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RESISTENZA DEI VARI MATERIALI
Il carico di snervamento σ è una delle principali caratteristiche di cui bisogna tener conto nella scelta dei componenti di un qualsiasi oggetto che deve resistere a delle sollecitazioni. Permette di calcolare quale sia lo sforzo massimo che può essere applicato senza produrre deformazioni permanenti. Quando si vuole che un elemento di macchina non si deformi eccessivamente, si prende il carico di snervamento come grandezza di riferimento e si dimensiona il pezzo in modo che gli sforzi agenti siano adesso inferiori. L'utilizzo di materiali con un carico di snervamento elevato permette la costruzione di elementi a sezione più piccola e quindi più leggeri. Si utilizzeranno materiali con carico di snervamento basso quando per il loro utilizzo, durante lo stampaggio, devono subire una forte deformazione plastica. Frattura fragile. Nella tabella a lato sono riportati i valori medi della resistenza alla trazione di alcuni materiali.materiali tipici, sia duttili che fragili.Il problema della resistenza alla frattura è evidentemente di grande importanzapratica nel caso di materiali sottoposti ripetutamente a sforzi intensi.
Nelle materie plastiche e in generale nei polimeri, deformazione plastica efrattura non sono una conseguenza del moto delle dislocazioni. Ladeformazione permanente è dovuta allo scorrimento delle catene polimeriche;anche in questo caso si può avere un indurimento del materiale. La dipendenzadalla temperatura delle proprietà meccaniche è molto più marcata che neimetalli.
Frattura fragile.Un solido con superfici lisce dovrebbe presentare una resistenza alla fratturagrosso modo proporzionale al modulo elastico e in ogni caso molto più elevata diquella realmente osservata.
La discrepanza tra la predizione teorica della resistenza alla frattura ed il risultatosperimentale messo in luce da questa tabella è da attribuirsi
principalmente all'esistenza di minuscole fessure alla superficie del campione (cricche).44 MATERIALI METALLICI
I metalli puri hanno un carico di snervamento molto basso, ma una grande capacità di deformazione plastica.
METODI DI RAFFORZAMENTO DEI METALLI
Nei metalli puri non deformati le dislocazioni si muovono molto facilmente, presentano quindi bassi carichi di snervamento. È necessario un rafforzamento.
La presenza di campi tensionali nel reticolo blocca il movimento delle dislocazioni perché:
- Il movimento delle dislocazioni, attraversando la zona del reticolo in cui esiste un campo tensionale, richiede lo spostamento di atomi che si trovano già in posizione di non equilibrio e che, con lo spostamento dovuto al passaggio della dislocazione, vanno a collocarsi sempre più lontano da questo.
- Esiste una repulsione tra gli stati tensionali che circondano le dislocazioni ed altri stati tensionali presenti nel reticolo per via della presenza dei difetti.
reticolari.Sistemi di rafforzamento:soluzioni solide → sostituzionali o interstiziali• incrudimento• affinamento del grano• seconda fase•
1. RAFFORZAMENTO PER SOLUZIONE SOLIDA
Incremento della resistenza di un metallo inserendo in lega elementi con un raggio atomico diverso (piùgrande o più piccolo) dal metallo base o mettendo atomi interstiziali.Il reticolo risulta distorto, presenta dei campi tensionali (forze che tendono a riportare gli atomi inposizione di equilibrio) che si oppongono alla deformazione plastica: incremento del carico disnervamento e del limite di linearità.Conoscendo la percentuale di un componente in una lega, si può prevedere la resistenza del materiale.Numerose leghe metalliche l’ottone (rame-zinco), i bronzi (rame-stagno) e gli acciai al C o inossidabilisono rafforzate con questo meccanismo Effetto ostacolante determinatodall’interazione delle dislocazioni con i campitensionali generati dagli atomi
estranei insoluzione. 45Atomo sostituzionale più piccolo dell’atomo del reticolo:trazione.Sarà attratto dalla zona di compressione di una dislocazionea spigolo (atmosfere Cottrell) e respinto dalla zona ditrazione.Atomo sostituzionale più grande dell’atomo del reticolo:compressione.Sarà attratto dalla zona di trazione di una dislocazione a spigolo(atmosfere di Cottrell) e respinto dalla zona di compressione.
Esempi di rafforzamento da SSLeghe di rame Cu – Sn bronzi → il reticolo è fortemente distorto, quindi si crea un forte• rafforzamento per soluzione solida sostituzionale. Ho però bassa solubilità di Sn.Cu – Zn ottoni → il reticolo è debolmente distorto, quindi ho minor rafforzamento per soluzione• solida. La solubilità del Zn è fino al 40 %. 462. RAFFORZAMENTO PER INCRUDIMENTO (= presenza di molte dislocazioni)Blocco del movimento delle dislocazioni a causa
dell'aumento della loro densità durante la deformazione plastica. Un metallo già deformato è meno facilmente deformabile di quanto non fosse prima della deformazione: incrudimento. Durante la deformazione plastica dei metalli si osserva generalmente un incrudimento che determina un aumento della durezza e del carico di snervamento. Il materiale deformato plasticamente diventa più resistente e meno duttile; ciò significa che il materiale, se è sottoposto a un nuovo ciclo sforzo-deformazione, si deforma con maggiore difficoltà. Questo accade non solo se il materiale è policristallino (situazione tipica nei metalli e nelle leghe di uso pratico) ma anche nei monocristalli, quando la deformazione plastica è abbastanza grande. Il processo, che prende il nome di incrudimento, è evidente quando si piega ripetutamente un filo di ferro; si nota infatti che la zona dove si è avuta la deformazione plastica offreresistenza a unadeformazione successiva, così che si forma una specie di ginocchio; invertendo ripetutamente il processosi giunge alla frattura. Durante la deformazione le dislocazioni generano nuove dislocazioni → rallentamento del movimentodelle dislocazioni a causa dell’aumento della loro densità durante la deformazione → incrudimento.I meccanismi alla base dell’incrudimento sono la moltiplicazione delle dislocazioni e l’interazione fra ledislocazioni.
Prima della deformazione plastica un metallo può contenere un numero relativamente piccolo di6dislocazioni, dell’ordine di 10 cm di lunghezza complessiva di dislocazioni in un cm cubo. La deformazione plastica provoca il moto delle dislocazioni lungo i piano di scorrimento, ma il moto puòincontrare ostacoli che le arrestano.
Allora lo sforzo applicato, forzando le dislocazioni, può provocare la formazione di nuove dislocazioni attraverso un meccanismo noto come incrudimento.
meccanismo di Frank-Read.
Il numero di dislocazioni cresce e può raggiungere un limite di 10 cm per cm. Quando ci sono molte dislocazioni, queste interferiscono l'una con l'altra in modo tale da impedire lo scorrimento. Il metallo perde così duttilità e diventa più resistente. Spesso la densità di dislocazioni è indicata dal numero di dislocazioni che attraversano una superficie di 1 cm2.
Il processo di incrudimento è ben noto fin dall'antichità, quando i primi fabbri lavoravano con incudine e martello i primi metalli, per dare loro la forma voluta e maggiore resistenza.
Nella metallurgia contemporanea l'incrudimento accompagna i processi di trafilazione e di laminazione a freddo.
3. RAFFORZAMENTO PER AFFINAMENTO DEL GRANO
Un bordo di grano (BG) può essere descritto come un impilamento di dislocazioni (così tante che il reticolo non è più identificabile) oppure si può considerare
si solidifica). In questo modo si favorisce la formazione di un maggior numero di nuclei di cristallizzazione, che daranno origine a grani più piccoli. I bordi di grano, presenti nei materiali policristallini, costituiscono degli ostacoli al movimento delle dislocazioni, che sono responsabili della deformazione plastica. Quando una sollecitazione supera un valore critico, le dislocazioni possono superare i bordi di grano e penetrare nel grano adiacente. Questo processo di deformazione plastica è ostacolato dai bordi di grano, che limitano la propagazione delle dislocazioni. Di conseguenza, i materiali policristallini con grani più piccoli presentano un maggiore rafforzamento rispetto ai materiali cristallini con grani più grandi. Questo significa che i materiali policristallini a grani fini hanno una maggiore resistenza e una maggiore capacità di sopportare sollecitazioni senza deformarsi permanentemente.È fuso). In questo modo nucleano, al momento di inizio della solidificazione del metallo, molti cristalli, ciascuno dei quali potrà crescere poco. Il rafforzamento per affinamento del grano ha il vantaggio di indurre un notevole incremento del carico di snervamento, in corrispondenza di una minore diminuzione della duttilità (capacità di deformazione plastica dopo lo snervamento), rispetto a quanto avviene ad esempio per effetto dell'incrudimento. 4. RAFFORZAMENTO PER SECONDA FASE Inserire elementi in lega oltre il limite di solubilità Formazione di una seconda fase: vi è rafforzamento perché il moto delle dislocazioni non può continuare sullo stesso piano e nella stessa direzione: la seconda fase ha struttura cristallina diversa dalla fase maggioritaria o matrice. In più, se la seconda fase ha carattere ceramico: - non ha piani e direzioni ad elevata densità, - ha elevatoparametro reticolare- Le dislocazioni si muovono con difficoltà nella seconda fase.
Utile per prevedere la resistenza a carichi strutturali.
Inconvenienti:
- barreling - distorsione del provino
Utile per i materiali fragili (idonei a carichi compressivi): non vi è estensione dei macro o microdifetti presenti → resistenza e deformazione maggiore che non a trazione.
Bisogna tener presente che la prova di compressione "sovrastima" le prestazioni del materiale che in esercizio (sollecitazioni complesse) può essere soggetto a frattura precoce.
I CERAMICII ceramici sono materiali a comportamento fragile, cioè che si rompono senza deformazione plastica.
Il carico di snervamento è molto alto e coincide con il carico di rottura; questo perché si tratta di cristalli a legame covalente (o ionico) in cui il carattere orienta
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