente (cioè in modo adiabatico) un carico di trazione, il materiale si allunga e si raffredda, cessando di essere in equilibrio termico con l'ambiente. Durante la fase di deformazione, però, il contemporaneo raffreddamento del materiale ne provoca una contrazione termica. La quantità di energia dissipata dipende dalla frequenza di carico e scarico.

Proprietà plastiche

Riguardano la deformazione irreversibile, che non viene cioè recuperata al cessare della sollecitazione ed è originata dallo spostamento degli atomi che costituiscono il materiale da una posizione di equilibrio stabile ad un'altra equivalente. Essa richiede che lo sforzo applicato sia sufficiente a rompere i legami chimici: la deformazione plastica segue perciò necessariamente la deformazione elastica generata dall'allungamento degli stessi legami nella fase precedente la rottura. La deformazione plastica interessa sia i materiali cristallini che quelli amorfi ma in maniera differente.

Sforzo di snervamento

Sforzo necessario per passare dalla fase di deformazione elastica a quella plastica, generalmente non è netto.

Meccanismo

• Nei cristalli avviene quasi sempre per scorrimento di una porzione di cristallo rispetto ad un'altra lungo i piani cristallografici di massimo addensamento e nelle direzioni di maggior densità atomica, infatti sotto forze esterne un cristallo può deformarsi in maniera permanente.
• Mi serve l’azione di una forza tangenziale per avere scorrimento, e posso calcolare di valore di tau critico per lo slittamento del piano supponendo che lo sforzo sia una funzione periodica (τ_cr =dG/a²π). Però lo sforzo critico di taglio ha un valore lontano dal reale misurato nei metalli, che risultano molto più bassi. La ragione di questa notevole discrepanza è la presenza di dislocazioni (queste facilitano lo scorrimento dei piani e quindi la deformazione plastica).
• Vi sono piani in cui questo scorrimento avviene più facilmente, dove l’impaccamento atomico è più denso ossia in cui vi è il massimo addensamento di atomi. I metalli aventi strutture CFC e CCC hanno un numero di sistemi di scorrimento relativamente alto e sono quindi duttili.